CH372857A - Druckmessdose - Google Patents

Description

  
 



  Druckmessdose
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckmessdose, wie sie für wissenschaftliche bodenmechanische Untersuchungen, beispielsweise zur Ermittlung von Erddrücken, benötigt wird. Bekannte Druckmessdosen dieser Art weisen als mechanisch-elektrische Wandler, welche eine vom Druck abhängige elektrische Grösse liefern, piezo-elektrische Kristalle oder elektrische Widerstands-Dehnungsmessstreifen auf und werden im Gebrauch mit einer elektrischen   Mess- und    Anzeigevorrichtung, z. B. einer Widerstands-Messbrücke, verbunden. Bei den bekannten Druckmessdosen ist ferner eine biegsame Membran vorhanden, welche eine äussere Begrenzung der Dose bildet und zur Übertragung der Druckkräfte auf den mechanisch-elektrischen Wandler dient. Eine solche biegsame Membran bringt verschiedene Nachteile mit sich, welche durch die Erfindung beseitigt werden.



   Die Druckmessdose gemäss der Erfindung besitzt ebenfalls mechanisch-elektrische Wandler und ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei starre Platten gegeneinander durch mindestens zwei Stützorgane abgestützt sind, deren jedes wenigstens einen mechanisch-elektrischen Wandler aufweist. Mit Vorteil kann jedes der Stützorgane durch ein Rohrstück gebildet sein, das an zwei einander wenigstens annähernd diametral gegenüberliegenden Stellen mit den beiden Platten in Berührung steht und mindestens einen   Widerstands-Dehnungsmessstreifen    mit in Umfangsrichtung des Rohrstückes verlaufenden elektrischen Leitern trägt.



   In der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung ist rein beispielsweise eine bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht.



   Fig. 1 zeigt eine Druckmessdose im Querschnitt, wobei die den Deckel des Gehäuses bildende obere Platte teilweise weggebrochen ist;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Druckmessdose, ebenfalls bei teilweise weggebrochener oberer Platte;
Fig. 3 zeigt in grösserem Massstab und im axialen Schnitt ein einzelnes Rohrstück mit Dehnungsmessstreifen;
Fig. 4 ist das elektrische Schaltschema der Druckmessdose und einer zugehörigen Widerstandsmessbrücke.



   Die dargestellte Druckmessdose weist zwei starre, kreisscheibenförmige Platten 11 und 12 auf. Die untere Platte 12 ist der Boden eines schalenförmigen Gehäuseteils mit zylindrischer Umfangswand 13, wogegen die obere Platte 11 einen zugehörigen Deckel bildet, der mit Hilfe eines endlosen Dichtungsringes 14 aus weichem, elastisch nachgiebigem Material gegen die Umfangswand 13 abgedichtet ist. Die Platte 11 und der Gehäuseteil 12; 13 bestehen vorzugsweise aus einer Leichtmetallegierung. Die Platten 11 und 12 sind gegeneinander durch drei Rohrstücke 20 aus gehärtetem Stahl abgestützt. Die Längsachse jedes Rohrstückes 20 verläuft parallel zu den Platten 11 und 12, welche somit jedes Rohrstück 20 an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen berühren, die etwas abgeplattet sind.

   Mit der unteren Platte 12 ist jedes Rohrstück 20 durch zwei Schrauben 21 verbunden, die an der Berührungsstelle der Platte 12 in radialer Richtung in entsprechende Gewindebohrungen 22 des betreffenden Rohrstückes 20 eingesetzt sind. In analoger Weise ist jedes Rohrstück 20 mit der oberen Platte 11 durch eine Schraube 23 verbunden, die an der Berührungsstelle der Platte 11 in radialer Richtung in eine entsprechende Ge  windebohrung 24 des betreffenden Rohrstückes 20 eingesetzt ist. Zwischen die Rohrstücke 20 und die Platten 11 und 12 sind, zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen, noch Unterlagscheiben 25 und 26 eingelegt, durch welche die Schrauben 21 und 23 hindurchgreifen. Diese Scheiben 25 und 26 könnten gegebenenfalls weggelassen werden.



   An jedem der Rohrstücke 20 sind vier Widerstands-Dehnungsmessstreifen 31, 32, 33 und 34 festgeklebt, derart, dass ihre elektrischen Leiter 35 in Umfangsrichtung des betreffenden Rohrstückes verlaufen, wie in Fig. 3 für den Messstreifen 33 veranschaulicht ist. Zwei Messstreifen 31 und 32 befinden sich an der Aussenfläche und zwei Messstreifen 33 und 34 an der Innenfläche der Rohrstücke, und zwar an einander diametral gegenüberliegenden Stellen. Sämtliche an der Aussenfläche der Rohrstücke 20 liegenden Dehnungsmessstreifen 31 und 32 sind miteinander in Reihe geschaltet (Fig. 4). Desgleichen sind sämtliche an der Innenfläche der Rohrstücke 20 angeordneten Dehnungsmessstreifen 33 und 34 miteinander in Reihe geschaltet.



   An der Umfangswand 13 des schalenförmigen Gehäuseteils 12, 13 befindet sich eine Stopfbüchse 40, durch welche hindurch ein mindestens drei Leiter 41, 42 und 43 sowie eine Abschirmung 44 aufweisendes Anschlusskabel 45 hindurchgeführt ist. Die Leiter 41, 42 und 43 sind gemäss Fig. 4 mit den Dehnungsmessstreifen 31 bis 34 verbunden. Die Abschirmung 44 des Kabels 45 ist durch Leiter 46 mit Klemmschuhen 47 verbunden, die mittels Schrauben 48 an den beiden Platten 11 und 12 befestigt sind.



   Zum Gebrauch werden die Dehnungsmessstreifen 31 bis 34 der beschriebenen Druckmessdose mittels der Leiter 41, 42 und 43 des Kabels 45 gemäss Fig. 4 in eine Wheatstone'sche Widerstands-Messbrücke eingeschaltet. Die in Reihe miteinander geschalteten äusseren Dehnungsmessstreifen 31 und 32 liegen in dem einen und die in Reihe miteinander geschalteten inneren Dehnungsmessstreifen 33 und 34 liegen in dem anderen aktiven Arm der Brücke, die ferner noch zwei Vergleichswiderstände 51 und 52 aufweist. Zur Speisung der Brücke dient eine Stromquelle 53, die an die eine Diagonale der Brücke angeschlossen ist. An die andere Diagonale der Brücke ist ein Anzeigeinstrument 54 angeschlossen. Vor dem Belasten der Druckmessdose wird die Brücke abgeglichen, so dass kein Strom durch das Instrument 54 fliesst.



   Werden die beiden Platten 11 und 12 durch eine Druckkraft gegeneinandergepresst, so erfahren die Rohrstücke 20 eine geringfügige elastische Deformation. Die auf der Aussenseite der Rohrstücke 20 angeordneten Dehnungsmessstreifen 31 und 32 werden hierbei gestreckt, wogegen die auf der Innenseite der Rohrstücke angeordneten   Dehnungsmess    streifen 33 und 34 gestaucht werden. Der elektrische Widerstand im Brücken arm zwischen den Leitern 41 und 42 wird dadurch vergrössert, derjenige im Brückenarm zwischen den Leitern 41 und 43 entsprechend verringert. Die Brücke kommt aus dem Gleichgewicht, wobei an dem Instrument 54 eine der totalen Druckkraft auf die Platten 11 und 12 proportionale elektrische Spannung auftritt. Die mittlere Flächenpressung der Druckmessdose kann somit aus der Anzeige des Instrumentes 54 errechnet werden.

   Bei entsprechender Eichung der Messeinrichtung kann die mittlere Druckbelastung auch direkt am Instrument abgelesen werden. Die Eichung kann in sehr einfacher Weise durch Auflegen von bekannten Gewichten auf die Platte 11 oder mit Hilfe einer geeichten Presse erfolgen, also statisch.



   Die Messeinrichtung ist aber ebensogut auch für rasche dynamische Druckmessungen geeignet, da die Eigenfrequenz der Druckmessdose verhältnismässig hoch liegt. Bei einer praktisch ausgeführten Druckmessdose von 25 cm Durchmesser betrug die Eigenfrequenz etwa 1,5 kHz. Für dynamische Messungen wird als Anzeigeinstrument 54 zweckmässig ein über einen Verstärker angeschlossener Oszillograph verwendet. Die Eichung kann wiederum statisch mit Hilfe von bekannten Gewichten oder dynamisch durch eine rasche Entlastung der Dose von bekannten Gewichten erfolgen.



   Es ist zu bemerken, dass die bei den Druckmessungen auftretenden Deformationen der Rohrstücke 20 derart gering sind, dass durch das Zusammendrücken des Dichtungsringes 14 kein praktisch wahrnehmbarer Messfehler entsteht. Es ist auch gleichgültig, wo die Druckkraft auf den Platten 11 und 12 angreift, da durch die Reihenschaltung der Dehnungsmessstreifen immer eine Integration der auf die einzelnen Rohrstücke 20 wirkenden Druckkomponenten erfolgt. Die Messempfindlichkeit und der Messbereich sind verhältnismässig gross. Die bereits erwähnte praktische Ausführung ist von 0,01 bis 20   kgfcm2    verwendbar.



   Durch die beschriebene Anordnung der Dehnungsmessstreifen 31 bis 34 ergibt sich selbsttätig eine Kompensation von Temperatureinflüssen, denn Widerstandsänderungen zufolge Temperaturschwankungen wirken sich zwangläufig in den beiden aktiven Brückenarmen in gleicher Weise aus, so dass sie keinen Einfluss auf die Anzeige des Instrumentes 54 haben. Da jeweils zwei in verschiedenen aktiven Brükkenarmen liegende Dehnungsmessstreifen aussen und innen an der selben Rohrstückhälfte befestigt sind, ist an diesen Messstreifen stets eine gleiche Temperatur gewährleistet, auch bei rascher Erwärmung oder Abkühlung der Messdose.



   Weil sich die Messstreifen 31 bis 34 vollständig innerhalb eines geschlossenen, metallischen Gehäuses 11, 12, 13 befinden, das über die Leiter 46 und die Abschirmung 44 des Kabels 45 geerdet werden kann, lassen sich Störungseinflüsse von elektrischen Streufeldern praktisch völlig vermeiden.



   Die Messdose ist insbesondere für Messungen von Erddrücken in der Erdbaumechanik geeignet. Das Raumgewicht der Messdose, das heisst das Total  gewicht der Dose dividiert durch das Totalvolumen, kann ohne Schwierigkeiten auf etwa 2   t/ms    gehalten werden, was dem Raumgewicht der meisten Erdböden entspricht. Die Trägheitskräfte der Messdose sind daher praktisch gleich denjenigen des verdrängten Bodens. Die Messdose kann beliebig gross gemacht werden, so dass der Einfluss der Korngrösse des Erdmaterials praktisch ausgeschaltet werden kann. In den meisten Anwendungsfällen wird ein Durchmesser von 25 bis 100 cm genügen. Die Dose ist wasserdicht.



   Ausser den bereits erwähnten Vorteilen hat die Druckmessdose noch den weiteren Vorteil, dass sie einfach in der Bauweise und in der Herstellung ist und keine Präzisionsarbeiten erfordert. Die Druckmessdose kann auch vom Verbraucher geöffnet und wieder geschlossen werden, wodurch es möglich wird, die Rohrstücke 20 gewünschtenfalls gegen andere mit dem gleichen Aussendurchmesser, aber anderem Innendurchmesser oder anderer Länge auszutauschen, um dadurch die Messempfindlichkeit und die Eigenfrequenz der Messdose ändern zu können.



   Es brauchen nicht in allen Fällen drei Rohrstücke 20 zwischen den beiden Platten 11 und 12 vorhanden zu sein. Die Anzahl der Rohrstücke kann auch erhöht oder auf zwei verkleinert werden. Die Aussenfläche der Rohrstücke kann zylindrisch oder leicht fassförmig bombiert sein, wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel.



   Es ist denkbar, an jedem Rohrstück 20 nur zwei oder gar nur einen Dehnungsmessstreifen anzubringen, obwohl durch vier Messstreifen je Rohrstück entschiedene Vorteile erzielt werden, wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist.



   Anstelle von Rohrstücken 20 können auch mindestens zwei andere Stützorgane zwischen den beiden starren Platten 11 und 12 angeordnet sein, und anstelle von Widerstands-Dehnungsmessstreifen können piezo-elektrische Kristalle als mechanischelektrische Wandler dienen. Solche Kristalle können gegebenenfalls selbst die Stützorgane zwischen den Platten 11 und 12 bilden. Zweckmässig werden die Kristalle elektrisch in Reihe geschaltet.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Druckmessdose mit mindestens zwei mechanischelektrischen Wandlern, die eine vom Druck abhängige elektrische Grösse liefern, dadurch gekennzeichnet, dass zwei starre Platten (11 und 12) gegeneinander durch mindestens zwei Stützorgane (20) abgestützt sind, deren jedes wenigstens einen mechanisch-elektrischen Wandler (31, 32, 33 bzw. 34) aufweist.

   UNTERANSPRUCHE 1. Druckmessdose nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch-elektrischen Wandler elektrisch in Reihe geschaltet sind.

   2. Druckmessdose nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Stützorgane (20) durch ein Rohrstück gebildet ist, das an zwei einander wenigstens annähernd diametral gegenüberliegenden Stellen mit den Platten (11 und 12) in Berührung steht und mindestens einen Widerstandsdehnungsmessstreifen (31, 32, 33 bzw. 34) mit in Umfangsrichtung des Rohrstückes (20) verlaufenden elektrischen Leitern (35) trägt.

   3. Druckmessdose nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (20) an seiner Aussenfläche und an seiner Innenfläche je mindestens einen Dehnungsmessstreifen (31 und 33 bzw. 32 und 34) aufweist, wobei diese Dehnungsmessstreifen zum Einschalten in zwei verschiedene Arme einer elektrischen Widerstands-Messbrücke bestimmt sind.

   4. Druckmessdose nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (20) an seiner Aussenfläche und an seiner Innenfläche je zwei einander diametral gegenüberliegende Dehnungsmessstreifen (31, 32 und 33, 34) aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind.

   5. Druckmessdose nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Platten (11 und 12) mit dem Rohrstück (20) durch mindestens ein Befestigungsmittel (21 bzw. 23) verbunden ist, welches an der Berührungsstelle der Platte (11 bzw. 12) und des Rohrstückes (20) radial in das letztere eingesetzt ist.

   6. Druckmessdose nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (20) an den Berührungsstellen der Platten (11 und 12) abgeplattet ist.

   7. Druckmessdose nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (20) aus gehärtetem Stahl besteht.

   8. Druckmessdose nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Platte (12) der Boden eines schalenförmigen Gehäuseteils (12, 13) ist und die andere Platte (11) einen zugehörigen Deckel bildet, der durch einen elastisch nachgiebigen Ring (14) gegen die Umfangswand (13) des schalenförmigen Gehäuseteils (12, 13) abgedichtet ist.

   9. Druckmessdose nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Platten (11 und 12) und eine Abschirmung (44) der elektrischen Anschlussleitung (45) des Dehnungsmessstreifens (31, 32, 33 bzw. 34) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.