DE4410705C2 - Meßvorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus der DE 32 12 611 C2 bekannt ist.

Die Erfindung befaßt sich mit dem elektronisch exakten Messen von Meßgrößen unterschiedlicher Art, welche mit Sensoren aufgenommen werden, deren Eigenschaften in nicht zu vernachlässigender Weise vom Temperaturniveau der Sensoren beeinflußt werden.

Bei Verwendung von singulären funktionalen Systemkomponenten bei Meßstrecken sind die Orte der Signal­ entstehung, der häufig notwendigen Signalverstärkung sowie der Signalaufbereitung und der Auswertung sowie Verrechnung mehrerer Signale untereinander zwangsweise räumlich getrennt. Eine Meßstrecke läßt sich als Folge ihrer funktionalen Einheiten darstellen:

Die Sensoren sind technische Bauteile, die aus einem physikalischen nichtelektrischen Meßsignal ein eindeuti­ ges elektrisches Signal erzeugen. Die Aufgabe der Sensoren ist es, Informationen über Meßgrößen zu liefern und diese in geeigneter Form für die elektronische Weiterverarbeitung und Auswertung zur Verfügung zu stellen.

Mittels abgeschirmter Kabel müssen die meist schwachen elektrischen Signale über längere Distanzen (von oft mehreren Metern bis zur Größenordnung von 100 Metern) bis zum Ort der Signalaufbereitung (Linearisie­ rung, Verstärkung) übertragen werden.

Diese erfolgt in aller Regel in standardisierten, universell einsetzbaren elektrischen Modulen mit der Global­ bezeichnung "Meßverstärker". Diese Module mit Leistungsmerkmalen höherer Qualitätsklasse zeichnen sich durch nicht geringe Größe, Gewicht und Volumen sowie nicht kleinen Preis aus. In aller Regel sind diese Geräte auf Einsatz unter Laborbedingungen ausgelegt und sind somit ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen unter "rau­ hen Bedingungen" oder unter "besonderen Bedingungen" (große Kälte oder Hitze, fluidische Umgebung etc.) nicht einsetzbar.

Die aufbereiteten Signale werden ggf. einer kombinatorischen Schaltung oder einem Computer zur weiteren Auswertung (Anzeige, Verrechnung, Speicherung) zugeführt.

Durch die in der Praxis meist unterschiedlichen Temperaturniveaus der Bauteile sowie der unterschiedlichen Temperaturkennlinien ergibt sich beim Aufbau der Meßschaltung insgesamt zwangsweise ein Einfluß der Störgröße "Temperatur", die das Signal dieser Meßschaltung in nicht mehr zu vernachlässigbarer Weise ver­ fälscht.

Der Fehler eines Signals, der durch den Einfluß einer Temperatur(änderung) entsteht, ist daher nicht konstant, sondern abhängig von den momentanen Temperaturniveaus.

Durch die verschiedenen Temperaturkennlinien der Systemkomponenten ergibt sich selbst bei gleicher Ausgangstemperatur T₀ der Komponenten ein jeweils unterschiedliches Antwortverhalten des Meßsignals auf kleine Temperaturänderungen ΔT einer einzelnen Komponente.

Da sich die Systemkomponenten aber in der Regel in einem dreidimensionalen Temperaturfeld mit in der Regel stark inhomogener Wärmeverteilung befinden, welches sich z. B. durch die Wärmeabgabe von eingebau­ ten Netzteilen oder die Beeinflussung durch Luftzug im Raum unkontrollierbar ändert, kann bei einer solchen Anordnung keine genaue Messung in zuverlässiger Weise erfolgen.

Ziel bei der Auslegung einer Meßanlage muß es aber sein, genaue, zuverlässige Meßwerte über einen weiten Temperaturbereich hinweg und nicht nur bei singulären Temperaturen zu erhalten.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Meßvorrichtung bereitzustellen, die eine schnelle und kostengünstige Kompensation von Temperaturfehlern beliebig hoher Ordnung mit großer Zuverlässigkeit gewährleistet.

Viele der durch den Einsatz eines Meßsensors entstehende Signale S_i lassen sich im allgemeinen beschreiben durch einen im Idealfall bereits hinreichend vereinfachten linearisierten Term der Form:

A_i = F_(E0) . [1 + α_20i . (T_2i - 20°C) + β_i . (y_2i - y_1i) + Σx_i . (n_2i - n_1i)] . E_i

Hierin sind
A_i Ausgangssignal des i-ten Sensors,
E_i Eingangsgröße = Meßgröße i,
F_(E0) Funktion der Meßgröße; im Idealfall eine Konstante oder eine wenigstens um einen Arbeitspunkt E₀ hinreichend linearisierbare Funktion nach Taylor (Taylor-Gerade),
α_20i Einflußzahl, Temperaturkoeffizient f. Normtemperatur,
(T₂ - 20°C) Abweichung der Ist-Temperatur vom Bezugswert (Normtemperatur),
β_i Mechanische Einflußzahl,
(y_2i - y_1i) Abweichung der mechanischen Einflußgröße von ihrem Bezugswert,
x_i Sonstige Einflußzahl,
(n_2i - n_1i) Abweichung der zugehörigen Einflußgröße vom jeweiligen Bezugswert.

Das Temperaturniveau T_i des Sensors beeinflußt in fast allen Fällen seine relevanten Eigenschaften (z. B. spezifischen elektrischen Widerstand, elektrische oder magnetische Permeabilität) in nicht mehr vernachlässig­ barer Weise. Die Erzeugung eines gewünschten oder wenigstens konstanten Temperaturniveaus an der Meß­ stelle ist in den meisten Fällen unmöglich oder unwirtschaftlich.

Manche Sensoren werden ebenfalls durch mechanische Größen (Druck, Dehnung) beeinflußt, wobei diese jeweilige Größe durchaus Ziel der Messung sein kann. Besonders in diesen Fällen, in denen die Temperatur nicht die eigentliche Meßgröße darstellt, ist es wichtig, ihren Einfluß auf das entstehende Meßsignal zu eliminieren.

So wurden Techniken für die Kompensation des Temperatureinflusses entwickelt. Beispielsweise schafft der aus anderen technischen Gründen (z. B. minimale Größenordnung des vom Sensor abgegebenen Signals bei gleichzeitiger Elimination des Offsets) oft erforderliche Einsatz von Meßbrücken-Schaltungen die Vorausset­ zung für eine Kompensation dadurch, daß mehrere gleichartige Sensoren zu einer Meßschaltung verschaltet werden, die alle dem Einfluß des jeweiligen örtlichen Temperaturniveaus T_i ausgesetzt sind. Durch geeignete Verschaltung der Signale S_i versucht man eine Kompensation dadurch zu erreichen, daß sich der tendenziell gleiche oder zumindest gleichartige Signalanteil, der durch den Einfluß etwa eines generellen Temperaturan­ stiegs an allen Orten O_i entsteht, heraushebt.

Sollen mechanische Größen gemessen werden, dann ist bei Verwendung von Meßbrücken darauf zu achten, daß passive Ergänzungssensoren nicht mechanisch belastet werden, wenn sie zum Zweck der Kompensation des Temperaturfehlers, der durch unterschiedliche Temperaturniveaus der aktiven und passiven Sensoren entsteht, in der Nähe der aktiven Sensoren gebracht werden.

Grundsätzlich muß bei der Verwendung von Meßschaltungen zwischen aktiven Bauteilen, die neben den Störgrößen der eigentlichen Meßgröße unterliegen, und den passiven Ergänzungsbauteilen unterschieden wer­ den.

Für den Bau von Meßschaltungen lassen sich u. a. folgende globale Forderungen bezüglich der Belastung der Sensoren zusammenfassen:

• - Die aktiven Bauteile sollen ihre größte Beeinflussung durch die zu messende Größe erfahren. Alte anderen als die zu messende Größe sind Störgrößen; ihr Einfluß soll möglichst gering sein.
• - Die passiven Ergänzungsbauteile sollen keinerlei Beeinflussung durch die zu messende Größe erfahren. Den Störgrößen sollen sie in möglichst identischer Weise ausgesetzt sein wie die aktiven Bauelemente.
• - Der Einfluß von Störgrößen auf die Bauteile der Meßschaltung muß insgesamt möglichst gering gehalten werden.

Generell besitzt jeder einzelne Bestandteil einer realen Meßstrecke eine Abhängigkeit von der Temperatur; bei korrekten Messungen ist diese Abhängigkeit, die durch eine Temperatur-Kennlinie beschrieben werden kann, zu berücksichtigen. Jedem einzelnen Bestandteil einer Meßstrecke kann so eine Temperatur-Kennlinie bzw. eine Temperatur-Funktion F_i(t_i) zugeordnet werden. Das Blockschaltbild üblicher Meßstrecken weist stets mehrere funktionale Blöcke auf, die jeder für sich jeweils eine solche Temperatur-Kennlinie F_i(T_i) besitzen; bei der Berechnung des Übertragungsverhaltens des Gesamtsystems (Kennlinie) müssen somit alle einzelnen Tem­ peratur-Kennlinien F_i(T_i) berücksichtigt werden. Beim Vorhandensein von n Systemkomponenten müssen somit entsprechend ihrer jeweiligen Kennlinie n unterschiedliche Temperaturniveaus, auf denen sich die Systemkom­ ponenten befinden, berücksichtigt werden. Das führt zu einer Funktion von n + 1 Variablen.

S = F(Meßgröße X, T₁ . . . T_n)

Entsprechend dem Stand der Technik können in der Praxis die k System-Komponenten einer sogenannten Thermostabilisierung unterworfen werden, die sie auf einem gemeinsamen Temperaturniveau hält. Bestenfalls gelingt es auf diese Weise, k = (n - 1) Systemkomponenten nämlich alle Komponenten bis auf den Sensor, auf ein einheitliches Temperaturniveau T_n-1 = T_stabilisiert zu bringen, so daß das Signal der Meßkette mit

S = F(Meßgröße X, T_sensor, T_stabilisiert)

beschrieben ist; neben der eigentlichen Meßgröße hängt es von zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus ab.

Durch den damit verbundenen Übergang in den dreidimensionalen Darstellungsraum ist das Signal bezüglich der Temperatureinflüsse nicht mehr kompensationsfähig, insbesondere unter Würdigung des Umstandes, daß in den meisten Fällen die Temperaturkennlinien der einzelnen Systemkomponenten nicht bekannt sind oder mühsam beschafft werden müssen.

Diese Maßnahmen bedeuten für sich bereits einen erhöhten technischen Aufwand. Einsatz von Energie und Materie und in der Regel erhöhtes Volumen und erhöhtes Gewicht.

Bei allen Versuchen, den Aufbau von Meßstrecken hinsichtlich der Einwirkungen thermischer und mechani­ scher Einflüsse zu optimieren, müssen andere bekannte Einflüsse, die sich auf die Güte des Signals auswirken, ebenfalls berücksichtigt werden. Diese sind:

• - Schutz gegen elektromagnetische Beeinflussung am Ort der Signalentstehung und auf der Übertra­ gungsstrecke,
• - Gewährleistung guter elektrischer Isolierung und Kontaktierung,
• - Erfüllung der Kriterien für die kabelgebundene Signalführung gleicher Kabeltyp, gleiche Kabellänge, gleiche Kabelführung.

Üblicherweise versucht man durch applikationsspezifischen Einsatz von diversen Abschirmungen entlang der Signalübertragungsstrecken und an den Orten der Signalentstehung, den Einfluß dieser Störungen zu minimie­ ren.

Nachteile bei üblicherweise räumlich verstreuter Positionierung der Bauteile:

• - Das elektromagnetische Feld ist im allgemeinen eine Funktion des Ortes. Daraus ist abzuleiten, daß räumlich verstreut positionierte Bauteile unterschiedlich beeinflußt werden.
• - Für jeden Sensor und jede dafür benötigte Übertragungsstrecke wird eine separate Abschirmung erforderlich.
• - Je länger bei gleicher Signalstärke eine Übertragungsstrecke wird, desto höheren Ansprüchen muß die Abschirmung genügen. Das bedeutet zusätzlicher Aufwand an Gewicht, Volumen und Kosten und schränkt die Handhabbarkeit ein.

Der Forderung nach minimaler Beeinflussung von Meßergebnissen durch die Gesamtheit der Störgrößen, insbesondere der Temperatur, kann unter Verwendung herkömmlicher Komponenten nicht entsprochen wer­ den. Zumindest können hohe Ansprüche an die Qualität von Messungen auf diese Weise nicht ohne besondere Maßnahmen, welche zusätzlichen Aufwand an Gewicht, Volumen und Material bedeuten und die Handhabbar­ keit und somit Einsetzbarkeit der Meßstrecken herabsetzen, befriedigt werden.

In der Praxis kommt man bisher der Forderung bezüglich der maximalen Beeinflussung der aktiven Sensoren durch die Meßgröße mit der Wahl eines in Typ und Ausführung für die Messung geeigneten Sensors nach. Idealerweise werden dieselben Bauteile, gegen den Einfluß der eigentlichen Meßgröße isoliert, auch als passive Ergänzungsbauteile eingesetzt.

Der Forderung nach minimaler Beeinflussung durch die Gesamtheit der Störgrößen, insbesondere der Tem­ peratur, kann andererseits nicht so leicht entsprochen werden.

Durch die in der gängigen Praxis meist unterschiedlichen Temperaturniveaus der Bauteile ergibt sich, wie gezeigt, beim Aufbau der Meßschaltung insgesamt ein Einfluß der Störgröße "Temperatur", die das Signal dieser Meßschaltung in nicht mehr zu vernachlässigbarer Weise verfälscht. Die Kompensation dieses Einflusses ist oft nicht oder nur mit sehr viel Aufwand realisierbar.

Die Ursache für diesen Störeinfluß liegt dabei, wie ebenfalls gezeigt, in der meist durch die Randbedingungen der Applikation erzwungenen räumlichen Distanz der Sensoren in Verbindung mit einem von Null verschiede­ nen Temperaturgradienten.

Die bekannte Kompensationsmethode der Applikation passiver Ergänzungsbauteile bzw. -sensoren auf glei­ chem Material wie die aktiven Sensoren ("Applikation aller Sensoren auf gleichem Material") zur Kompensation des Temperatureinflusses ist besonders bei Messungen mechanischer Größen in der Praxis nur mit erheblichem technischem Aufwand wirkungsvoll realisierbar.

Beim Messen mechanischer Größen stellt sich aus einer als "irgendwie" realisiert angenommenen Lösung für das eben beschriebene Problem "Aufhebung der räumlichen Trennung der aktiven und passiven Bauteile" ein anderes:

Die räumliche Distanz der passiven zu den aktiven Sensoren wird bei der Messung mechanischer Größen zur Zwangsbedingung, da ansonsten die passiven Sensoren dem gleichen mechanischen Einfluß unterliegen wie die aktiven, was z. B. bei einer Meßbrücke eine Fehlmessung oder gar die Kompensation der Meßgröße selbst bedeuten kann.

Die vorgestellte Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die beschriebenen technischen Probleme durch Kombination der folgenden Ansätze:

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dem gemessenen Signal einer (oder mehrerer) frei wählbaren, aber implementierungsabhängigen Meßgröße, die mit einem Meßfehler auf Grund des Einflusses der Temperatur behaftet ist, der wahre Wert zugeordnet. Der wahre Wert ist vom Temperaturfehler befreit und tritt bei der Meßwertausgabe an die Stelle des gemessenen Signals.

Durch Nutzung eines der nachfolgend beschriebenen Prinzipien wird erreicht, daß alle Bauteile ein einheitliches Temperaturniveau haben, nämlich das Niveau T_AO der Oberfläche, auf die die Einheit appliziert wurde. Somit werden die Signale aller implementierten Meßschaltungen neben ihrer eigentlichen Meßgröße nur von genau dieser einen Temperatur T_AO beeinflußt (Verweis auf Anmeldung P 43 25 782.8-52).

Die Meßschaltung zur Messung der Temperatur liefert somit ein Signal F(T_AO), das von keinem anderen Parameter abhängig ist. Durch die so erhaltene absolute und genaue Messung der Temperatur aller vorhande­ nen Bauteile kann die Kompensation des Temperaturfehlers einer gesamten Meßkette ohne zusätzliche Maß­ nahmen durchgeführt werden. Das Signal kann dadurch beschrieben werden zu

S = G(Meßgröße X, T)

Bei Messungen mechanischer Größen löst die Erfindung dabei die Problematik der völligen thermischen Ankopplung bei gleichzeitiger völliger mechanischer Entkopplung der aktiven Sensoren von den passiven Ergänzungssensoren in einer Meßschaltung zumindest weitgehend.

Eine befriedigende Elimination des Temperatureinflusses aus dem Meßergebnis durch gegenseitige Kompen­ sation der Einflüsse auf die einzelnen Signale S_i, die an den Orten O_i entstehen, gelingt am besten durch die Elimination der Ursachen.

Der Einfluß der vorhandenen Temperaturgradienten und der räumlichen Distanzen zwischen den Sensoren auf das Signal der Schaltung läßt sich global beschreiben mit:

K . δT/δx . dx = K . ΔT = Δs

Hierin sind
K sensorspezifischer Temperaturkoeffizient,
δT/δx Temperaturgradient,
dx räumliche Distanz der Sensoren,
ΔT Temperaturdifferenz,
Δs temperaturbedingter Fehler im Ausgangssignal.

Die Forderung ΔT = min wird von der Erfindung erfüllt durch

• - Minimierung der räumlichen Distanz dx der Sensoren durch Applikation (nahezu) am selben Ort,
• - Minimierung des Temperaturgradienten δT/δx durch Optimierung des thermischen Kontakts zwischen allen Elementen der Schaltung.

Die Prinzipien der genannten Minimierungen sind bereits in der Anmeldung P 43 25 782.8-52 beschrieben. Die Wirkung der Erfindung ist unabhängig vom Typ der gewählten Sensoren und somit unabhängig von deren spezifischen Temperaturkoeffizienten K. Selbst Sensoren, die trotz ansonsten hervorragender meßtechnischer Eigenschaften aufgrund ihrer erhöhten thermischen Empfindlichkeit nur selten angewandt werden, können mit Hilfe der Erfindung sehr einfach eingesetzt werden. Ein konkretes Beispiel hierfür sind die Halbleiter-DMS.

• - Die Beseitigung der räumlichen Trennung der Bauteile der Meßschaltung bis auf das absolut erforderli­ che Maß erfüllt die Bedingung ΔT = min.
• - Herstellung der Verfügbarkeit der Integration mehrerer gebräuchlicher Bauelemente in eine einzige, geschlossene Einheit unter der Maßgabe der Miniaturisierung, Kapselung und Abschirmung.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein sehr kompaktes, nach industriellen Ansprüchen in jeder Hinsicht robustes und in weiten Temperaturbereichen ohne Einflüsse auf Genauigkeit einsetzbares Meßsystem mit integrierter Energieversorgung und Signalaufbereitung, welches zusammen mit den jeweils integrierten aber implementationsabhängig frei wählbaren Sensoren als geschlossene Einheit am gewünschten Ort der Signalent­ stehung appliziert wird.

Durch die beschriebenen Prinzipien entfällt sämtlicher technischer Aufwand für die übliche thermische Stabilisierung.

Zusammengefaßt bedient sich die Erfindung zweier Ansätze:

• - Grundsätzliches Lösen von Problemen durch präventive Maßnahmen/Vermeidung der Problementste­ hung.
• - Integration der Funktionen mehrerer gebräuchlicher Bauelemente/Fertigungseinheiten zu einer einzi­ gen, geschlossenen Fertigungseinheit unter der Maßgabe der Miniaturisierung und Kapselung.

Diese Kombination ermöglicht

• - eine geschlossene Fertigung und Einstellung/Kalibrierung am Werk,
• - eine in bezug auf Betriebssicherheit, Verwendungszweck Kosten, Gewicht und Volumen optimierte Meßmimik.

Gebräuchliche Systeme können diesen Kriterien allenfalls im einzelnen, aber nicht in summa entsprechen.

Man erhält eine autonome, extrem kompakte Meßeinheit zum Messen einer implementierungsabhängig beliebigen Zusammensetzung von Meßgrößen und der Meßgröße "Temperatur" unter optimaler Kompensation des Temperatureinflusses auch in rauher Industrieumgebung und großen Temperaturbereichen. Die Einheit ist auch bei großen Temperaturschwankungen in kurzer Zeit für hochgenaue Messungen verwendbar. Durch die integrierte Energieversorgung kann sie ohne Verbindung mit der Umgebung betrieben werden.

Durch die Integration aller Bauteile in die sehr kompakte Einheit entfallen lange Übertragungsstrecken zwischen den funktionalen Blöcken der Meßkette zusammen mit ihren prinzipbedingten Nachteilen.

Das Prinzip der Erfindung legt trotz Nutzung aller Vorteile dem Anwender keinerlei Beschränkungen in der Auswahl der Meßschaltung auf.

Wirtschaftlich ergeben sich folgende Vorteile:

• - Kostenreduktion:
  Bei Serienfertigung ist mit einer erheblichen Kostenreduktion im Vergleich zu einer herkömmlich aufge­ bauten Schaltung zu rechnen.
• - Erweiterte Einsatzbereiche:
  Es kann auch in Fällen gemessen werden, in denen aus Kostengründen bis jetzt auf eine Messung verzichtet werden mußte; insbesondere Flächenmessungen mit einer großen Anzahl von Meßstellen werden bezahl­ bar.

Technisch ergeben sich folgende Vorteile:

• - Eine ständige Kompensation der thermischen Beeinflussung.
• - Die Konstruktion wurde so gewählt, daß sich alle Bauelemente der Meßeinheit stets auf gleichem Temperaturniveau befinden. Diese Anforderung wurde realisiert durch die Minimierung des Temperatur­ gradienten mittels eines guten thermischen Kontakts zwischen den Orten der Applikation der Sensoren einerseits und durch Minimierung der räumlichen Distanz andererseits. Dadurch sind die thermischen Beanspruchungen aller Komponenten gleich.
• - Toleranzen und Meßgenauigkeit:
  Fertigung aus einer Hand ermöglicht herstellerseitig eine Endkontrolle des gesamten Meßsystems. Deswe­ gen ist die Einhaltung engerer Toleranzen als üblich möglich. Es gelingt, die technischen Voraussetzungen für mehrere Messungen hoher Genauigkeit zu schaffen auf extrem kleinem Raum und kleinem Gewicht.
• - Ständige, automatische Kompensation der thermischen Beeinflussung:
  Durch die räumlich kompakte Anordnung aller Baugruppen werden übliche Probleme bei der Signalüber­ tragung bereits im Ansatz weitgehend ausgeschaltet. Unter zusätzlicher Ausnutzung des Effekts der thermi­ schen Kopplung wird ein einheitliches Temperaturniveau zwischen allen Baugruppen erzeugt. Erst dadurch kann die beschriebene, prinzipiell bekannte Methode zur Kompensation der durch den Einfluß der Tempe­ ratur entstandenen Meßfehler tatsächlich wirkungsvoll eingesetzt werden.
• - Die beschriebene prinzipiell exakte Temperaturmessung steht zusätzlich immer als Meßsignal zur Verfügung.
• - Minimierung der Länge der Übertragungswege:
  Die üblicherweise mehrere Meter betragenden Übertragungswege bei singulären Einheiten werden kon­ kurrenzlos auf wenige Millimeter bis Zentimeter verkürzt.
• - Minimierung der Anzahl der Übertragungswege.
  Die Anzahl der benötigten Übertragungsstrecken vermindert sich durch die Aufhebung der räumlichen Trennung zwischen primärer und sekundärer Signalaufbereitung bzw. Signalverarbeitung.
• - Weitestgehende Identität der Übertragungswege:
  Der Forderung an kabelgebundene Signalführung nach gleichem Kabeltyp, gleicher Kabellänge und glei­ cher Kabelführung wird durch die Verwendung der auf Trägerfolie integrierten Leiterbahnen in vollem Umfang entsprochen.
• - Optimierung der Kontaktstellen:
  Das Entstehen von Übergangsspannungen läßt sich auch bei der Meßeinheit nicht vermeiden. Da es sich aber um eine Komplett-Schaltung aus einer Hand handelt, lassen sich die hier üblichen Forderungen nach bezüglich der Anzahl der Kontaktstellen symmetrischen Schaltungsauslegung und nach "gleichem" Leiter­ material wenigstens optimal erfüllen.
• - Minimierung des Gewichts und des Volumens der Übertragungswege und Optimierung ihrer Handha­ bung:
  Sinnfällig ergeben sich aus der Verwendung der Trägerfolien sehr leichte, kleinvolumige Übertragungswe­ ge. Das Problem ihrer Handhabung entfällt, da sie innerhalb der geschlossenen Einheit verlaufen.
• - Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung (Umwelteinfluß):
  Ein weitgehend geschlossenes Metallgehäuse, das bei Bedarf sehr dick ausgeführt werden kann, übernimmt die Aufgabe, die gesamte Meßanordnung und Aufbereitung elektromagnetisch abzuschirmen (Faraday­ scher Käfig). Eine zusätzliche Erdung des Gehäuses ist möglich.
• - Schutz gegen große mechanische Belastung durch massives, nicht durchbrochenes Gehäuse ist möglich.
• - Schutz gegen Feuchtigkeit, Schmutz und chemische Einflüsse (Umwelteinfluß):
  Das genannte Gehäuse läßt sich beispielsweise durch die Verwendung von beliebigen Klebern oder Dich­ tungen fluiddicht (Flüssigkeiten und Gase) gegen die Applikationsfläche abdichten. Messungen in fluidi­ scher Umgebung (z. B. unter Wasser), auch bei höheren Umgebungsdrücken, werden so möglich; der hohe Umgebungsdruck wirkt dichtungsverstärkend.
• - Einfache Handhabung der Meßeinheit:
  Bereits die noch nicht applizierte Meßeinheit ist völlig wasserdicht und in der Handhabung sehr unempfind­ lich.
• - Durch die Erzeugung von zwei eindeutig getrennten Bereichen, die mechanisch entkoppelt sind, ist es möglich, alle Komponenten einer Meßschaltung (Sensoren und passive Bauelemente) auf eine gemeinsame Folie zu applizieren und zu verschalten.
• - Optimierte Meßelektronik ohne externe Energieversorgung:
  Die Meßelektronik wird in Hybrid-Technologie in Miniaturform in einer dem jeweiligen Meßsensor ange­ paßten Schaltung aufgebaut. Dies gewährleistet Minimalwerte in Größe, Gewicht und Energieverbrauch. So wird es möglich, die Meßeinheit über eine angemessene Zeit durch eingebaute Akkus mit Energie zu versorgen.

Viele der beschriebenen, üblicherweise durch Verwendung von herkömmlichen, singulären Komponenten meist auch noch verschiedener Hersteller verursachten Probleme lassen sich so durch Integration der funktional benötigten Einheiten in eine kompakte Einheit (eines Hestellers) bereits im Ansatz vermeiden oder zumindest erheblich reduzieren.

Das Zusammenwirken der verschiedenen funktionalen Blöcke kann schon bei der Herstellung optimiert werden. Dadurch können gute und reproduzierbare Parameter beim Einsatz in der Praxis gewährleistet werden.

Für den Anwender wird die Durchführung der Messungen durch den Wegfall der Handhabungsprobleme einfacher.

Durch den Verzicht auf eine externe Energieversorgung wurde ein energetisch autonomes Meßsystem geschaffen, wie es mit der erreichbaren Genauigkeit noch nicht existiert.

Durch die Verwendung der Erfindung in der beschriebenen Form ergibt sich insbesondere folgende Möglich­ keit:

• - Preiswertes Verbund-Meßsystem:
  Nach der Idee des Baukastenprinzips können durch den Zusammenschluß mehrerer Einheiten (entnommen aus einer relativ geringen Auswahl an implementierten internen Meßstrecken) eine Vielfalt von problem­ orientiert ausgelegten Meßsystemen zusammengestellt werden.

Die Erfindung soll vorgestellt werden am Beispiel eines Meßsystems zur Messung mechanischer Dehnungen in zwei oder mehreren Richtungen. Als Sensoren werden Dehnungsmeßstreifen (DMS) eingesetzt.

Bis auf die Sensoren bleibt der mechanische Aufbau des Systems sowie die eingesetzte Hard- und Software auch bei der Messung anderer Größen weitgehend unverändert.

In der Zeichnung, anhand derer das Ausführungsbeispiel beschrieben ist, zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels.

Die dargestellte Meßeinheit besitzt die folgenden mechanischen Hauptkomponenten:

• - Gehäuse 1,
• - Mehrschicht-Platine 3, mit elektronischen Bauteilen 5 bestückt,
• - flexible Trägerfolie 4 mit bereits integrierten Meßsensoren, darunter eine Meßschaltung zur Messung der Temperatur (Verweis auf Anmeldung P 43 25 782.8-52),
• - Formteil 6 aus Gummi oder elastischem Kunststoff,
• - feste Vergußmasse 2.

Das Gehäuse 1 besteht aus Metall und dient als geschlossene Abschirmung aller Baugruppen. Um eine maximale mechanische Festigkeit bei Schlägen und Vibrationen zu gewährleisten, wird der leere Raum zwischen der oberen Seite der Mehrschicht-Platine 3 und dem Gehäuse 1 mit der festen Vergußmasse 2 (z. B. EPOXY oder einem gleichartigen Stoff) gefüllt. Es ergeben sich eine große Belastbarkeit und ein insgesamt sehr guter Schutz der elektronischen Bauteile.

Die rundum verlaufende Nut für Dichtungsstoffe 11 garantiert einen hermetischen Abschluß des Systems gegen alle anzunehmenden äußeren Einflüsse.

Die Mehrschicht-Platine 3 trägt die zur Signalverstärkung, Verrechnung, Korrektur und programmierbaren Auswertung notwendigen elektronischen Baugruppen sowie die Stromversorgung.

Die Trägerfolie 4 besteht aus flexiblem Trägermaterial und ist herstellerseitig mit Leiterbahnen und mit zu Meßbrücken fertig verschalteten Meßsensoren für die Meßaufgaben bestückt. Die Trägerfolie 4 erwächst aus der Mehrschicht-Platine 3 als flexibel gehaltene untere Schicht. Die Kontaktierung zwischen den Schichten (einschließlich der Trägerfolie 4) und die Applizierung der Bauelemente auf der Trägerfolie 4 werden unter der Verwendung bewährter Technologien realisiert Folgende Meßschaltungen sind implement:

• - Schaltung zur Messung der Temperatur mit Widerstandsthermometer 7:
  Es wird eine Wheatstone-Brücke benutzt.
• - Schaltungen zur Messung mechanischer Dehnungen in zwei Richtungen:
  Hierzu kommt je Meßkanal eine Meßbrücke nach Wheatstone mit zwei aktiven 8 und zwei passiven DMS 9 zum Einsatz.

Die Trägerfolie 4 hat zwei funktional getrennte Bereiche, die thermisch gekoppelt, aber mechanisch entkop­ pelt sind. Der obere (Fig. 1) Bereich 4a bleibt mechanisch unbelastet und trägt die Meßbrücke des Widerstands­ thermometers 7 und die passiven Ergänzungs-Halbbrücken 9 der Meßbrücken für die Messung der mechani­ schen Dehnungen.

Der untere (Fig. 1) Bereich 4b trägt die aktiven Halbbrücken 8 der Meßbrücken für die Messung der mechanischen Dehnungen der Applikationsfläche, die mit geringfügig abgewandelter herkömmlicher Methode auf den zu messenden Federkörper appliziert werden.

Das Formteil 6 aus Gummi oder plastischem Kunststoff erfüllt gleichzeitig mehrere Aufgaben:

• - Übertragung des bei Applikation der Meßeinheit erforderlichen mechanischen Drucks auf die Applika­ tionsflächen der Dehnungsmeßstreifen,
• - Distanzhalter zwischen den beiden Teilen der Trägerfolie,
• - hermetische Abdichtung aller Bauteile gegenüber der Umgebung (erste Stufe der Abdichtung).

Die Montage der gesamten Meßeinheit und die DMS-Applikation fallen in eins.

Der Applikationsvorgang der aktiven DMS 8 auf dem Federkörper findet unter mechanischem Anpreßdruck statt; das Formteil 6 deformiert sich, durch seine Auslegung, Formgebung und Materialeigenschaften bedingt, während der Aufbringung des Drucks in der Weise elastisch, so daß es den aufgebrachten Druck gleichmäßig verteilt auf die zu klebenden aktiven DMS 8 weitergibt. Somit wird die Meßeinheit vom Anwender unter Verwendung bewährter Technologien auf den Federkörper bzw. das Trägermaterial appliziert.

Bei Entlastung nimmt das Formteil 6 wieder seine Ausgangsform an und stellt somit den passiven Ergänzungs- DMS 9 den erforderlichen Freiraum für deren mechanische Entkopplung zur Verfügung.

Der zwischen den Bauteilen verbleibende Hohlraum ist mit einer zäh-viskosen Masse 10 aufgefüllt, die zwei Aufgaben übernimmt:

• - Erzeugung eines sehr guten thermischen Kontakts zwischen den aktiven und den passiven Sensoren zur Minimierung der beschriebenen Störungen durch thermische Einflüsse,
• - schwebende, gedämpfte Lagerung der passiven Ergänzungssensoren für die Messung der mechanischen Dehnungen und der Meßbrücke für die Temperaturmessung; dieser Teil der Trägerfolie bleibt so mecha­ nisch völlig unbelastet.

Die zäh-viskose Masse erzeugt somit ein einheitliches Temperaturniveau zwischen allen Bauteilen einschließ­ lich der Sensoren 7 und 9 sowie 8 und entkoppelt mechanisch die beiden Bereiche 4a und 4b der Trägerfolie mit den jeweiligen Sensoren.

Alle Bauteile liegen durch die kompakte Bauweise räumlich sehr dicht beieinander und werden durch die zäh-viskose Masse thermisch sehr gut gekoppelt. Daher stellt sich ein einheitliches Temperaturniveau in allen Baugruppen ein; die beschriebene Voraussetzung:

S = F(X, T)

für die Kompensierung des Temperaturfehlers mittels im Signal S der beschriebenen Methode wird dadurch möglich.

Die ganze Einheit besitzt genau eine Temperaturkennlinie für jede einzelne Meßgröße. Diese Kennlinien werden werkseitig exakt ermittelt und in Kennfeldspeichern 14 und 15 abgelegt.

Am Ausgang der Schaltung zur Messung der Temperatur wird einem Signal T_RD (nach Digitalisierung in 13) der wahre Wert T aus dem Kennfeldspeicher 14 ggf. unter Zuhilfenahme von Interpolationen zugewiesen; somit kann der aktuelle Temperatur-Arbeitspunkt der ganzen Einheit ständig genau bestimmt werden. Dabei findet gleichzeitig eine Linearisierung des Signals statt.

Mit dem genauen Temperatur-Arbeitspunkt als Basisinformation ist eine weitere Schaltung in der Lage, einem gemessenen Signal X_RD (nach Digitalisierung in 12) mittels Auswahl der passenden Temperaturkennlinie sowie ggf. unter Zuhilfenahme von Interpolationen unter Nutzung des Kennfeldspeichers 15 den wahren Signalwert S zuzuordnen.

So können genaue Messungen auch bei großen Temperaturschwankungen ohne Genauigkeitsverlust reali­ siert werden.

Claims (10)

1. Meßvorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe (S) mit

• 1. mindestens einem Sensor (8), welcher ein elektrisches Signal (XR, XRD) liefert, das neben der gewünschten Abhängigkeit von der zu messenden physikalischen Größe (S) eine Abhängigkeit von der Temperatur (T) aufweist, und
• 2. einer Meßschaltung zur Aufbereitung und Übertragung der Signale, die mindestens einen Analog/Digital(A/D)-Wandler (12, 13), mindestens einen digitalen Speicher und mindestens einen Temperatursensor (7) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß in einem ersten Kennfeldspeicher (15) eine Kennlinienschar (S(XRD); T) gespeichert ist, welche die Abhängigkeit des von dem einen Sensor (8) gelieferten elektrischen Signals (XR, XRD) von der zu messenden physikalischen Größe (S) und von der Temperatur (T) repräsentiert,
• 2. daß mittels der Meßschaltung die zu messende physikalische Größe (S) unter Verwendung des von dem einen Sensor (8) gelieferten elektrischen Signals (XR, XRD) und der Temperatur (T) aus dem ersten Kennfeldspeicher (15) auslesbar und übertragbar ist,
• 3. daß alle Bauteile der Meßvorrichtung durch eine räumlich kompakte Anordnung thermisch miteinander gekoppelt sind,
• 4. daß der eine Sensor (8) in einem ersten mechanisch flexiblen und der zu messenden physikalischen Größe (S) ausgesetzten Bereich der Vorrichtung angeordnet ist, und
• 5. daß die übrigen Bauteile (5, 7, 9) in einem zweiten mechanisch flexiblen und von der physikalischen Größe (S) entkoppelten Bereich (4) oder in einem mechanisch festen Trägerbereich (3) angeordnet sind.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Bauteilen befindliche Volumen mit einer eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Masse (10) aufgefüllt ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zweiten Kennfeldspeicher (14) eine Kennlinie (T(TRD)) für den Temperatursensor (7) gespeichert ist, welche die Abhängigkeit des von dem Temperatursensor (7) gelieferten Signals (TR, TRD) von der Temperatur (T) repräsentiert, und daß die aus dem zweiten Kennfeldspeicher (14) ausgelesene Temperatur (T) als Eingangsgröße für das Auslesen der zu messenden physikalischen Größe (S) aus dem ersten Kennfeldspeicher (15) verwendbar ist.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem zweiten Kennfeldspeicher (14) ausgelesene Temperatur (T) als eine zusätzliche Ausgangsgröße der Meßvorrichtung übertragbar ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende physikalische Größe (S) eine mechanische Größe ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Temperatursensoren (7) räumlich verteilt angeordnet sind, durch die zusammen mit einem Zeitgeber (5) der zeitliche Verlauf eines Temperaturgradienten der Meßvorrichtung infolge einer Temperaturänderung der Umgebung bestimmbar ist.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Energieversorgung integriert ist.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallisches Gehäuse (1) eine Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung bildet.

9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bauteile (5, 7, 8, 9) auf einem Leiterbahnen als Signal- und Energieübertragungsmittel aufweisenden Träger (3, 4) angeordnet sind.

10. Meßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (3, 4) wenigstens teilweise durch eine Folie (4) gebildet ist.