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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen flächigen Sensor gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Aus
der
EP 349 783 B1 ist
bekannt, daß Temperaturen
an Werkzeugmaschinen ermittelt werden, um deren temperaturabhängige Ausdehnung
zu ermitteln und zu kompensieren. Für die temperaturabhängige Ausdehnung
ist dabei jeweils der gesamte Temperaturverlauf über dem sich ausdehnenden Maschinenteil
zu erfassen. Dies wird dadurch ermöglicht, daß ein Widerstand benutzt wird,
der sich in der Ausdehnungsrichtung des Maschinenteils erstreckt
und der einen intensiven thermischen Kontakt zum Maschinenteil aufweist.
Der verwendete Widerstand weist dabei ein zur mittleren Temperatur
und damit zur Gesamtausdehnung proportionales Ausgangssignal auf.
Zur Kontaktierung sind an den beiden Enden des Widerstands entsprechende Kontaktelemente
vorgesehen.
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Dabei
ist von Nachteil, daß für jede benötigte Länge ein
individueller Widerstand bereitgestellt werden muß. Weiterhin
können
Störeffekte,
die den Wi derstand beeinflussen und das Meßergebnis verfälschen,
wie z.B. Alterung, nicht kompensiert werden.
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Die
CH 673893 A5 zeigt
einen Dehnungsmeßstreifen,
der aus mehreren Spuren mit mehreren in Reihe geschalteten Strukturelementen
besteht. Ein solcher Dehnungsmessstreifen muß in der gewünschten
Länge gefertigt
werden und kann nicht in einfacher Weise nachträglich gekürzt werden.
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Die
EP 0 620 424 A1 beschreibt
ein Widerstandsthermometer, bei dem mechanische Einflüsse auf
den Meßwiderstand
kompensiert werden können.
Der eingesetzte Sensor weist zwei parallel gewickelte Drähte aus
unterschiedlichen Materialien auf. Ein nachträgliches Kürzen des Sensors auf eine gewünschte Länge ist ebenso
nicht ohne Weiteres möglich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor anzugeben,
der die genannten Nachteile vermeidet, der universell einsetzbar
und kostengünstig
zu produzieren ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Sensor
ist bei einer Längenänderung
kein neuer Abgleich in der Auswerteelektronik erforderlich. Die
Ausgangssignale des Sensors sind längenunabhängig.
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Der
Sensor weist den Vorteil auf, daß aufgrund der Parallelschaltung
der Strukturelemente die Widerstandselemente mit temperaturabhängiger Leitfähigkeit
gleichmäßig über die
gesamte Länge
des Sensors verteilt sind, wodurch die Möglichkeit besteht, den Sensor
besonders einfach in der benötigten
Länge abzuschneiden.
Weiterhin wird dadurch vorteilhaft die Temperatur über der
gesamten Sensorlänge
gemessen.
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Weitere
Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Sensors ergeben aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigt:
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1 einen
flächigen
Sensor mit zwei Spuren in Reihe geschalteter Strukturelemente und
Auswerteelektronik,
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2 einen
Längsschnitt
durch einen flächigen
Sensor mit Auswerteelektronik,
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3 eine
Realisierungsmöglichkeit
des flächigen
Sensor gemäß der Erfindung
mit vier Spuren parallel geschalteter Strukturelemente mit Auswerteelektronik
und
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4 eine
weitere Realisierungsmöglichkeit
des flächigen
Sensors gemäß der Erfindung
mit vier Spuren parallel geschalteter Strukturelemente.
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Im
folgenden Ausführungsbeispiel
wird von einer Anwendung des Sensors als Temperatursensor ausgegangen.
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1 zeigt – lediglich
als Vergleichsbeispiel – einen
flächigen
Temperatursensor S zum Aufkleben auf die Oberfläche eines Maschinenteils, dessen
thermische Dehnung bestimmt werden soll. Der Sensor S besteht aus
einer ersten Spur SP5, die sich aus in Reihe geschalteten Strukturelementen
ST3 mit einer temperaturabhängigen
elektrischen Leitfähigkeit
zusammensetzt. Die einzelnen Strukturelemente ST3 werden über Verbindungselemente
in Form von Lötpads
VE, die jeweils zwischen zwei Strukturelementen ST3 angeordnet sind,
verbunden. Die zweite Spur SP6 ist identisch zur ersten ausgebildet
und zur ersten Spur SP5 benachbart angeordnet.
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Weiterhin
sind auf der Seite mit der Zuleitung elektronische Baugruppen angedeutet,
die eine Verstärkung
V und/oder eine Auswertung AW des Ausgangssignals des Sensors S
durchführen.
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Die
Länge des
Sensors S übersteigt
meist die vom Anwender benötigte
Länge.
In diesem Fall kann der Anwender die nicht benötigte Länge des Sensors S einfach entlang
einer Schnittlinie SL abtrennen. Dies erfolgt im wesentlichen senkrecht
zu den Spuren SP5 und SP6. Auf diese besonders anwenderfreundliche
und einfache Art kann die Länge
des Sensors S vom Benutzer eingestellt werden. Dabei ist darauf
zu achten, daß nur
auf der Länge
des Sensors S mit Strukturelementen ST3 eine Temperaturmessung erfolgt,
auf der Länge des
Sensors S mit den elektronischen Baugruppen V und AW erfolgt keine
Temperaturmessung.
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Anschließend sind
die beiden nunmehr am Ende des Sensors S gelegenen Verbindungselemente
VE durch einen Lötpunkt
LP oder eine andere elektrisch leitende Verbindung zu überbrücken, wie
in 1 dargestellt.
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Die
Befestigung des Sensors S erfolgt mittels der in 2 dargestellten
wärmeleitenden
Klebeschicht KS auf der Rückseite
des Sensors S an dem Maschinenteil. Als Klebeschicht KS kann vorteilhaft
Preciment verwendet werden.
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Anschließend besteht
die Möglichkeit
eine Schutzschicht auf den Sensor S aufzubringen, beispielsweise
indem man eine Folie entsprechender Dicke und Festigkeit über den
Sensor S klebt. Dadurch wird ein Schutz, beispielsweise gegen mechanische
oder chemische Beschädigung,
erreicht.
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3 zeigt
eine alternative Realisierung des flächigen Sensors S gemäß der Erfindung.
Es sind vier puren SP1 bis SP4 vorgesehen, wobei die erste und vierte
Spur SP1 und SP4 und die zweite und dritte Spur SP2 und SP3 jeweils
aus einer Parallelschaltung von Strukturelementen ST1 und ST2 über der
gesamten Sensorlänge
bestehen. Zumindest die Strukturelemente ST1 und ST2 sollen dabei
aus Material bestehen, welches eine unterschiedliche Abhängigkeit
der elektrischen Leitfähigkeit
von der Temperatur aufweist. Die Ausgangssignale aller Spuren SP1,
SP2, SP3 und SP4 werden zunächst
einer Auswerteschaltung AW zugeleitet, in der die Ausgangssignale
in einer Brücke,
insbesondere einer Wheatstone-Brücke,
verschaltet werden und anschließend
werden die Ausgangssignale der Brückenschaltung einem Verstärker V zugeleitet.
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Die
dabei benötigten
elektronischen Baugruppen für
Verstärker
V und Auswertung AW können
auf dem Sensor S integriert ausgeführt sein, wie in 3 dargestellt.
Dadurch kann eine geringere Empfindlichkeit gegen elektromagnetische
Störungen
und dem unvermeidlichen Rauschen erreicht werden.
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Im
Gegensatz zu einer punktuellen Temperaturmessung, beispielsweise
mit einzelnen temperaturabhängigen
Widerständen,
liefert der flächige
Sensor den genauen Mittelwert der Temperatur im vom Sensor überdeckten
Bereich. Da bei konstantem Ausdehnungskoeffizienten die Gesamtdehnung
der mittleren Temperatur proportional ist, sind zeitlich zurückliegende
Temperaturmessungen, wie sie bei anderen Verfahren benötigt werden,
mit dem erfindungsgemäßen Sensor
S nicht erforderlich.
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Der
temperaturabhängige
ohmsche Widerstand eines metallischen Leiters, wie er für die Strukturelemente
ST1, ST2 und ST3 verwendet wird, berechnet sich aus dem spezifischem
Widerstand ρ des
Materials, der Länge
L, der Querschnittsfläche
A, dem Temperaturkoeffizienten α und
der Temperaturdifferenz ΔT. R = ρ·LA ·(1 + α·ΔT)
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Nimmt
man an, daß die
breiten horizontalen Leiterbahnen einer beliebigen Spur SP1, SP2,
SP3, SP4 aus der 1 bzw. die Verbindungselemente
VE der Spuren SP5 oder SP6 aus der 3 keinen
Einfluß auf den
Gesamtwiderstand eines Strukturelements ST1, ST2, oder ST3 haben,
so kann der Widerstand einer Spur SP1, SP2, SP3, SP4, SP5 oder SP6
aus der Parallelschaltung der einzelnen Strukturelements ST1, ST2,
oder der Reihenschaltung der Strukturelemente ST3 berechnet werden.
Im folgenden soll näher
auf die interessantere Parallelschaltung der als temperaturabhängige Widerstände dienenden
Strukturelemente ST1 und ST2 aus 3 eingegangen
werden. Mit der Anzahl n der Strukturelemente ST1, ST2 berechnet
sich der Widerstand einer der Spuren SP1, SP2, SP3, SP4 zu: R = ρ·Ln·A ·(1 + α·ΔT)
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Die
mittlere Temperatur kann mit dem flächigen Sensor aus 3 besonders
vorteilhaft gemessen werden, wenn die vier Spuren SP1, SP2, SP3
und SP4 in einer Wheatstonschen Brücke verschaltet werden. Dadurch
wird erreicht, daß Störungen mittels
der Brückenschaltung
kompensiert werden.
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Bezeichnet
man die Widerstände
der Spuren SP1 bis SP4 mit R1 bis R4, gilt für die Brückenschaltung:
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Bei
der Wheatstone-Brücke
bilden R1 und R2 einen ersten Spannungsteiler und R3 und R4 einen zweiten,
parallelgeschalteten Spannungsteiler. Die Ausgangsspannung Ua wird als Spannungsdifferenz zwischen den
Verbin dungspunkten von R1, R2 und R3, R4 gemessen. Die Versorgungsspannung
Ue wird an R1 und R3 angelegt, R2 und R4
liegen an Masse.
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Verwendet
man für
die Strukturelemente ST1 und ST2 unterschiedliche Materialien mit
unterschiedlichen Kenngrößen und
ordnet man den Kenngrößen der
Strukturelemente ST1 den Index a und den Kenngrößen der Strukturelemente ST2
den Index b zu, so ergibt sich die Ausgangsspannung U
a der
Brückenschaltung abhängig von
der Eingangsspannung U
e zu:
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Unter
den vereinfachenden Annahmen, daß
- – der Temperaturkoeffizient αb gegenüber αa vernachlässigbar
klein ist,
- – alle
Strukturelemente ST1 und ST2 bei Raumtemperatur den gleichen Widerstand
haben und
- – die
temperaturabhängige Änderung
des Widerstands gering gegenüber
dem Gesamtwiderstand ist,
gilt: 
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Daß der Temperaturkoeffizient
ab des Materials für
erste Strukturelemente ST1 vernachlässigbar klein ist gegenüber dem
Temperaturkoeffizienten αa, wird durch eine geeignete Wahl der Materialien,
aus denen die Strukturelemente ST1 und ST2 bestehen, erreicht. Hier
ist besonders die Kombination Konstantan mit Temperaturkoeffizient
ab für
die Strukturelemente ST1 und Kupfer mit Temperaturkoeffizient αa für die Strukturelemente
ST2 geeignet. Daß alle
Strukturelemente ST1 und ST2 bei Raumtemperatur den gleichen Widerstand haben
wird durch die Wahl der Länge
La, Lb und Querschnitt Aa, Ab erreicht. Daß die Änderung des temperaturabhängigen Teils
des Widerstands gering gegenüber
dem Gesamtwiderstand ist, ist aufgrund der gegenüber 1 kleinen Temperaturkoeffizient αa und αb ohnehin
der Fall.
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Die
Brückenspannung
ist gemäß obiger
Gleichung somit unabhängig
von der Anzahl n der nach dem Abschneiden übrigen Strukturelemente ST1
und ST2. Ein individuelles Kalibrieren des Verstärkers V abhängig von der Länge des
Sensors S beim Anwender ist dadurch nicht erforderlich.
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Bei
Verwendung des Sensor S gemäß der Erfindung
als Dehnungssensor dürfen
die sogenannten Vorzugsrichtungen der Strukturelemente ST1, ST2,
ST3 der Spuren SP1, SP2, SP3 und SP4 des Sensors aus 3 oder
SP5 und SP6 des Sensors aus 1 nicht
senkrecht zur Dehnungsrichtung ausgerichtet sein. Eine optimale
Empfindlichkeit des Sensors S gegenüber Dehnung erreicht man, wenn
die Spuren SP1 bis SP4 bzw. SP5 und SP6 parallel zur Dehnungsrichtung
verlaufen. Dies ist durch die spezielle Leitungsführung in
den Strukturelementen ST1, ST2 und ST3 gemäß 1 und 3 begründet.
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In
der vorangegangenen Beschreibung wurde davon ausgegangen daß die elektronischen
Baugruppen zumindest zur Verstärkung
der Sensorausgangssignale auf dem Sensor S integriert angeordnet
sind. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, daß die elektronischen
Baugruppen und der eigentliche Sensor S, bestehend nur aus den Spuren
SP1 bis SP4 bzw. SP5 und SP6, als getrennte Baugruppen gemäß 4 ausgestaltet
sind. Dann besteht die vorteilhafte Möglichkeit den Sensor S in großen Mengen
am Stück herzustellen und
erst für
die spezielle Anwendung, beispielsweise von einer Rolle, abzutrennen.
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Dies
hat den Vorteil, daß kein
Abfall entstehen würde
und die Herstellung des Sensors S wesentlich einfacher und kostengünstiger
wäre.
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Die
elektronischen Baugruppen, insbesondere der Verstärker V,
können
dann entweder über
Kabel mit dem Sensor S verbunden werden oder diese werden unmittelbar
an einem Ende der Spuren SP1 bis SP4 bzw. SP5 und SP6 mit dem Sensor
S leitend verbunden. Hierfür
können
die in 1 dargestellten Verbindungselemente VE benutzt
werden oder es werden, wie in 4 dargestellt,
für den
Sensor S aus 3 die breiten Leiterbahnen,
durch die die Strukturelemente ST1 und ST2 parallelgeschaltet werden,
für eine
Verbindung benutzt. Falls die Breite der Leiterbahnen nicht ausreichen
sollte für
eine Kontaktierung, können,
wie in 4 dargestellt, in regelmäßigen Abständen zusätzliche Lötpunkte LP vorgesehen werden,
an denen der Sensor S mit der Auswerteelektronik (V, AW) verbunden
wird.
