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Entscheidende Verbesserungen beim Temperaturverhalten von Kraftaufnehmern durch ein neuartiges Kompensationsverfahren des Kennwertes (Spanne) erlauben den Bau von Präzisions-Kraftaufnehmer für Temperaturbereiche bis 250°CMesstechnik Informationen: Temperaturverhalten von Kraftaufnehmern

Entscheidende Verbesserungen beim Temperaturverhalten von Kraftaufnehmern durch ein neuartiges Kompensationsverfahren des Kennwertes (Spanne) erlauben den Bau von Präzisions-Kraftaufnehmer für Temperaturbereiche bis 250°C

Im Allgemeinen lässt sich feststellen, daß Temperaturänderungen bei DMS-Aufnehmern eine geringe mechanische Verformung, eine Veränderung des Aufnehmer-Nullpunktes und eine geringe Änderung des E-Modules des Aufnehmerkörpers hervorrufen, was sich durch eine Änderung des Brückenausgangssignales darstellt. Da die mechanische Verformung üblicherweise auf alle DMS in einer Vollbrückenschaltung gleichmässig einwirkt, eliminiert sie sich weitgehend selbst, sodaß nur die beiden letztgenannten Effekte durch eine Temperaturkompensation ausgeglichen werden müssen.

Die Temperaturabhängigkeit des Brücken-Nullsignales wird durche ine Kombination von Einflüssen hervorgerufen, die im wesentlichen mit den gesamten Komponenten, aus denen die Meßbrücke geformt wird, zu tun haben. Besonders bei ungünstiger Temperaturverteilung kann es dabei zu Nullpunktsfehlern kommen, die deutliche höher sind als allgemein in den Kenndaten angegeben wird. Da der Temperaturfehler des Nullpunktes unabhängig von der Belastung ist, ist naturgemäß der Fehler besonders lästig, wenn der Meßbereich des Aufnehmers nur zu einem geringen teil ausgenutzt wird. Dies sollte generell unbedingt vermieden werden.

Durch Einbau eines temperaturabhängigen Widerstandes lässt sich der Temperturfehler des Nullsignales weitgehend kompensieren. Zusätzliche Verbesserung erreicht man, wenn in der Applikation die Möglichkeit besteht, durch eine Leermessung (unbelasteter Zustand) das Temperaturverhalten des Aufnehmers im Nullpunkt über den gewünschten Temperaturbereich zu erfassen oder wenn man bei höherer Temperatur den Nullpunkt des Aufnehmers in der Nachfolgeelektronik nachstellen kann.

Beispiel

Spezifikation Temperaturfehler Nullpunkt eines Aufnehmers:

0,005% v.Ew

Nullpunktsdrift -10/+50°C:

(0,005 x 60) =

0,3% v.Ew

Meßbereich des Aufnehmers:

5000N

Nullpunktsfehler als Kraft:

(5000/100) x 0,3 =

15N

Der Temperaturfehler des Aufnehmer-Kennwertes ist als eine Änderung des Ausgangssignals im belasteten Zustand als Folge der Temperaturänderung zu intepretieren. Dabei kann der Körper des Aufnehmers als ein reativ steifes Federelement, meist aus Stahl gefertigt, verstanden werden. Das Elastizitätsmodul von Stahl verringert sich aber nun bei steigender Temperatur, was zu einem Anstieg des Brückensignales bei gleichbleibender Last führen würde. Für Temperaturbereiche bis 50°C läßt sich dieses Verhalten durch den Einbau von temperaturabhängigen Widerständen im Bereich der Brückenspeisung weitgehend kompensieren. Der typische Temperaturfehler des Aufnehmer-Kennwertes ist im folgenden Beispiel dargestellt:

Spezifikation Temperaturfehler Kennwert eines Aufnehmers:

0,005% v.Mw

Kennwert-Drift -10/+50°C:

(0,005 x 60) =

0,3% v.Mw

Belastung des Aufnehmers:

5000N

Kennwert-Fehler als Kraft:

(5000/100) x 0,3 =

15N

bei Belastung mit 1000N verringert sich der Kennwert-Fehler dann auf 3N

Bei höheren Temperaturen kommen das bisher übliche Verfahren der Verwendung von Nickel- oder Balco-Widerständen an seine Grenzen, da bei Temperaturen über 100°C die Unlinearität des Temperaturverhaltens der Kompensationswiderstände stark ansteigt.

Bei dem neuartigen, jetzt zum Patent angemeldeten Verfahren, wird mit einer passiven Kompensation direkt in der DMS-Brücke gearbeitet. Dabei wird der Temperaturkoeffizient des passiven Kompensationselementes so ausgelegt, daß er sich invers zum TK des unkompensierten Sensorelementes verhält. Damit lassen sich für alle DMS-Aufnehmer äusserst geringe Temperaturfehler des Kennwertes von typ. 0,005%/°C für Temperaturen bis 250°C erreichen. Mit bestimmten Einschränkungen (z.B. wenn Messungen nur über einen Teil des gesamten möglichen Bereiches notwendig sind, wurden sogar schon sogar Werte von 0,001%v.Mw./°C realisiert.

Die folgenden Beispiele geben einen guten Überblick über die durch die neuartigen Kompensationsmethoden möglichen Verbesserungen des Temperaturverhaltens der Aufnehmer:

Beispiel 1: DMS - Kraftaufnehmer in Vollbrückenschaltung mit 2000 Ohm - DMS:

Test an einer unkompensierten Meßzelle bis 200°C:

Typ. Temperaturfehler Meßspanne (Kennwert):

0,018%FS/°C (entspr. 3,05% FS)

Empfindlichkeit bei Raumtemp.:

2,25615 mV/V

Nach Durchführung der Temperaturkompensation ergaben sich folgende Werte:

Typ. Temperaturfehler Meßspanne (Kennwert):

0,0024%FS/°C (entspr. 0,41% FS)

Empfindlichkeit bei Raumtemp.

1,93968 mV/V

Beispiel 2: DMS - Kraftaufnehmer (Scherkraftaufnehmer) mit 350 Ohm DMS-Vollbrücke:

Test an einer unkompensierten Meßzelle bis 240°C:

Typ. Temperaturfehler Meßspanne (Kennwert):

0,018%FS/°C (entspr. 3,75% FS)

Empfindlichkeit bei Raumtemp.:

1,70689 mV/V

Nach Durchführung der Temperaturkompensation ergaben sich folgende Werte:

Typ. Temperaturfehler Meßspanne (Kennwert):

0,0016%FS/°C (entspr. 0,8% FS)

Empfindlichkeit bei Raumtemp.

1,49293 mV/V

Beispiel 3: DMS-Kraftaufnehmer, zylindrisch, mit 8 St. 700 Ohm DMS - Vollbrücke:

Test an einer unkompensierten Meßzelle bis 150°C

Typ. Temperaturfehler Meßspanne (Kennwert):

0,036%FS/°C (entspr. 4,53% FS)

Empfindlichkeit bei Raumtemp.:

1,2732 mV/V

Nach Durchführung der Temperaturkompensation ergaben sich folgende Werte:

Typ. Temperaturfehler Meßspanne (Kennwert):

0,006%FS/°C (entspr. 0,68% FS)

Empfindlichkeit bei Raumtemp.

0,83689 mV/V

Allerdings sind bei der Verwendung dieses Verfahrens einige Einschränkungen bzw. bestimmte Betriebsbedingungen zu beachten:

  1. Ein Parallebetrieb mehrerer Aufnehmer (wie z.B. in bestimmten Wägeeinrichtungen notwendig) ist nicht möglich!
  2. Eine Normierung des Ausgangssignales z.B.auf eine Empfindlichkeit von 1 oder 2 mV/V ist nach wie vor möglich. Dazu wird im Normalfall vom Hersteller direkt ein ausgemessener Widerstand mit einem niedrigen Temperaturkennwert in Serie zur Brückenspeisespannung des Aufnehmers in den Sensor selbst oder in die Zuleitung eingebaut. Für Hochtemperatur-Aufnehmer muß der Normierungswiderstand in einer Umgebungstemperatur <120°C montiert werden (z.B. bei der Position des Meßverstärkers).
  3. Das Ausgangssignal des Aufnehmers muß mit einem hochohmigen Verstärker/Meßgerät mit einem Innenwiderstand von >1 MOhm weiterverarbeitet werden.
  4. Innerhalb des kompensierten Temperaturbereiches kann sich das Vorzeichen des Temperaturkoeffizienten ändern.
  5. Bei Hochtemperatur-Aufnehmern, bei denen wegen der geforderten Genauigkeit auch eine Kompensation des E-Moduls vorgenommen wurde, muß ein externer Abschlußwiderstand (gehört zum Lieferumfang für diese Hochtemperatur-Aufnehmer) am Kabelende parallel zum Signalausgang (oder zum Verstärkereingang) gelegt werden. Die Umgebungstemperatur muß an der Anschlußstelle <130°C sein.
  6. Über Einflüsse auf die Lebensdauer der Aufnehmer oder die Lastwchselzahlen liegen derzeit wegen mangelnder praktischer Erfahrung noch keine gesicherten Erkenntnisse vor. NOVATECH behält sich das Recht vor, u.U. entsprechende Garantieansprüche, die aus Fehlern bedingt durch hohe Betriebstemperaturen entstehen, zurückzuweisen.
  7. Wird der Bereich der Temperaturschwankung, der der Aufnehmer ausgesetzt wird, eingeschränkt, so kann die Genauigkeit der Temperaturkompensation des Kennwertes (Modul-Kompensation) noch verbessert werden!
  8. Kraftaufnehmer für hohe Temperaturen sind besonders geeignet für dynamische und quasistatische Krfaftmessungen. Bei rein statischen Kraftmeßaufgaben wie z.B. Verwiegungen kann es zu Kriecheffekten kommen, durch die u. U. die aufwendige, kostenintensive Temperaturkompensation deutlich verschlechtert wird.
  9. Für das hier beschriebene Verfahren eignen sich praktisch alle Aufnehmer des NOVATECH - Fertigungsprogrammes. Eine entsprechende Tabelle steht zur Verfügung! Aufnehmer, die in Hochtemperaturapplikationen eingesetzt werden sollen, müssen aus Stahl gefertigt werden. Die Angaben zu den Ein- und Ausgangswiderständen für die div. Aufnehmermodelle sind in den entsprechenden Datenblättern für Hochtemperaturversionen nicht gültig.