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Widerstände als Sensoren

Dehnungsmessstreifen melden Risse in Flugzeug-Tragflächen

23. Februar 2015, 13:07 Uhr | Von Yuval Hernik und Robert Watson

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Einsatzfall: Nebenschlusskalibrierung

Bei der Nebenschlusskalibrierung wird ein hochpräziser Festwiderstand mit einem bestimmten Wert vorübergehend zu einem Brückenpfad parallel geschaltet, um eine bekannte und kontrollierte Widerstandsänderung in der Brückenschaltung zu erzeugen. Die resultierende Instrumentenanzeige wird dann mit der gemäß der Widerstandsveränderung berechneten Dehnung verglichen.

Die Nebenschlusskalibrierung einer Wheatstone-Brücken-DMS-Schaltung ist eine verbreitete und komfortable Methode zur regelmäßigen Überwachung von Verstärkung eines in Verbindung mit einem DMS-Messwandler verwendeten Signalgebers. Ein fester Präzisionswiderstand wird über einen Pfad der Wheatstone-Brücke mit einem Nebenwiderstand verbunden. Dies ergibt keine vollständige Kalibrierung, da kein mechanischer Druck angewendet wird. Stattdessen liefert die Nebenschlusskalibrierung eine Simulation des mechanischen Eingangs eines Messwandlers, indem sie die Brücke verstimmt und ein Szenario herstellt, das aufzeigt, wie die mit den elektrischen Eigenschaften der Dehnungsmessstreifen und der verbundenen elektrischen Komponenten einhergehenden Fehler und Veränderungen zu reduzieren sind. Der Nebenwiderstand, der parallel zu den Dehnungsmessstreifen geschaltet wird (Bild 2), simuliert, was passieren würde, wenn der Druckaufnehmer oder ein anderer Kraftaufnehmer eine echte Last messen würde.

Dieser Ansatz funktioniert am besten mit einem Hochpräzisionswiderstand mit bekanntem Widerstandswert, geringer Temperaturempfindlichkeit, geringem bzw. kompensiertem Powerkoeffizienten (Widerstandsänderung durch Eigenerwärmung bei elektrischer Last) und geringer thermoelektrischer Kraft. Das Ergebnis in Millivolt kann mit dem bei tatsächlichem Druck zu erwartenden Ergebnis verglichen werden. Anschließend kann die Abweichung des Ausgangssignals in den Überwachungsinstrumenten kompensiert werden.

Die Nebenschlusskalibrierung ist branchenweit anerkannt als Mittel zur konstanten Kalibrierung eines Signalgebers und Messwandlers zwischen den Kalibrierungen von bekannten, angewandten und nachweisbaren mechanischen Eingangsgrößen. Der Nebenwiderstand kann sowohl einen Dehnungs- als auch einen Druckeingang simulieren.

Fehleranalyse im Flugzeug

Für die Rissüberwachung ist vor allem der Einsatz von Rissausbreitungs- und Rissprüfungssensoren sehr hilfreich. Sie sind in unterschiedlichen Größen erhältlich: von kleinen, einsträngigen Detektoren wie dem CD-02-10A von VPG mit einem Abtastbereich von 15 mm bis zu großen, mehrsträngigen Ausbreitungsdetektoren wie dem CPC03 mit einem Abtastbereich von 40 mm. Speziell angefertigte Modelle für besondere Anwendungen wie dem Abtasten von Rissen, die von Nietlöchern ausgehen, sind ebenfalls erhältlich.

Dehnungsmessanlagen in einem Jumbojet erfordern ziemlich lange Kabel von den Dehnungsmessstreifen zu den Dehnungskontroll- und Messinstrumenten. Der Signalkabelwiderstand wirkt dann zusätzlich in der Wheatstone-Brückenschaltung, aber das Kabel selbst ist nicht Teil der Widerstandsveränderung, die in der Brückenschaltung angezeigt wird, wenn der Prüfkörper belastet wird. Der Signalkabelwiderstand reduziert daher effektiv die Dehnungsempfindlichkeit. Dieser Fehler kann kompensiert werden, indem direkt an jedem aktiven Dehnungsmessstreifen eine Nebenschlusskalibrierung durchgeführt wird.
Da die Dehnungsmessstreifen nach der Installation oft schwer erreichbar sind, kann die Nebenschlusskalibrierung an einem anderen Teil der Wheatstone-Brücke oder an den Instrumenten durchgeführt werden. Wird sie nicht über den Messstreifen durchgeführt, wird der Widerstand eines langen Kabels bei der Nebenschlusskalibrierung nicht kompensiert.

Ein hochohmiger Folienwiderstand (in der Regel 50 bis 200 kΩ) kann über einen Dehnungsmessstreifen (DMS) oder einen Pfad der Wheatstone-Brücke parallel geschaltet werden, um eine vorhersehbare mV-Offset-Verschiebung zu erzeugen, die gemessen und anstelle eines unkomfortableren Wiegestandards zur Kalibrierung der Wiegezelle verwendet werden kann. Dieser Widerstand sollte ferner über einen großen Temperaturbereich sowie über einen langen Zeitraum und bei unterschiedlichen Feuchtigkeitsbedingungen stabil sein.