Vorrichtung für Kraftmessungen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für Kraftmessungen, mit einem rotationssymmetrischen Verformungselement, bestehend aus einem Hohlkörper mit in Kraftwirkungsrichtung verlaufender Mittelachse und Kraftübertagung an seinen beiden axialen Enden.
Bei derartigen Vorrichtungen wird die unter der Kraftwirkung eintretende Verformung des Verformungselementes als Mass für die zu messende Kraft herangezogen. Zu diesem Zweck sind meistens die Verformungselemente mit Widerstandswicklungen, Dehungsmessstreifen, Halbleiterdehnelementen oder anderen Messelementen, bei denen ein elektrisch leitfähiges Material unter dem Einfluss einer durch die Verformung hervorgerufenen Materialspannungs änderung seine elektrische Leitfähigkeit ändert, versehen. Meist sind zwei oder ein geradzahliges Vielfaches solcher Messelemente vorgesehen und so auf dem Verformungselement aufgebracht, dass bei der Verformung unter Kraftwirkung das eine Element bzw. die eine Gruppe von Elementen gedehnt und das andere bzw. die anderen gestaucht werden.
In einer Messbrückenschaltung wird sodann die durch die Verformung hervorgerufene Widerstandsänderung in den einzelnen Elementen in bekannter Art ausgewertet und das Auswerteergebnis in Form entsprechender elektrischer Signale weiter verwertet.
Bei Verformungselementen, die als auf Zug oder Druck beanspruchte Körper ausgebildet sind, wird mit dem einen Messelement bzw. der einen Gruppe von Elementen die Verlängerung bzw. Verkürzung des Verformungselementes, mit dem/der anderen hingegen die Verjüngung bzw. Verdickung des Verformungselementes erfasst. Da jedoch unter der gleichen Kraftwirkung die Längenänderung des Verformungselements grösser ist als die Dickenänderung, erfolgt die Verstimmung der Messbrücke nicht symmetrisch. Weiterhin kann der optimale Messeffekt nur in der Kraftwirkungsrichtung, nicht jedoch quer dazu ausgenutzt werden.
Bie anderen bekannten Vorrichtungen werden die Verformungselemente unter der Kraftwirkung auf Biegung beansprucht; zwar ist es hierbei möglich, die Messelemente an Stellen gleich grosser Verformung aufzubringen, so dass es auch möglich ist, das Optimum des Effektes auszunutzen, jedoch bereits derartige Vorrichtungen Schwierigkeiten bezüglich der gleichmässigen Wärmeverteilung sowohl bei Eigenerwärmung als auch bei Wärmeeinflüssen von aussen, die zum Teil von konstruktiv bedingten, verschieden langen Wärmeleitwegen zu den einzelnen Messelementen, zum Teil aber auch von einer ungleichmässigen Massenverteilung oberhalb und unterhalb der sogenannten neutralen Faser herrühren.
Bekanntlich wird ein auf Biegung beanspruchtes Verformungselement zum Teil gestaucht, zum Teil gedehnt. Zwischen diesen beiden Zonen liegt eine Zone, die weder einer Stauchung noch einer Dehnung unterliegt; diese wird in der Regel als neutrale Faser bezeichnet. Erfolgt nun die Krafteinleitung in ein derartiges Verformungselement ausserhalb der neutralen Faser, so kommt als weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen hinzu, dass der Messeffekt in der Stauchungszone nicht im Betrag gleich dem Messeffekt in der Dehungszone ist, wodurch ein nichtlinearer Messkurvenverlauf bedingt ist.
Da es bei den bekannten Ausführungsformen nicht möglich ist, für den gesamten Messbereich die Krafteinleitung in der neutralen Faser zu halten, kann eine absolut lineare Kennlinie nicht erreicht werden, sondern es muss durch mehr oder weniger grossen Aufwand einel mehr oder weniger gute Annäherung an die ideale lineare Kennlinie durch eine um diese herum sinusförmig schwankende Kennlinie angestrebt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einem Verformungselement zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht besitzt, symmetrisch aufgebaut ist, um eine gleichmässige Wärmeverteilung zu ermöglichen, und eine über das ganze Verformungselement hinweg gleich grosse Verformung erleidet, um die Ausnutzung des optimalen Messeffektes zu gewährleisten und eine kontinuierliche und lineare Messkennlinie zu erreichen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Hohlkörper an den beiden Enden mit Kraftübertragungsgliedern versehen ist, die mit einander entgegengesetzt verlaufender Steigung schräg zur Körperwandung, das eine innerhalb der verlängert gedachten Körperwandung, das andere ausserhalb, verlaufen und an ihren jeweils freien Enden einen in Kraftwirkungsrichtung beweglich geführten Kraftaufnahme- bzw. -abgabeteil besitzen. Bei dieser Ausbildung wird unter der Kraftwirkung eine gleichmässige Verformung des Hohlkörpers erreicht, so dass er in seiner ganzen Höhe eine gleiche Vergrösserung oder Verkleinerung seines Durchmessers erfährt. Die an der Hohlkörperwandung angebrachten Messelemente erfahren also alle die gleiche Verformung und können somit alle zugleich im optimalen Verformungsbereich betrieben werden.
Vorteilhaft können jeweils zwei Verformungselemente spiegelbildlich zu einer senkrecht zur Richtung der zu messenden Kraft verlaufenden Ebene angeordnet und mechanisch einander parallel geschaltet werden. Es können aber auch vorteilhaft zwei Verformungselemente derart mechanisch in Reihe geschaltet werden, dass ein Kraftübertragungsglied des einen Verformungselementes in ein Kraftübertragungsgleid des anderen, einen grösseren Durchmesser als das erstgenannte Verformungselement besitzenden Verformungselementes ohne Richtungswechsel übergeht. In beiden Fällen erfährt jeweils das eine Verformungselement eine Durchmesserverringerung und das andere eine Durchmesservergrösserung, so dass die auf beiden angebrachten Messelemente in der bekannten Weise in einer Messbrückenschaltung elektrisch zusammengefügt werden können.
Es ist sowohl möglich, die Kraft und die Gegenkraft jeweils direkt auf dem Kraftaufnahme- bzw.
-abgabeteil der Kraftübertragungsglieder wirken zu lassen, als auch einen elastisch verformbaren Körper zwischen Kraft und Kraftausuahme- bzw. -abgabeteil zu schalten. Im letzteren Fall ist es vorteilhaft, das bzw. die Verformungselemente gegen den elastisch verformbaren Körper und entgegen der Kraftwirkungsrichtung vorzuspannen. Besonders zweckmässig ist eine Vorspannung etwa mit der Hälfte der maximal zulässigen zu messenden Kraft, so dass bei einer Belastung bis zur Hälfte der maximal zulässigen Kraft zunächst eine Entlastung des Verformungselementes bis zur Erreichung des mechanischen Nullpunktes und sodann bei Weitersteigen der Kraft bis zur maximal zulässigen Kraft eine Belastung des Verformungselementes in entgegengesetzter Richtung eintritt.
Auf diese Weise kann, allerdings unter Vernachlässigung der exakten Linearität, eine für viele Zwecke vorteilhafte doppelte Ausgansleistung erzielt werden.
Ferner können zweckmässig eine tÇberlastsiche- rung, zur Kalibrierung eine der Kraftwirkung entgegengerichtete einstell- und vorzugsweise auswechselbare Feder und oder Öffnungen, die eine allseitig gleichmässige Druckbeaufschlagung des oder der Verformungglieder gewährleisten, vorgesehen sein.
Bei einer Messvorrichtung spricht man von einem liearen Kennlinienverlauf dann, wenn die Kennlinie geradlinig verläuft und sich die bei Belastung aufgenommene Messkennlinie mit der bei Entlastung aufgenommenen deckt. Zufolge der Hysterese ist dies normalerweise nicht der Fall. Vorteilhaft können daher ein oder mehrere Verspannelemente vorgesehen sein, mit deren Hilfe zwei spiegelbildlich zueinander angeordnete Verformungselemente in einstellbarem Mass, jedes für sich oder beide gegeneinander, vorgespannt werden können. Dadurch kann in den Verformungselementen eine innere Spannung erzeugt und in ihrer Grösse so eingestellt werden, dass bei den Verformungselementen eine gewünschte, möglichst eine geringe Hysterese auftritt.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Kupferberrylium als Material für die Verformungselemente.
In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 in Prinzipdarstellung, im Schnitt gezeichnet, ein einzelnes Verformungselement mit Kraft übertragungsgliedern,
Fig. 2 in Schnittdarstellung eine erfinungsgemässe Vorrichtung mit zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten Verformungselementen,
Fig. 3 in Schnittdarstellung eine Ausführungsform mit zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten Verformungselementen und Massnahmen zur Erzeugung einer gemeinsamen Vorspannung der Verformungselemente,
Fig. 4 in Schnittdarstellung zwei mechanisch in Reihe geschaltete Verformungselemente und
Fig. 5 in Schnittdarstellung eine Ausführungsform mit zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten Verformungselementen und einstellbaren Mitteln zum Erzeugen einer inneren Vorspannung in den Verformungselementen.
Das Verformungselement gemäss Fig. 1 besteht aus einem kurzen rotationssymmetrischen Hohlkörper 1, das an beiden Enden in entgegengesetzt gerichtete kegelige Kraftübertragungsrohrans ätze 2 und 3 übergeht, die ihrerseits wiederum Einspannflächen 4 und 5 besitzen. Der kurze Hohlkörper 1 trägt Messwicklungen 6. Das Verformungselement 1 ist mit der Einspannfläche 5 ortsfest eingespannt und wird über die Einspannfläche 4 in Richtung des Pfeiles P geführt belastet. Damit wird die Kraft über die kegeligen Kraftübertragungsrohransätze 2 und 3 so auf den kurzen Hohlkörper 1 übertragen, dass der Durchmesser desselben parallel verkleinert wird. Bei einer Belastung entgegen der Pfeilrichtung wird der Durchmesser des Hohlkörpers 1 hingegen vergrössert.
Verwendet man bei einer Vorrichtung jeweils paarweise derartige Verformungselemente, von denen das eine durch die Kraft im Sinn einer Durchmesserverringerung, das andere hingegen durch die Kraft im Sinn einer Durchmesservergrösserung verformt wird, so erhält man in der Zusammenschaltung der auf den beiden rotationssymmetrischen Hohlkörpern angebrachten Messelemente (Messwicklungen, Dehnungsmessstreifen usw.) eine lineare Messkennlinie.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform mit einem derartigen Verformungselementenpaar 7, 8 sind zwei Verformungselemente gemäss Fig. 1 spiegelbildlich zu einer senkrecht zur Kraftwirkungsrichtung verlaufenden Ebene angeordnet, mit ihren Einspannflächen 5 zwischen den Gehäuseteilen 9 und 10 fest eingespannt und mit den Einspannflächen 4 unter Zwischenschaltung eines Ringes 11 fest mit einem Ring 12 und einem Druckstück 13 verbunden. Bei Kraftwirkung in Richtung des Pfeiles P über die Kugel 14 und die Druckplatte 15 auf das Druckstück 13 wird, wie bei Fig. 1 beschrieben, das Rohrstück 7 und damit die auf diesem angebrachten Wicklungen 6/1 gestaucht und das Rohrstück 8 und damit die auf diesem angebrachten Wicklungen 6/2 gedehnt. Membranen 6/1 und 16/2 bilden einen Abschluss nach aussen.
Eine Öffnung 17 im Gehäuse ermöglicht über das Gewinde des Bodenteiles 18 einen Druckausgleich im Gehäuse, so dass die beiden Verformungselemente 7 und 8 allseitig mit gleichem atmosphärischem Druck beaufschlagt werden und dadurch Messfehler bei Druckänderungen ausgeschaltet werden. Das Bodenteil 18 verschliesst die Vorrichtung einstellbar von unten und wirkt bei entsprechender Einstellung gleichzeitig in Verbindung mit der Druckplatte 13 als Überlast- sicherung, da die Druckplatte 13 bei Überschreiten der voreingestellten Last über den Boden 18 einen Kraftnebenschluss herstellt, wodurch eine Zerströrung der Verformungselemente 7, 8 ausgeschlossen wird.
Weiterhin nimmt das Bodenteil 18 eine Einstellschraube 19 auf, mit welcher eine auswechselbare Feder 20 vorgespannt werden kann. Dadurch wird eine Kalibrierung der Vorrichtung ermöglicht.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verformungselemente 7 und 8 in der in Fig. 2 bereits beschriebenen Weise zueinander angeordnet, sie sind mit ihren Einspannflächen 5 mit dem Gehäuse 21 durch Einschrumpfen einer Lastmembran 22 fest verbunden. Mit den Einspannflächen 4 sind sie über die Schrumpfringe 23/1 und 23/2 mit einem Druckstück 24 fest verbunden. Die Lastmembran 22 trägt in der Mitte einen Gewindebolzen 25, mit dem eine mit dem Druckstück 24 verbundene Mutter 26 zusammenwirkt. Mit Hilfe dieser Anordnung können die beiden Verformungselemente 7 und 8 entgegen der Kraftwirkungsrichtung und gegen die zwischen Druckstück 24 und der Lastmembran 22 angeordnete Feder 28 vorgespannt werden.
Der einstellbare Boden 27 verschliesst wiederum die Vorrichtung nach unten und dient gleichzeitig in der bei Fig. 2 beschriebenen Weise als Über- lastsicherung im Zusammenwirken mit dem Bolzen 25. Da durch Wahl einer geeigneten Übersetzung, bedingt durch die Spannweiten der Lastmembran 22 und die Winkel der Kraftübertragungsrohransätze 2 und 3, der Verformungsgrad der Hohlkörper 1 in weitem Rahmen eingestellt werden kann, wird bei gleicher Materialbeanspruchung der roatationssymmetrischen Hohlkörper 1 die doppelte Ausgangsleistung erzielt, wenn die Vorspannung entgegen der Kraftwirkung um die halbe maxiamal zulässige Kraft erfolgt.
Bei Belastung der Lastmembran 22 durch die Kraft werden die Verformungselemente 7 und 8 zunächst bis zum Erreichen des mechanischen Nullpunktes (spannungsfreier Zustand) entlastet, um sodann bei weiterer Belastung der Membran 22 über das elastische Glied 28 wieder belastet zu werden.
Diese Massnahme hat zwar den Verlust der linearen Kennlinie zur Folge, bringt jedoch anderseits den Vorteil mit sich, dass eine Ausgangsleistung von dem doppelten Betrag gegenüber einer nicht vorgespannten Ausführung erzielt wird, was für viele Anwendungszwecke von grosser Wichtigkeit ist.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei erfindungsgemässe Verformungselemente mechanisch in Reihe geschaltet, indem die einander zugewandten Kraftübertragungsglieder der zylindrischen Rohrstücke 29 und 30 zum Kraft übertragungsteil 31 zusammengefasst sind. Die anderen Kraftübertragungsglieder 32 und 33 der Rohrstücke 29 und 30 sind in der bereits bei den vorherigen Ausführungsbeispielen beschriebenen Form mit Einspannflächen 34 und 35 versehen. Bei ortsfester Einspannung der Einspannfläche 35 und in Richtung des Pfeiles P geführter Belastung der Einspannfläche 34 wird der Durchmesser des zylindrischen Rohrstückes 29 parallel verkleinert und der Durchmesser des Rohrstückes 30 parallel vergrössert.
Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform besitzt im wesentlichen die gleiche spiegelbildliche Anordnung der Verformungselemente 7, 8 wie bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2. Jedoch sind anstelle der dortigen Einspannflächen 4, 5 mit den zugehörigen Einspannmitteln als Kraftaufnahme bzw. -abgabeteile auf der einen Seite Körper 36 und 37 vorgesehen, die gegeneinander von Verspannelementen, die im dargestellten Beispiel durch eine Einstellschraube 38 verkörpert werden, in einstellbarem Mass verspannbar sind. Dadurch können die Verformungselemente 7, 8 so gegeneider verspannt werden, dass sie diejenige Vorspannung erhalten, bei der sie die gewünschte, vorzugsweise geringste, Hysterese besitzen.
Bei den in Fig. 2 bis 5 dargestellten Ausführungsformen mit paarweise verwendeten Verformungsgliedern kann der Vorteil einer gleich grossen Verformung der in ihrem Durchmesser verringerten bzw. vergrösserten Verformungselemente und damit verbunden eine Symmetrie der Messbrückenschaltung und hohe Nullpunktsstabilität erreicht werden. Weiterhin erfolgt die Leitung der Kraft an die Stellen optimaler Verformung so, dass eine kontinuierliche Messkurve entsteht und Unregelmässigkeiten durch Materialverformungen an den Einspannflächen vermieden werden.