Messgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messgerät mit beweglichem Teil oder Organ (nachfolgend Füh r genannt) für den Kontakt mit dem zu messenden Gegenstand. Fei einem Messgerät wird der Bewegung weg des Fühlers durch einen Zeiger auf einer Skala oder ein anderes Wertanzeigeelement angezeigt, wobei zwischen Zeiger und Skala eine Relativbewegung stattfindet und diese Bewegung durch eine mechanische Verbindung zwischen Fühler und beweglichem VVertanzeigeeiement bewirkt und gegenüber der Bec wegung des Fühlers vergrössert wird.
Um einen hohen Grad von Genauigkeit bei der Verwendung dieser Instrumente zu erreichen, bestehen zwei wesentliche Forderungen: a) Es muss eine Kraft eingeführt werden, die den Kontakt zwischen dem Fühler und dem zu messenden Gegenstand aufrechterhält und diese Kraft muss über den ganzen Bereich der Auslenkung oder Bewegung des Fühlers annähernd konstant gehalten werden, b) zwischen dem Fühler und dem beweglichen Wertanzeigeelement darf kein toter Gang vorhanden sein.
Es bestehen unter der Handelsmarke Tensator und Negator zu (eingetragene Marken), zu Spiralen gewickelte Federn, die aus einem Streifen bestehen, der so aufgewunden ist, dass die aufeinanderfolgenden Windungen einander berühren, und die dem Abwikkeln einen einheitlichen Widerstand entgegensetzen.
Diese Federn stehen in verschiedenen Ausführungsformen zur Verfügung, beispielsweise auch mit ver änderlichem Widerstand, doch befasst sich die vorlie gende Erfindung in der Hauptsache mit Federn mit annähernd konstanter Kraft für Messinstrumente, damit die oben unter a) genannte Kraft zur Verfügung steht und der unter b) genannte tote Gang vermieden wird.
Nach dieser Erfindung ist also ein Messgerät vorgesehen mit beweglichem Fühler für den Kontakt mit dem zu messenden Gegenstand, und dieses Messgerät ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Fühler und einem beweglichen Wertanzeigeelement eine Feder für die Ausübung einer annähernd konstanten Kraft vorgesehen ist, derart, dass sie auf den Fühler wirkt und diesen mit dem zu messenden Gegenstand in Kontakt bringt.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbei- spiele des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht.
Es zeigen:
Fig. 1, 2 und 3 Federausführungen, die in Messgeräten verwendet werden können und
Fig. 4-14 schematisch verschiedene Verwendungsarten solcher Federn in Messgeräten.
In diesen Zeichnungen sind die einzelnen Windungen der Federn der Deutlichkeit wegen etwas voneinander getrennt, deswegen wird darauf hingewiesen, dass bei all diesen Federn aufeinanderfolgende Windungen sich in engem Kontakt miteinander befinden.
Fig. 1 zeigt eine einfache Feder, die aus einem Metallstreifen 30 besteht, der auf eine Federspeichertrommel 31 oder auf einen anderen geeigneten Träger, mit dem die Feder rotieren kann, aufgewickelt ist.
Durch Zug am freien Ende 32 kann die Feder abgerollt und unter Spannung gebracht werden. Wenn die Feder so ein Stück abgezogen ist, hat sie das Bestreben, sich wieder aufzurollen und übt einen annähernd konstanten Zug an ihrem freien Ende 32 aus.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung, die benutzt wird, wenn die Feder ein Drehmoment statt einer linearen Zugkraft hervorbringen soll. Die Feder 30 ist auf eine Federspeichertrommel 31 montiert, wie in Fig. 1, doch ist das äussere Ende der Feder an einer Federaufnahmetrommel 33 befestigt, die in der Hauptsache einen grösseren Durchmesser besitzt als die Feder speichertrommel 31. Die Feder 30 wird von der Federspeichertrommel 31 bei UmIauf der Federaufnahmetrommel 33 abgezogen und unter Spannung gebracht, wobei die Feder auf die Federaufnahmetrommel 33 aufgewickelt wird. Lässt der Zug der Federaufnahmetrommel nach, so ist die Feder bestrebt, sich wieder auf die Federspeichertrommel 31 aufzuwickeln und dreht die Federaufnahmetrommel, indem sie ein annähernd konstantes Drehmoment auf diese ausübt.
Vom einen Ende der Feder aus gesehen ist in Fig. 2 die Wicklungsrichtung auf beiden Trommeln verschieden, bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform eines Federantriebes ist die Feder 30 jedoch umgelenkt und im Vergleich zur Federspeichertrommel 31 in gleicher Richtung auf die Federaufnahmetrommel 33 aufgewickelt. Dadurch wird die Charakteristik der Feder geändert, doeh ist die allgemeine Wirkung der Feder die gleiche wie in Fig. 2, das heisst, es wird ein annähernd konstantes Drehmoment durch die Feder auf die Federaufnahmetrommel 34 ausgeübt.
Der Hauptunterschied zwischen den Fig. 2 und 3 besteht darin, dass eine Feder, die nach der in Fig. 3 gezeigten Art angeordnet ist, ein grösseres Drehmoment ausübt als bei der Anordnung nach Fig. 2. Zur Vereinfachung soll ein Federantrieb nach Fig. 2 als A Motor und ein Federantrieb nach Fig. 3 als B-Motor bezeichnet werden. In den meisten Fällen sind die beiden Antriebe gegeneinander austauschbar, wobei die Wahl entsprechend der erforderten Charakteristik getroffen wird.
Zweckmässigerweise wird hier noch auf eine andere Eigenschaft der Federn mit annähernd konstanter Kraft hingewiesen. Die durch eine Feder ausgeübte Kraft wird durch die Zunahme der Spannung in dem Teil (in Fig. 1 mit X bezeichnet) der Feder bewirkt, der an der Stelle der Feder liegt, der gerade von der Federspeichertrommel abgerollt wird und dessen Krümmung eine änderung erleidet. Wenn eine Reibung der Federspeichertrommel gegeben ist (beispielsweise eine Reibung auf der Welle), so hat die für die Spannung des Federantriebes aufzubringende Kraft 1. die Feder zu spannen und 2. die Reibung oder den Widerstand der Reibung zu überwinden und diese Gesamtspannung muss über die Zone X übertragen werden.
Wenn jedoch der Federantrieb Kraft abgibt, indem die Feder wieder auf die Federspeichertrommel aufgewickelt wird, wird die Kraft zur Überwindnng der Reibung oder des Reibungswiderstandes der Speichertrommel nicht über die Zone X übertragen und die Spannung in der Feder zwischen den beiden Trommeln ist deswegen halb so gross als die Kraft, die notwendig war, um die Reibung beim Spannen der Feder zu überwinden.
Diese Änderung in der Spannung der Feder ver ändert die Krümmung der Zone X und ändert ihre effektive Länge, doch wird diese Änderung von der Federaufnahmetrommei aufgefangen und bedingt die gleiche Wirkung wie toter Gang bei einem Überset- zungsgetriebe zwischen Fühler und Zeiger, wo ins grössere übersetzt wird. Diese Wirkung ist als Hysteresiseffekt bekannt und ist meistens vernachlässigbar klein.
Die Art der Verwendung der Feder mit annähernd konstanter Zugkraft in Messgeräten ist schematisch in den Fig. 4-14 dargestellt. Fig. 4 zeigt eine einfache Form eines Mikrometers mit Anzeigeskala. Der Fühler 35 des Mikrometers ist auf ein Gestell 36 so montiert, dass der in axialer Richtung auf einen Tisch 37 am Gestell zu oder von diesem Tisch weg bewegt werden kann, wobei das freie Ende 38 einer Feder mit annähernd konstanter Zugkraft an dem Fühler befestigt ist und die Federaufnahmetrommel 39 so montiert ist, dass sie sich in Lagern drehen kann und den Fühler 35 gegen den Tisch 37 drückt. Auf der Trommel 39 ist ein Zeiger 40 montiert, der sich entlang einer Anzeigeskala 41 bewegen kann, wobei jede Bewegung des Fühlers 35 eine Drehung der Federauf nahmetrommei 39 bewirkt, die durch eine entsprechende Bewegung des Zeigers 40 angezeigt wird.
Bei dieser Anordnung ergibt sich eine Vergrösserung der Bewegung des Fühlers nur insofern, als dies durch die Länge des Zeigers 40 begründet ist.
Wenn eine grössere Übersetzung erreicht werden soll, kann die in Fig. 5 gezeigte Anordnung benutzt werden. Statt einer einfachen Feder kann hierbei ein Federantrieb benutzt werden, der hier aus Zwecken der Veranschaulichung ein B-Motor ist, bei dem 42 die Federspeichertrommel bedeutet. Das freie Ende der Feder 44 ist um die Federaufnahmetrommel 43 geführt und an dem Fühler 46 befestigt. Die Bewegung des Fühlers 46 wird über ein Zahnrad 48 auf der Welle der Trommel 43, das mit einem kleineren Zahnrad 49 in Eingriff ist, dessen Welle den Zeiger 47 trägt, auf den Zeiger 47 übertragen. Das Zahnradgetriebe ist so ausgebildet, dass sich die gewünschte grössere Übersetzung ergibt. In einer Anordnung der beschriebenen Art kann nach Wahl ein A-Motor oder ein B-Motor verwendet werden.
Bei der Anordnung nach Fig. 5 besitzt der Fühler 46 über die Feder 44 mit der Federaufnahmetrommel 43 nur eine Reibungsverbindung. Wenn es zweckmässig ist, einen festen Eingriff zu verwenden, kann eine Anordnung benutzt werden, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist. In Fig. 6 bedeutet 51 die Speichertrommel für die Feder 50 und 52 die Federaufnahmetrommel, wobei das Ende der Feder 50 an der Trommel 52 befestigt ist und diese Trommel mit einer Zahnstange über ein Triebrad 54 in Eingriff ist, das auf der Welle der Trommel befestigt ist. Ein weiteres fJbersetzungs- getriebe 55, 56 überträgt die Bewegung von Fühler und Trommel 52 mit der gewünschten Übersetzung auf den Zeiger 57.
Statt des Zahnstangengetriebes nach Fig. 6 kann auch eine Anordnung nach Fig. 7 verwendet werden.
In Fig. 7 ist das freie Ende der Feder 58 an der Federaufnahmetrommel 60 befestigt und diese über ein Metallband 62, das nicht Teil der Feder mit annähernd konstanter Kraft ist, mit dem Fühler 61 verbunden.
Der Vorteil der Benutzung eines Metallbandes gemäss Fig. 7 besteht gegenüber der Anordnung nach Fig. 5 darin, dass die zusätzliche Spannungsumkehrung, die bei der Anordnung nach Fig. 5 durch das Strecken der Feder zwischen der Federaufnahmetrommel und dem Fühler entsteht, vermieden und dadurch die nutzbare Lebensdauer der Feder erhöht wird. Bei der Anordnung nach Fig. 7 wird die Übertragung der Bewegung von der Welle der Federaufnahmetrommel 60 auf den Zeiger durch die Zahnradübersetzung 63, 64 bewirkt.
Es ergibt sich, dass durch Kupplung des Zeigers mit der Federaufnahmetrommel, wie es in den Fig. 5, 6 und 7 gezeigt ist, statt mit der Federspeichertrommel jede Möglichkeit eines Fehlers infolge eines Hysteresiseffektes vermieden wird.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein B-Motor mit einer Federspeichertrommel 65, einer Feder 66 und einer Federaufnahmetrommel 67 benutzt wird, die mit dem Fühler 68 durch ein gewöhnliches Metallband 69 verbunden ist, das an einer Trommel 67a auf der Welle der Federaufnahmetrommel 67 festgemacht ist. Der Zeiger kann mit der Federaufnahmetrommel in beliebiger, zweckmässiger Weise gekuppelt sein.
Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen schematisch eine Anordnung, die verwendbar ist, wenn der Bereich der Bewegung des Fühlers mehrere Umdrehungen des Zeigers erforderlich macht. Der Fühler 70 ist mit zwei Federn 71 und 72 für annähernd konstante Spannung versehen, so dass eine seitliche Verschiebung der Führung für den Fühler vermieden wird. Die Trommel 73 für die eine Feder 72 trägt ein erstes Zahnrad 74 einer Zahnradübersetzung 75, 76, 77, und die Welle des Zahnrades 77 trägt den Zeiger 78, der für den ganzen Bereich der Bewegung des Fühlers mehrere Umdrehungen über die Skala 79 ausführt. Die Welle der Trommel 80 der Feder 71 trägt einen Hilfszeiger 81, der sich über eine Anzeigeskala 82 bewegt, um die Zahl der Umdrehungen des Zeigers 78 anzuzeigen.
Die Federn 71 und 72 sind so konstruiert, dass sie über den ganzen Bereich der Be wegungun des Fühlers weniger als eine Umdrehung ausführen, so dass für die Dicke des Streifens der Feder 72, die die Bewegung auf den Zeiger 78 überträgt, keine Toleranz angegeben werden muss, und die Skala 79 kann einheitlich kalibriert werden und ist dadurch auch für mehrere Umdrehungen des Zeigers über die Skala hinweg brauchbar.
Es ist zweckmässig, jeglichen toten Gang in dem Zahnradgetriebe 74 77 zu vermeiden. Zu diesem Zwecke besitzt ein B-Motor mit einer Federspeichertrommel 83 eine Federaufnahmetrommel 84, die fest auf der Welle des Zahnrades 77 sitzt. Dieser Motor muss nur ein geringes Drehmoment aufbringen, um den toten Gang aufzunehmen, und kann deswegen klein ausgeführt werden. Ein kleines Übermass an Drehmoment, das durch den Motor ausgeübt wird, wirkt auf den Fühler in der gleichen Richtung wie die Hauptfeder 71 und 72.
Die vorliegende Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht beschränkt auf Messgeräte, bei denen das Dreh- moment des Fühlers linear ist. Die Fig. 11 und 12 zeigen schematisch eine Konstruktion einer Messlehre.
Ein Arm 90 ist an dem Gehäuse 91 befestigt und der andere Arm 92 ist bei 93 am Gehäuse schwenkbar gelagert und weist einen Nocken 94 auf und ein Me tallband 95, das ein Getriebe von Zahnrädern und
Ritzeln 96, 97, 98, 99 antreibt, von denen das letzt genannte Ritzel 99 auf der Welle der Federaufnahme trommel 100 eines A-Motors befestigt ist, während die Federspeichertrommel mit 101 bezeichnet ist. Das
Drehmoment dieses Motors wird durch das Zahnrad getriebe auf den Arm 92 übertragen und versucht, diesen gegen den Arm 90 in Anlage zu bringen. Da das Drehmoment bei Übertragung desselben über das Zahnradgetriebe auf den Arm 92 vergrössert wird, braucht nur ein kleiner Motor verwendet zu werden, der ein annähernd konstantes Drehmoment auf alle Elemente der Zahnradübertragung ausübt und da durch einen toten Gang ausschliesst.
Der Zeiger 102 ist in entsprechender Weise auf der Welle der Feder aufnahmetrommel 100 des A-Motors befestigt und macht für die Erfassung des vollen Bereichs der Bewegung des Kaliberarms 92 mehrere Umdrehungen.
Ein zweiter Zeiger 103 ist auf der Welle des Zahnrades 96 befestigt und streicht über eine Skala, die die Anzahl der Umdrehungen des Zeigers 102 anzeigt.
Die speziellen Eigenschaften einer Feder mit an nähernd konstanter Kraft ermöglicht, dass die Feder auch auf verschiedene Arten in einer Mikrometer lehre verwendet werden kann. Die Fig. 13 und 14 veranschaulichen schematisch eine Anordnung, bei der nicht nur ein annähernd konstanter Druck auf den Fühler ausgeübt wird, sondern die Bewegung der
Feder selbst vergrössert wird und die Skala ver schwenkbar direkt an der Feder befestigt ist.
Wie Fig. 13 zeigt, ist der Fühler 110, der in einer passenden Führung liegt, direkt mit einer Welle oder einer Trommel 111 gekuppelt, die ein grosses Zahn rad 112 trägt, das mit einem Antriebsritzel 113 an einer Federaufnahmetrommel 114 eines A-Motors kämmt. Die Feder ist mit 115 und die Federspeicher trommel mit 116 bezeichnet.
Eine Feder mit annähernd konstanter Kraftwir kung kann in beliebiger Länge hergestellt und so konstruiert sein, dass sie eine annähernd konstante Zugkraft oder ein annähernd konstantes Drehmoment von beliebigem Werte erzeugt. Für ein Messgerät der beschriebenen Art könnte die Feder beispielsweise
304 oder 366 cm lang sein und das Zahnradgetriebe ist so konstruiert, dass in der Hauptsache die ganze
Länge der Feder benutzt wird, um den Fühler über seinen ganzen Bewegungsbereich zu bewegen, bei spielsweise 25,4 oder 50 mm. Das Gehäuse 117 des
A-Motors und des Zahnradgetriebes ist mit einem
Fenster 118 versehen, durch das die Federaufnahme trommel 114 mit der Skalenangabe auf der Trommel sichtbar ist. Ein einstellbarer Arm 119 ist vorgesehen, der eine Anzeige oder Ableselinie 120 für das Ablesen der Skalenwerte trägt.
Die Kupplung zwischen dem Fühler 110 und der Welle 111 ist als ein Metallband, nicht als eine Feder dargestellt. Diese Konstruktion wird vorzugsweise verwendet, da sie nicht der Abnutzung unterworfen ist wie beispielsweise -ein Zahnstangengetriebe, weniger teuer ist und Schutz bietet gegen Schaden, wenn der Fühler 110 mit einer Geschwindigkeit abwärtsgedrückt wird, die grösser ist als die Geschwindigkeit, mit der die Federspeichertrommel 116 die von der Federaufnahmetrommel 114 gelieferte Feder aufnehmen kann. Solch ein Abwärtsdruck kann auf den Motor keinen Rückwärtstrieb übertragen.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass infolge der grossen Länge der benutzten Feder die Spule, die sich auf der Federaufnahmetrommel 114 aufbaut, allmählich einen grösseren Durchmesser erhält und dass dem in Abstand der Skaleneinteilung Rechnung getragen ist.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit verschiedenen Geräten beschrieben worden ist, umfasst sie die erfindungsgemässen Merkmale auch dann, wenn sie mit anderen Konstruktionen von Messinstrumenten in Anwendung gelangt.