Kraftmessdose
Die Erfindung betrifft eine Kraftmessdose, bestehend aus einer kreis symmetrischen Platte mit zentraler Krafteinleitung und starrer Abstützung am Plattenrand.
Zur Messung einer Kraft nützt man allgemein die Tatsache aus, dass ein Messglied mit bekannten mechanischen Eigenschaften unter der Wirkung einer Kraft eine entsprechende Verformung erleidet. Bei bekannten Kraftmessdosen wird diese Verformung durch Messung des Verformungsweges oder der durch sie entstandenen Dehnung bzw. Stauchung ermittelt. Bei den wegen vieler Vorteile häufig vorgezogenen elektrischen Krafimessdosen werden induktive, kapazitive, Ohmsche oder dergleichen Weg oder Dehnungsmesselemente verwendet.
Bei wegmessenden. Kraftmessdosen ist es bereits bekannt, die Kraft auf eine an ihrem Rand starr abgestützte, elastische Platte einwirken zu lassen und sodann die Auslenkung zufolge der Kraft zu messen.
Bei bekannten, auf der Basis einer Dehnungsmessung wirkenden Kraftmessdosen wird ein zylinderförmiges Messglied, auf dem in axialer Richtung und senkrecht dazu Dehnungsmesselemente angebracht sind, der Kraft unterworfen oder ein ringförmiges Messglied, das an seinem Umfang diametral angeordnete Dehnungsmesselemente trägt, senkrecht zur Verbindungslinie der Dehnungsmesselemente der Kraft unterworfen.
Während den wegmessenden Kraftmessdosen Grenzen durch die erreichbare Genauigkeit der Wegmessung gezogen sind, ist es bei den bekannten dehnungsmessenden Kraftmessdosen als nachteilig zu bezeichnen, dass sie eine relativ grosse Bauhöhe besitzen und einer besonders sorgfältigen Bearbeitung und Justage bedürfen. Bei Kraftmessdosen mit zylinderförmigen Messgliedern tritt zufolge der in axialer Richtung wirkenden Kraft in Achsrichtung eine negative Dehnung (Stauchung) vom Betrag - und quer dazu eine positive Dehnung von etwa + 0,3 e auf. Sieht man vier Dehnungsmesselemente vor, z.
B. vier Dehnungsmessstreifen in einer Wheatstoneschen Brücke, zwei in Achsrichtung und zwei quer dazu, so ergibt sich eine Gesamtverstimmung entsprechend 2,6 e. Bei Kraftmessdosen mit ringförmigem Messglied unterliegen die Messelemente sowohl Biege-als auch Zug- bzw. Druckbeanspruchungen. Bei zwei auf der Aussenseite und zwei auf der Innenseite des Ringes angeordneten Messelementen erfahren die auf der Aussenseite angeordneten bei Messung einer Zugkraft als Folge der Biegung eine negative Dehnung und die auf der Innenseite angeordneten eine positive Dehnung. Wegen der Ringform des Messgliedes ändert sich die Dehnung längs der Messelemente.
Den Biegedehnungen überlagert sich bei allen vier Messelementen eine reine Zugdehnung in der Grössenordnung von 5 bis 20 % der Biegedehnung. Bei vier Messelementen ist daher die Gesamtdehnung erfahrungsgemäss etwa 3 bis 3,5 ±.
Die Erfindung ermöglicht, eine bezüglich ihrer Herstellung und Handhabung einfache Kraftmessdose geringer Bauhöhe mit guten Messeigenschaften zu schaffen.
Die erfindungsgemässe Kraftmessdose, bestehend aus einer kreissymmetrischen Platte mit zentraler Krafteinleitung und starrer Abstützung am Platte rand, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Platte als Funktion des Plattenradius so bemessen ist, dass über einem Abschnitt des in zwei Abschnitte aufgeteilten Plattenradius eine radiale Dehnung und über dem andern Abschnitt eine radiale Stauchung auftritt, wobei die Beträge der Dehnung und der Stauchung über die radiale Erstreckung der Platte im wesentlichen konstant und einander mindestens angenähert gleich sind.
Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Erfindung an Hand zweckmässiger Ausführungsformen.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine der Druckkraftmessung dienende mit Dehnungsmesselementen versehene Messdose, Fig. 2 ein Schaubild : für den Dehnungsverlauf über der radialen Erstreckung der Kraftmessdose nach Fig. 1,
Fig. 3 und 4 austauschbare Einzelteile der Kraftmessdose für verschiedene Messzwecke,
Fig. 5 eine Variation der erfindungsgemässen Kraftmessdose mit einem wegmessenden Element.
Die Kraftmessdose nach Fig. 1 besitzt eine kreissymmetrische Platte 1, die am Rande in ein starres ringförmiges Teil 2 übergeht. Hierdurch wird erreicht, dass sich die Platte 1 so verhält, als wenn sie eingespannt wäre. In ihrem Zentrum besitzt die Platte 1 einen Zapfen 3, über den die zu messende Kraft P eingeleitet wird. Der durch die Platte 1 und den Ring 2 umschlossene Raum 4 wird durch einen Deckel 5 abgeschlossen. Die Befestiungsschrauben 6 des Deckels 5 sind ballig ausgebildet und so angeordnet, dass sie gleichzeitig der Abstützung der Kraftmessdose auf ein Widerlager dienen. Hierzu sind drei gegeneinander um 1200 versetzte Befestigungsschrauben 6 vorgesehen.
Die Platte 1 ist in verschiedenen radialen Abständen vom Mittelpunkt von unterschiedlicher Dicke. Die Bemessung ist hierbei so vorgenommen, dass - wie Kurve a in Fig. 2 für eine Plattenhälfte zeigt - die Dehnung in Abhängigkeit vom Plattenradius einen rechteckförmigen Verlauf besitzt. Vom Zapfen 3 in radialer Richtung gesehen, tritt zunächst bei der in Fig. 1 eingezeichneten Kraftrichtung P an der Plattenunterseite eine positive Dehnung konstanten Betrages auf, die bei einer Stelle geringster Plattendicke bei einem bestimmten Radius sprungartig in eine negative Dehnung vom gleichen Betrag übergeht. Der Dehnungsverlauf bei einer Platte konstanter Dicke ist zum Vergleich durch die Kurve b dargestellt.
Im Gegensatz zu einer Platte konstanter Dicke, wie sie bisher bei einigen wegmessenden Kraftmessdosen verwendet wird, sind bei der erfindungsgemä ssen Kraftmessdose Flächen konstanter Dehnung von einer zur Anbringung von Messelementen genügen den Grösse vorhanden. In Fig. 1 sind diese Messelemente mit 7, 8, 9 und 10 bezeichnet. Sie erfahren unter der Kraft P über ihre ganze Messlänge eine dem Betrag nach gleich grosse Dehnung e, die für die Elemente 7 und 10 negativ und für die Elemente 8 und 9 positiv ist. Bei an sich bekannter Zusammenschaltung der Messelemente zu einer Wheatstoneschen Messbrücke ist damit die Verstimmung der Brücke zufolge der Kraft 9 für eine vorgegebene grösste Dehnung E zwischen Ring 2 und Zapfen 3 die maximal mögliche, nämlich entsprechend 4E.
Damit besitzt die erfindungsgemässe Kraftmessdose maximale Empfindlichkeit.
Der Abschluss des Raumes 4 mittels des Deckels 5 dient zum Schutz der Messelemente. Bei Luftdruckschwankungen entsteht leicht zwischen dem Raum 4 und der Umgebung eine Druckdifferenz, die - ebenso wie die Kraft P - eine Dehnung der Platte 1 hervorruft und hierdurch eine entsprechende Kraft vortäuscht. Um dies zu vermeiden, befindet sich im Deckel 5 eine Membran 11, die vom eigentlichen Innenraum 4 einen Raum 12 abtrennt, der über eine Öffnung 13 mit der Umgebung in Verbindung steht. Bei Druckdifferenzen zwischen den Räumen 4 und 12 wölbt sich die Membran 11 entsprechend und bewirkt so einen Druckausgleich.
Anstelle einer Membran können andere zu diesem Zweck geeignete Mittel, beispielsweise ein Faltenbalg, verwendet werden.
Falls ein derartiger Druckausgleich für bestimmte Messzwecke nicht erforderlich ist, kann ein einfacher Deckel vorgesehen sein, wie er in Fig. 3 dargestellt und mit 5a bezeichnet ist. Zusätzlich kann dieser oder ein andersartig gestalteter Deckel mit einem Anschlag zur Begrenzung der Auslenkung der Platte 1 versehen sein. Beim Deckel 5a ist ein derartiger Anschlag 5b vorgesehen
Um mit der erfindungsgemässen Kraftmessdose auch Zugkräfte messen zu können, sind entsprechende Krafteinleitungselemente vorzusehen. In Fig. 4 ist eine Variation des Deckels 5 für diesen Zweck dargestellt. Dieser Deckel 5c besitzt einen Zapfen 5d zur Einleitung der Zugkraft P. Bei Verwendung dieses Deckels bei der Kraftmessdose nach Fig. 1 wirkt die dort eingezeichnete Kraft P selbstverständlich in umgekehrter Richtung.
Im Bedarfsfall ist es weiterhin auch möglich, die erfindungsgemässe Kraftmessdose mit wegmessenden Elementen zu bestücken. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt. Hier ist, bei sonst gleicher Ausbildung der Dosen, am Deckel 5 ein auf induktiver Basis arbeitendes Element 14, das mit einem Fühler 15 die Auslenkung der Platte 1 abtastet, angebracht. Eine analoge Verwendung weg messender Elemente anderen Arbeitsprinzips ist selbstverständlich möglich.
Der Einfluss exzentrischer Krafteinleitungen auf das Messergebnis ist bei der erfindungsgemässen Kraftmessdöse sehr gering, da wegen der radialen Symmetrie eine gegebenenfalls grössere Dehnung eines der Messelemente durch eine entsprechende kleinere Dehnung des zugehörigen, symmetrisch zum Zapfen 3 liegenden anderen Messelementes ausgeglichen wird.
Der Einfluss einer Querkraft Q, die eventuell am Zapfen 1 senkrecht zur Achse angreift, ist ebenfalls gering, da sie wegen der geringen Höhe des Zapfens 3 entsprechend einem kleinen Hebelarm Uim wesentlichen nur eine wegen des grossen Platten querschnittes geringe Beanspruchung der Plattenebene hervorruft, während eine gleich grosse Kraft P in Achsrichtung eine sehr viel grössere Biegebeanspruchung bewirkt.