Aufbau einer Wägezelle

Aufbau einer Wägezelle
FEM Simulation
kleben von DMS, Leiterplattenentwurf
und Dimensionierung
Inhaltsverzeichnis
• Allgemeines
• CAD Zeichnung der Wägezelle
• FEM Simulation und Datenauswertung
• DMS Positionieren und Aufkleben
• Verdrahten der DMS und Ni Widerstände
• Dimensionierung der Leiterplatte
• Fertigstellen des Kraftsensors
• Fazit
• Anhang
• Schaltplan und Layout für Leiterplatte
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Allgemeines
Im Rahmen der Vorlesung Aufbau einer Wägezelle sollte eine schon vorhandene
Wägezelle dimensioniert werden, so dass man mit ihr Kräfte bis 100kg messen kann.
Aus Material bedingten Gründen war es aber nur möglich einen Kraftsensor mit einer
Nennlast bis 50kg zu bauen, das auch nur durch aushärten des Rohlings erreicht
wurde.
Im Folgenden sollen die Arbeitsschritte beschreiben werden, die zum Bau des
Kraftsensors benötigt werden, sowie wichtige Hinweise auf die man achten sollte um
am Ende einen funktionstüchtigen Kraftsensor zu erhalten.
•
Anfertigung einer CAD Zeichnung
•
FEM Analyse mit Auswertung der Daten
•
Aufkleben der DMS und Ni Widerstande
•
Verdrahtung und Bestückung der Leiterplatte
•
Fertigstellung des Kraftsensor
•
Fazit
•
Entwicklung einer neuen Leiterplatte
Die Entwicklung bzw. das erstellen einer Leiterplatte ist nur am Rande erwähnt, da
dies nicht Bestandteil der Vorlesung war. Diese Arbeit war freiwillig und wurde von
mir übernommen, da es keine Leiterplatten aus dem Vorjahr gab. Den Schaltplan
sowie das Layout und eine CAD Zeichnung für den Fräsplan der Leiterplatte
befinden sich aber auf der beigelegten CD und können als Vorlage zum Bau weiterer
Leiterplatten benutzt werden.
Außerdem befinden sich alle Zeichnungen und Simulationen die in den Abschnitten
besprochen werden im Anhang. Auf der CD befinden sind alle Daten, Simulationen
und Messergebnisse auch die, die nicht zur Erstellung der Dokumentation benötigt
wurden.
Da der Umgang mit DMS und den benötigten Kenntnissen weit über dem liegen was
in der Vorlesung gebraucht wird, ist auch ein DMS Handbuch (als EXE Datei) und
eine kleine Übersicht von DMS, Ni Widerständen und deren Zubehör (als PDF
Dokument) der CD beigelegt.
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Anfertigen einer CAD Zeichnung
Die Funktionsweise eines Kraftsensors ist eigentlich nicht schwer. Im einfachsten fall
hat man einen Biegebalken auf dem ein Dehnungsmessstreifen DMS aufgeklebt
wird. Wird dieser nun wie im Bild zu sehen
ist belastet, dehnt sich die obere Seite aus
und die untere Seite wird gestaucht. Diese
Längenänderung erfährt auch der DMS, der
dadurch seinen Widerstandswert ändert.
In unserem Fall haben wir eine Membran,
die ähnlich wie ein Biegebalken ist der auf
beiden Seiten eine feste Einspannung hat.
Dadurch ergibt sich ein Biegeprofil, das auf
der oberen und der unteren Seite Bereiche
hat in denen das Material gestaucht und
gedehnt wird.
Um genau diese Bereiche zu bestimmen musste daher erst eine maßgetreue
Zeichnung der Wägezelle gezeichnet werden. Wichtig dabei war, dass die
Abmessungen der Membran d.h. Dicke und Breite der Membran sehr genau
bestimmt wurden um später die exakte Position der DMS zu bestimmen.
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FEM Analyse mit Auswertung der Daten
Mit der FEM Analyse ist man in der Lage die Spannungen in einem mit Spannungen
beaufschlagtem Bauteilen, die 2D oder 3D sein können, sichtbar zu machen. Ebenso
kann man die Spannungsrichtungen und eventuelle Verformungen berechnen. Diese
Berechnungen sind allerdings sehr aufwendig und können sehr schnell mehre
Stunden bis Tage dauern. Da bei unserer Wägezelle nur der Bereich der Membran
interessant ist, ist es daher sehr sinnvoll auch nur diesen Bereich zu berechnen.
Deshalb wurde das Netz in der Membran sehr fein gewählt (Faktor 1:20) und der
Rest sehr grob.
Aus den bekannten Daten des Materials
•
•
•
E Modul
Rp0,2
Nennlast
202000 N/mm²
1150 N/mm²
500N
ausgehärtet
wurden dann alle drei möglichen Simulationen durchgeführt.
Spannungsanalyse:
Die Spannungsanalyse ist wichtig um die mittlere Dehnung der aufgeklebten DMS zu
bestimmen sowie deren beste Position auf der Membran. Das folgende Bild zeigt die
verschiedenen Spannungsbereiche der Membran, die bei einer Belastung von 50kg
entstehen. Das Programm zeigt neben der grafischen Darstellung der Spannungen
auch die entsprechenden Spannungswerte der Farben an.
Diese Spannungswerte können mit dem vorgegebenen E-Modul in die
entsprechende Dehnung umgerechnet werden. Trägt man diese dann über dem
Radius auf kann man die beste Position der DMS auf der Membran bestimmen und
deren mittlere Dehnung.
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Zeichnet man die geometrische Lage der DMS in das Diagram, erkennt man das
Membran und DMS nicht optimal aufeinander abgestimmt sind. Optimal wäre, wenn
beide Maxima genau in der Mitte der DMS liegen würden.
Dehnungsdiagramm 500N Belastung mit
E-Modul 202KN/mm²
0,25%
0,20%
0,15%
Dehnung in [%]
0,10%
M i t t e l we r t 0 , 1 2 %
0,05%
1 4,1 3; 0
0,00%
-0,05%
0
5
10
15
20
-0,10%
-0,15%
Bereich
M i t t e l we r t 0 , 1 3 %
-0,20%
-0,25%
Radius r in [m m ]
Es ergeben sich aus dem Diagramm folgende Werte für die mittlere maximale
Dehnung
•
0,12% für den Bereich der Dehnung
•
0,13% für den Bereich der Stauchung
und für die Position der DMS ergibt sich ein Radius von
•
14,13mm (ist Wendepunkt der Dehnung)
Dieser Radius gibt gerade den Wendepunkt der Dehnung an und ist bei den von uns
verwendeten DMS gerade der Mittelpunkt des Abstandes der beiden DMS
Messgitter.
-6-
25
Empfindlichkeit des Kraftsensors
Nachdem nun die wichtigsten Daten bestimmt wurden, ist die maximale
Empfindlichkeit des Kraftsensors zu bestimmen (Abzuschätzen). Diese kann aus der
mittleren Dehnung und dem so genannten k Faktor, der in unserem Beispiel gleich 2
ist, berechnet werden.
Um eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erreichen, ist es sinnvoll die DMS als
eine Wheatstone´sche Vollbrücke zu verschalten. Weitere Möglichkeiten zum
verschalten der DMS und Berechnung der Empfindlichkeit befinden sich auf der CD
im DMS Handbuch.
Diese Art der Verschaltung bietet neben
der höchsten Empfindlichkeit auch eine
bestmögliche
Kompensation
von
Temperatureinflüssen sowie sonstigen
Störgrößen.
Die Berechnung der Empfindlichkeit bei
der Verwendung der Vollbrücke ist wie
folgt.
∆U
U
sig
Bat
=
∆R
= k ∗ε
R
Somit ergibt sich die maximale Empfindlichkeit des Kraftsensors zu
∆U
U
sig
= k ∗ ε = 2 ∗ 0 ,13 % = 2 , 6 mV / V
Bat
Geforderte Empfindlichkeit 2mV/V
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Eine weitere FEM Analyse ist die Berechnung der maximalen Durchbiegung. Diese
ist zwar nicht dringend erforderlich aber dient zur Überprüfung ob die Membran die
geforderte Nennlast überhaupt aushält und ob man sich noch im Hock´schen Bereich
befindet.
Aus dieser Simulation ging u.a. auch hervor, das die Membran und damit der Sensor
nicht für eine Kraft von 1000N geeignet war wie anfangs gefordert. Man musste den
Sensor daher aushärten um ihn überhaupt mit 500N belasten zu können. Daher
sollte man diese Simulation immer durchführen um festzustellen ob das Material den
Anforderungen überhaupt gerecht wird.
Die dritte Art der Simulation ist weniger von Bedeutung, da sie nur die Richtung der
Spannungen anzeigt. An ihr kann man ablesen wo Material gedehnt oder gestaucht
wird.
Dehnung des Materials
Stauchung des Materials
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Aufkleben der DMS und Ni Widerstände
Als nächster Schritt beim Bau des Sensors kommt das Aufkleben der DMS und der
Ni Widerstände. Da dieser Schritt maßgeblich für die Funktion und Genauigkeit ist
sollte hier sehr exakt und sauber gearbeitet werden. Da das Prinzip des Verklebens
von DMS und Ni Widerständen sich nicht unterscheiden ist hier nur das der DMS
erklärt.
Folgende Bild zeigt den prinzipiellen Ablauf beim Aufkleben einer DMS.
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Klebeflächenvorbereitung
Wichtiger Hinweis: Bevor man mit dem Bearbeiten der Klebefläche beginnt sollte
man unbedingt darauf achtet, dass diese bei der maschinellen Bearbeitung nicht mit
silikonhaltigen Schneidölen in Verbindung gekommen ist, da Silikone i.a. nicht
verklebt werden können und dadurch das aufkleben der DMS verhindern. Ist dies der
Fall muss eine vollständige Entfernung der Silikonrückstände mit geeigneten
Lösemitteln erfolgen, bevor mit den im Folgenden beschriebenen Arbeitsschritten
begonnen wird. Da auch kleinste Verunreinigungen mit Silikonen eine Klebung
unbrauchbar machen können, ist es auch angeraten den Arbeitsraum von Silikonen
freizuhalten.
Tipp: Auch Kosmetika, wie z.B. Handcreme und dergleichen, enthalten oft Silikone,
und sollten daher beim Arbeiten mit Klebstoffen nicht verwendet werden.
1. Klebefläche mit Entfettungsmittel wie z.B. Isopropylalkohol (IPA) oder
Methylethylketon (MEK) vorreinigen. Klebefläche für alle weiteren
Arbeitsgänge nicht mehr mit der Hand berühren.
2. Klebeflächen mit Sandpapierkörnung 320 bis 400 schmirgeln oder mit
Aluminiumoxid Körnung 120 bis 400 sandstrahlen. (Bei Verwendung einer
Sandstrahlanlage soll diese mit ölfreier Druckluft betrieben und ausschließlich
zur Oberflächenvorbereitung benutzt werden, da sonst durch anderes
Strahlgut eine Verunreinigung mit klebefeindlichen Materialien, z.B. Silikon, zu
befürchten ist.)
3. Größere Mengen von Schleifstaub mit fusselfreien Einwegtüchern und IPA
oder durch Abbürsten mit IPA entfernen.
4. Die DMS-Position kann, wenn nötig, jetzt durch Anreißen mit einer Reißnadel
oder einem harten Bleistift markiert werden.
5. Die Weiterverarbeitung, wie unter Punkt 4 beschrieben, muss vor dem
Oxidationsbeginn der Klebefläche durchgeführt werden (innerhalb von 6
Stunden bei Edelstahl, 1 Stunde bei Stahl und Aluminium).
Aufkleben der DMS
DMS sind Kunststoffträger auf denen ein sehr dünnes und leicht zerstörbares
Widerstandmaterial aufgebracht ist. Daher ist im Umgang mit DMS darauf zu achten,
dass diese nur mit abgerundeten Pinzetten oder mit einem Vakuum Pen und niemals
mit der Hand angefasst werden. Außerdem sollte der DMS nur am Kunststoffträger
und niemals am Messgitter gefasst werden. DMS benötigen auch keine Reinigung
vor dem Kleben, es sei denn, sie wurden vorher verschmutzt oder mit der Hand
angefasst. Reinigen sollte man sie dann vor dem Kleben mit IPA oder MEK. Wurde
das Messgitter der DMS mit der Hand berührt sollte es sofort gereinigt werden.
DMS haben wie alle Bauteile gewisse Tolleranzen und tragen daher meist eine
Nummer, die die geometrischen Eigenschaften spezifiziert (je nach Hersteller). Diese
sollte bei allen gleich sein, genauso wie der Widerstandswert der DMS. Hat man
genügend viele ausgesucht kann man mit dem Kleben der DMS beginnen.
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Das Aufkleben von DMS erfordert größte Reinlichkeit und Sorgfalt und soll deshalb
auf einer staubfreien und sauberen Werkbank durchgeführt werden. Außerdem sollte
man sich vor dem Arbeiten mit der Gebrauchsanweisung des jeweiligen Klebers
vertraut machen und eventuell eine Probeklebung durchführen.
1. Klebefläche mit IPA oder MEK und Wattestäbchen reinigen bis die
Klebefläche völlig sauber ist (Wattestäbchen zeigt keine Verfärbung mehr).
Wenn möglich soll die Reinigung für eine wesentlich größere Fläche
angewendet werden, als der DMS benötigt.
2. DMS aus der Verpackung nehmen und mit der Klebeseite nach oben auf eine
saubere Glasplatte legen.
3. Klebefläche und Klebeseite des DMS mit einer dünnen Klebstoffschicht
überstreichen. Dann 5 bis 10 Minuten trocknen lassen. Gebrauchsanleitung
des Klebstoffs beachten. Anschlussflächen der DMS sollten dabei Kleberfrei
bleiben um das spätere Löten nicht zu erschweren.
4. DMS in richtiger Positionierung aufkleben und vorsichtig anpresse. Dabei
kann der DMS auch mit hochtemperaturfestem Klebeband fixiert werden.
Klebeband aber nicht über das Messgitter kleben. Eventuell können jedoch
die DMS Anschlussflächen abgeklebt werden um später das Löten zu
erleichtern.
5. Die Oberseite des DMS kann zum Schutz des Messgitters mit einer dünnen
Klebstoffschicht überstrichen werden.
6. DMS mit Teflonfolie bedecken und darauf ein Silikongummi legen. Der
Silikongummi darf nicht über die Teflonfolie hinausragen, außerdem soll er,
wenigstens an einer Seite, nicht weit über den DMS Träger hinausragen um
das entweichen von Lösungsmittel und überschüssigem Klebstoff unter dem
DMS zu erleichtern.
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Um eine gute Haftung der DMS auf der Membran zu erreichen muss während der
Aushärtung des Klebstoffs der DMS mit einem definierten Druck angepresst werden.
Im folgenden Bild ist der prinzipielle Aufbau einer Einspannvorrichtung dargestellt.
Beim anpressen sollte darauf geachtet werden das der DMS nicht verrutscht und der
für den Kleber spezifische Druck eingestellt wird.
Aushärten des Klebstoffs
1. Anpressvorrichtung mit eingespanntem Federkörper in den kalten Ofen stellen
und auf die gewünschte Temperatur aufheizen. Dabei soll die Ofentemperatur
zwischen 3°C und 10°C pro Minute ansteigen. Dieser Wert ist unkritisch und
braucht nicht kontrolliert zu werden.
2. Nach Erreichen und Halten der Temperatur für die geforderte Zeit soll der
Sensor auf <40°C abkühlen um die Anpressvorrichtung inkl. dem
Silikongummi und der Teflonfolie zu entfernen. Dabei sollte man äußerst
vorsichtig sein um den DMS nicht zu beschädigen.
3. Sensor im Ofen mit der geforderten Temperatur und Zeit nachhärten
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Kontrolle der Klebung
1. Den angeklebten DMS mit Hilfe einer Lupe oder eines Mikroskops auf
Beschädigungen untersuchen
Nach folgenden Unregelmäßigkeiten muss geschaut werden:
o
Blasen, meist große unregelmäßige Bereiche, die nicht angeklebt sind,
erkennbar durch leichte Farbunterschiede zum Hintergrund.
o
Bläschen, immer rund, klein und meist in großer Zahl, verursacht von
eingeschlossenem Lösungsmittel.
o
o
Ungleichmäßige Klebstoffdicke
Beschädigungen der Messgitter
2. Falls die Blasen oder Bläschen unter dem Messgitter sind, muss das Element
neu beklebt werden. Wenn die Blasen außerhalb des Messgitters sind, kann
das Element noch verwendet werden.
Verdrahten der DMS und Ni Widerständer
Löten von DMS allgemein
Lötarbeiten können wenn nötig unter einer Lupe mit 2 bis 10 fache Vergrößerung
durchgeführt werden. Temperaturgeregelten Lötkolben verwenden. Die Lötspitze
muss gut mit Lot benetzt sein. Falls auf den Anschlussflächen Klebstoff gelangt ist,
muss dieser zunächst mit einem Radierstift entfernt werden, welcher sich auch gut
eignet um dünne Oxidschichten zu entfernen.
Anschlusspunkt wie folgt verzinnen
•
Lötspitze reinigen und mit etwas Lot benetzen.
•
Wenn separates Flussmittel verwendet wird, jetzt auf den DMS Anschluss
auftragen und verzinnen.
•
Versichern, dass der entstandene Lötpunkt glatt und glänzend aussieht und
gute Verbindung zum Anschlusspunkt hat.
Anschlusskabel wie folgt anlöten:
•
Anschlussdraht ablängen, abisolieren und mit gleichem Lot verzinnen.
•
Den Anschlussdraht in der vorgesehenen Richtung auf den Lötpunkt halten,
falls notwendig kann noch Flussmittel aufgebracht werden, zusätzliches Lot
sollte nicht nötig sein.
•
Lötkolben ca. 1 Sekunde lang andrücken und das Lot verflüssigen. Draht ruhig
halten bis das Lot fest ist.
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Kontrolle der Lötverbindung
•
Der Lötpunkt soll homogen, glatt und glänzend sein.
•
Der Anschlussdraht soll flach auf dem Anschlusspunkt aufliegen.
Flussmittel entfernen
•
Flussmittelrückstände
sind
auf
jeden
Fall
zu
entfernen.
Die
Gebrauchsanleitung des Flussmittels beachten. Kolophoniumhaltige
Flussmittel werden durch Abbürsten des Teils mit einem mittelgroßen in IPA
getränkten Pinsel entfernt.
Isolationswiderstand prüfen
Zum Abschluss wird noch der Isolationswiderstand der DMS gegen den Sensor
gemessen. Er sollte >1000 MΩ sein. Dieser Wert ist leicht erreichbar und wird
normalerweise
um
Größenordnungen
überschritten.
Bei
zu
kleinem
Isolationswiderstand muss, je nach Ursache, entweder neu verdrahtet oder ein neuer
DMS aufgebracht werden.
Verdrahten der DMS und Ni Widerstände
Das Verdrahten der DMS und der Ni Widerstande erfolgt nach folgendem
Anschlussplan.
Dabei sind die Bezeichnungen
•
Rc
•
So
•
TKo
die
Anschlüsse
zur
Leiterplatte.
Nach
erfolgreichem Verdrahten kann nun der erste
Test auf der Belastungsmaschine durchgeführt
werden um die Klebung sowie die elektrischen
Anschlüsse zu testen.
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Dimensionierung der Leiterplatte
Die Dimensionierung der Leiterplatte dient im Allgemeinen zum Abgleich des
Sensors. Dabei werden Bauteiltoleranzen und andere Störgrößen kompensiert wie
z.B. die Temperaturabhängigkeit. Der Abgleich erfolgt in mehreren Schritten die
genau in dieser Reihenfolge abgearbeitet werden sollten.
•
Nullpunkt abgleichen
•
Einstellen der Ni Widerstände
•
Empfindlichkeit
•
Temperaturabhängigkeit des Nullpunktes kompensieren
•
Definierte Widerstandswerte von Rmess und Rein einstellen
Als Abgleichschaltung dient folgende Schaltung, die rein aus Passiven
Bauelementen besteht. Alle Widerstände im Schaltplan sind als Dummi anzusehen
und müssen gegen die beim Abgleich ermittelten Werte ersetzt werden.
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Bevor man mit dem Abgleich beginnen kann müssen die Verbindungen von DMS
und Ni Widerständen auf die Leiterplatte gelötet werden. Anschließend wird die
Leiterplatte in den Sensor geklebt. Dabei ist die Leiterplatte so einzukleben das kein
Druckausgleich mehr stattfinden kann. Das ist sehr wichtig, da der Sensor am
Schluss vergossen wird. Dadurch stellt sich zwar eine gewisse Wetterabhängigkeit
ein, schütz aber die elektrischen Teile vor Korrosion und Feuchtigkeit.
Die LP sollte auch so eingeklebt werden,
dass die Kabeleinführung ein späteres Löten
nicht behindert. Auch sollte beim einkleben
darauf
geachtet
werden,
das
die
Anschlussdrähte zur Membran in richtiger
Position liegen und nicht beim Kleben
beschädigt oder an den Anschlussflächen
der DMS und Ni Widerständen brechen.
Nachdem der Kleber ausgehärtet ist sollte
man auf jeden fall den Isolationswiderstand
überprüfen. Ist die Leiterplatte korrekt
eingeklebt und der Isolationswiderstand in
Ordnung kann man mit dem Abgleichen
beginnen.
Nullpunktsabgleich
Bevor mit dem Abgleichen der Schaltung begonnen werden kann, müssen einige
Null Ohm Widerstände eingebaut werden. Diese kommen an die Positionen Rc und
Ra. An die Stelle von TKo und So werden 5Ω eingelötet (jeweils immer nur 1er!).
Sind diese eingelötet kann der Abgleich des Nullpunktes über die Widerstände So
erfolgen.
•
Anschließen des Sensors an die Belastungsmaschine und Nullpunkt
überprüfen. Auf richtige Polung achten!
•
Einen der Widerstände So kurzschließen. Damit kann festgestellt werden
welcher der beiden Widerstände geändert werden muss.
•
Anbringen einer Widerstandsdekade an den entsprechenden Widerstand und
einen entsprechenden Parallelwiderstand einstellen, so dass der Nullpunkt in
der geforderten Toleranz liegt.
•
Sensor von der Belastungsmaschine entfernen und Widerstandsdekade durch
den passenden Widerstand ersetzen. Dabei sollte der Widerstand der
Messleitung berücksichtigt werden.
•
Erneut den Nullpunkt an der Belastungsmaschine messen.
Abgleichbedingung:
0mV/V ± 2% bezogen auf 2mV/V
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Abgleich der Ni Widerstände
Der Abgleich der Ni Widerstände erfolgt über die Widerstände TKc und dient zur
Kompensation der temperaturabhängigen Materialeigenschaft des Sensors. Dieser
ist festgelegt und soll bei dem von uns verwendeten Material 40Ω betragen.
Eine Kontrolle oder Einstellen des exakten Wertes ist nicht möglich, da man dazu
einen Temperaturschrank mit eingebauter Belastungsmaschine benötigt.
Abgleichbedingung:
< ± 2%/10K bezogen auf 2mV/V
Abgleich der Empfindlichkeit
Der Abgleich der Empfindlichkeit wird über die Widerstände Rc eingestellt. Dieser
sollte so eingestellt werden, dass man ein Ausgangssignal von 2mV/V bei Nennlast
erhält.
•
Anbringen der Widerstandsdekade an einen der beiden Widerstände. Vorher
aber den Null Ohm Widerstand entfernen!
•
Anschließen des Sensors an die Belastungsmaschine und den Sensor mit der
Nennlast belasten. Auf richtige Polung achten!
•
Einen entsprechenden Widerstand einstellen, so dass die Empfindlichkeit
2mV/V ereicht.
•
Sensor von der Belastungsmaschine entfernen und Widerstandsdekade durch
den passenden Widerstand ersetzen. Dabei aber nur den halben Wert
einsetzten, da sich zwei Rc Widerstände auf der Leiterplatte befinden. Auch
hier sollte der Widerstand der Messleitung berücksichtigt werden.
•
Erneut die Empfindlichkeit an der Belastungsmaschine messen.
Abgleichbedingung:
2mV/V ± 1,5%
Temperaturabhängigkeit des Nullpunktes kompensieren
Die Temperaturabhängigkeit des Nullpunktes wird über die Widerstände TKo
kompensiert. Dazu kommt der Sensor in einen Temperaturschrank in dem man das
gewünschte Temperaturintervall in dem der Sensor betrieben wird durchfährt.
Abgleichbedingung:
< ± 0,2%/10K bezogen auf 2mV/V
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Definierte Widerstandswerte von Rmess und Rein einstellen
Der Eingangswiderstand der Schaltung wird über den Widerstand Re eingestellt.
Dazu wird mit einem Multimeter der Widerstand von ge nach gr gemessen und mit
Re so abgeglichen das sich ein Wert von 650Ω einstellt.
Abgleichbedingung:
650Ω ± 6Ω
Der Ausgangswiderstand der Schaltung wird über den Widerstand Ra eingestellt.
Dazu wird mit einem Multimeter der Widerstand zwischen or und br gemessen und
mit Ra so abgeglichen das sich ein Wert von 610Ω ergibt. Dabei beachten, dass sich
2 Ra Widerstände auf der Leiterplatte befinden.
Abgleichbedingung:
610Ω ± 1Ω
Fertigstellung des Kraftsensors
Nachdem alle Parameter abgeglichen sind kann das Anschlusskabel in den Sensor
eingelötet werden. Dazu wird zuerst eine Messinghülse von Innen in das
vorgesehene Loch gesteckt. Sie dient als Zugentlastung. Durch sie wird ein
Abgeschirmtes, 6 Adrige Kabel eingeführt und an die vorgesehenen Lötflächen
gelötet.
Anschlusstabelle
Aderfarbe
rt rot
ge gelb
sw schwarz
gr grün
or orange
br braun
Anschlussfläche
rt
ge
sw
gr
or
br
Bedeutung
Versorgungsspannung 1…20V
Sense + (Fühlerleitung)
Masse
Sense + (Fühlerleitung)
Messsignal
Messsignal
Nachdem alle Adern angeschlossen sind wird nun nur noch die Abschirmung an die
Messinghülse gelötet. Dabei aber darauf achten, dass der Verschlussdeckel noch
auf den Sensor passt.
Wenn dieser vorletzte Schritt erledigt ist fehlt nur noch das vergießen und das
einkleben des Deckels. Vorher sollte man aber noch einmal alle Parameter
überprüfen und wenn nötig korrigieren. Erst wenn alles in Ordnung ist kann der
Sensor vergossen wenden. Nachdem die Vergussmasse trocken ist klebt man noch
den Deckel ein und der Sensor ist fertig.
Zum Abschluss kommt der Sensor ein letztes Mal auf die Belastungsmaschine um
eine endgültige aussage über die technischen Daten zu treffen.
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Fazit
Alles in einem war die Vorlesung sehr Informativ, besonders was Theorie und Praxis
angeht. Man lehrt sehr viel über die kleinen Tücken die einem das leben schwer
machen und wie man sie am besten umgeht. Der Zeitaufwand, der zum Bau des
Sensor gebraucht wird ist zwar ein wenig knapp im vergleich zu der Zeit die für die
Vorlesung vorgesehen ist, aber am Ende hat man, wenn alles gut geht, einen
funktionsfähigen Kraftsensor und ein wenig praktische Erfahrung mehr.
Als Verbesserungsvorschläge ist nur zu erwähnen, dass die Membran besser auf die
verwendeten DMS abgeschnitten sein sollte und das man den Sensor nicht komplett
vergießt sonder nur die Leiterplatte versiegelt. Leiterplatten sollten auch schon
vorhanden sein, da das Anfertigen einige Zeit in Anspruch nimmt, die der
eigentlichen Aufgabe dann fehlen.
Schlecht wäre es vielleicht auch nicht, wenn es Kopien über DMS und Zubehör gibt,
da es ja doch eine sehr große Vielfalt gibt, wie ich festgestellt hab. Auch der Aufbau
anderer Messbrücken um die Unterschiede sowie Vor- und Nachteile kennen zu
lernen währe nicht schlecht.
Falls das komplette Vergießen des Sensors notwendig ist, sollte dieses nicht im
Vakuum geschehen, da sonst, wie es sich bei unseren Sensoren gezeigt hat, der
Nullpunkt verschiebt.
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Auswertung des Abgleichs und der Messdaten
Abgleich
Parameter
Nennkennwert
Nullpunkt
Sollwert
2mv/V
0mV/V
Toleranz
±1,5%
±2%*
TK des Nullpunktes
0mV/V
<±0,2%/10K*
Ausgangswiderstand
Eingangswiderstand
610Ω
650Ω
±1Ω
±6Ω
*
**
Istwert
1,996mV/V
0,123mV/V
Abweichung
<0,5%
6,15%* **
Keine Änderung des Nullpunktes bei
der Messung mit einem Multimeter
Temperatur 20 … 80°C
610,5Ω
652,2Ω
+0,5Ω
+2,2Ω
Bezogen auf 2mV/V
Gemessen nach Vergießen und Aushärten der Vergussmasse im Vakuum
vorher <0,005mV/V ( 0,25% )
aus diesem Grund sollte die das Aushärten nicht im Vakuum gemacht werden
da wahrscheinlich Luft zwischen LP und Membran gezogen wird.
Messdaten (Endmessung)
Dabei wird der Nullpunkt auf seine Stabilität hin
überprüft. D.h. wie er sich über die Zeit gesehen
verändert.
Bei dieser Messung wird die Empfindlichkeit bei
Empfindlichkeit
Nennlast überprüft.
Hier wird der Linearitätsfehler gemessen sowie
Linearität
der Hysteresefehler.
Bein Kriechen wird die Messsignaländerung
Kriechen
unter Nennlast bei einer Messzeitzeit von 10min
bestimmt.
Stabilität
- 20 -
<0,05%
1,996mV/V
Flin <0,11%
FHys <0,05%
0,243%
Datenblatt
Parameter
Nennlast
Gebrauchslast
Bruchlast
Linearitätsfehler
Hysteresefehler
Kriechfehler
Isolationswiderstand
Nennbereich der
Speisespannung
Nenntemperaturbereich
Gebrauchstemperatur
Lagertemperatur
Vibrationsfestigkeit
Nennmessweg
Luftdruckeinfluss
Schutzart
Abk.
Ln
Lu
Ld
Flin
FHys
Fcreep
Riso
UNenn
TN
TG
TL
hn
Fpr
Beschreibung
Obere Grenze des Messbereichs
Obere Grenze für Messung
Gefahr durch mech. Zerstöhrung
Max. Kennlinienabweichung
Max Differenz zwischen Auf- und
Abwärtskurve
Max. Ausgangssignaländerung
nach 10 min. Nennlast
Zwischen Innenschaltung und
Gehäuse
Unter Einbehaltung der
technischen Daten
Unter Einbehaltung der
technischen Daten
Dauerbetrieb ohne Schaden
Transport und Lagerung
Max. dynamische
Dauerbelastung ohne Schaden
Elastische verformung bei
Nennlast
Luftdruckeinfluss auf den
Nullpunkt
Schutz gegen Umwelteinflüsse
nach DIN 40050
* Bezogen auf 2mV/V
- 21 -
Sollwert
50kg
150% von Ln
300% von Ln
<±0,25%*
<±0,25%*
<±0,25%*
>5GOhm
4 … 24V
-10 … +55°C
-30 … +85°C
-40 … -90°C
10g
<0,1mm
<40g/10hPa
IP67