Messdose zur Messung einer Zug oder Druckkraft auf elektrischem Wege
Die Erfindung betrifft eine Messdose zur Messung einer Zug- oder Druckkraft auf elektrischem Wege, mit einem elastisch deformierbaren Messkörper, an welchem zur Dehnungsmessung dienende Streifen angebracht sind, die an eine elektrische Messanordnung anzuschliessende, mit der Dehnung variable, elektrische Widerstände aufweisen. Die Dehnungsstreifen werden im allgemeinen an der Peripherie eines zylindrischen, insbesonders rohrförmigen Körpers, welcher sich durch die Belastung elastisch deformiert, aufgebracht.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass sich in einem solchen Körper eine genau gleichmässige Spannungsverteilung nicht erreichen lässt, indem -der Zug- oder Druckspannung stets eine gewisse Biegebeanspruchung überlagert ist, die davon herrührt, dass die Kraft nie ganz genau in Richtung der geometrischen Axe des Körpers an demselben angreift. Ein Mittelwert der für die Kraftanzeige massgebenden Dehnung kann zwar in bekannter Weise durch Anbringen von Dehnungsstreifen an zwei diametral gegenüberliegenden Mantellinien des zylindrischen, bzw. rohrförmigen Messkörpers ermittelt werden, wobei die Mittelwertbildung auf elektrischem Wege erfolgt.
Dabei wird vorausgesetzt, dass beide Dehnungstreifen gleiche elektrische Eigenschaften auf weisen; da -dies aber in der Praxis nie vollständig zu erreichen ist, wird der angezeigte Mittelwert vom wahren Mittelwert der Dehnung abweichen und zwar umso mehr, je grösser das -überlagerte Biegemoment ist. Die von der elektrischen Messanordnung angezeigte Dehnung bzw. Kraft ist somit von der Grösse des zusätzlichen Biegemomentes, bzw. der Exzentrizität der Kraft abhängig. Sind z. B. die Dehnungen der beiden Mantellinien um 10% verschieden und beträgt der Unter- schied der Empfindlichkeit der Dehnungsstreifen eben falls % so beträgt der Anzeigefehler infolge Biegung 1%.
Bei rohtförmigen Körpern bewirken zudem Biegespannungen zweiter Ordnung eine zusätzliche tonnen- oder reussenähnliche Deformation des Messkörpers, was zu Nichtlinearität und unterschiedlichen Anzeigen für Zug- und Druckkräfte führt.
Die Erfindung bezweckt diese Nachteile zu vermeiden. Die Messdose nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Messkörper mindestens zwei senkrecht zur Angriffslinie der Kraft angeordnete, durch diese Kraft auf Biegung beanspruchte Träger aufweiset, an denen die Dehnungsstreifen angebracht sind. Wie nachfolgend näher erläutert wird, ist es mit einer solchen Messdose möglich, den von der Exzentrizität der Kraft und der unterschiedlichen Empfindlichkeit der Dehnungsstreifen herrührenden Fehler um etwa eine Grössenordnung zu reduzieren, und bei zweckmässiger Ausführung zugleich die Biege- und Torisionsstufigkeit der Messdose selbst zu erhöhen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Messdose, die genau in ihrer ideellen Axe belastet ist
Fig. 2 zeigt die Momentverteilung auf den Trägern;
Fig. 3 zeigt schematisch die gleiche Messdose aber bei stark übertrieben dargestelltem, exzentrischen Angriff der Kraft
Fig. 4 zeigt die der Figur entsprechende Momentenverteilung;
Fig. 5 zeigt die konstruktive Ausbildung einer anderen Messdose in Ansicht;
Fig. 6 ist eine Draufsicht zu Fig. 5;
Fig. 7 zeigt die konstruktive Ausbildung einer Messdose im Schnitt gemäss Linie VII-VII von Fig. 8;
Fig. 8 ist eine Draufsicht zu Fig. 7 und
Fig. 9 ist eine Seitenansicht zu Fig. 7
Der Messkörper der in Fig. 1 dargestellten Messdose besteht aus zwei zur Angriffslinie der zu messenden Kraft P, bzw. der entsprechenden Reaktionskraft P', senkrechten, elastisch deformierbaren Trägern 1 und 2 und aus zwei wesentlich starreren Winkelstücken 3 und 4.
Die Winkelstücke 3, 4 weisen je einen Schenkel 3', 4' auf, in dem je ein Ende eines Trägers 1, 2 fest eingespannt ist, und einen Schenkel 3", 4", an dessen Ende die Kraft P bzw. die Reaktionskraft P' angreift, die im vorliegenden Fall als Druckkraft dar gestellt ist. Unter dem Einfluss der Kräfte P und P' deformieren sich die auf Biegung beanspruchten Träger 1 und 2 entsprechend der elastischen Linse 5 eines beidseitig eingespannten Balkens, wobei in der Zeichnung eine stark übertriebene Verschiebung des Winkelstükkes 3 relativ zu dem Winkelstück 4 dargestellt ist. An den Trägern 1 und 2 sind Dehnungsstreifen 6-9 angebracht. Letztere erfahren entsprechend der positiven oder negativen Dehnung der Stelle des Trägers, auf welcher der Streifen angebracht ist, eine negative oder positive Widerstandsänderung, wie in der Zeichnung durch + und - angedeutet ist.
Die vier Dehnungsstrei- fen sind zu einer Wheatstoneschen Brücke zusammengeschaltet, wobei die positiven, Streifen 7 und 8, und somit auch die negativen Streifen 5 und 6 einander gegenüberliegen. In der einen Brückendiagonalen liegt eine Spannungsquelle und in der anderen Brückendiagonalen ein Voltmeter, das eine der Kraft P proportio- nale Spannung anzeigt. Das Biegemoment M verläuft in den Trägern 1 und 2 so wie in Fig. 2 dargestellt ist.
In Fig. 4 zeigt die Linie a die Gesamtmomentenverteilung und Linie b diejenige auf den Biegeträgern, wenn die Kraft P um einen Abstand a gegenüber der Axe der Anordnung versetzt angreift, wie in Fig. 3 angenommen ist. Das Momentengleichgewicht wird durch ein Zug-Druck-Kräftepaar Z erreicht, welches jedoch auch bei stark exzentrischem Kraftangriff nur sehr kleine zusätzliche Zug- und Druckspannungen in den Biegeträgern 1, 2 erzeugt. Letztere werden durch die paarweise Anordnung der Dehnungsstreifen elektrisch kompensiert. Numerische Berechnungen und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass bei gleicher Exzentrizität der Kraft und gleicher unterschiedlicher Empfindlichkeit der Dehnungsstreifen nur mehr ein Fehler von etwa 1/10 des bei üblichen Messdosen auftretenden Fehlers entsteht.
Zweckmässigerweise werden die beiden Biegeträger 1 und 2, sowie Teile der Winkelstücke 3 und 4 aus einem einzigen Werkstoffstück herausgearbeitet, wie dies bei der Messdose nach Fig. 5 und 6 der Fall ist.
Der Messkörper der Messdose nach Fig. 5 und 6 besteht aus einer rechteckigen, in der Mitte mit einer Ausnehmung 10 versehenen Messplatte 11, zwei Haltern 12 und zwei diese Halter 12 mit der Messplatte 11 starr verbindenden Schrauben 13. Der obere Halter 12 und die zugehörige Schraube 13 sind in der Fig. 6 weggelassen, so dass die in der Messplatte 11 zur Aufnahme dieser Schraube 13 vorgesehene Gewindebohrung 14 sichtbar ist Infolge der zentralen Ausnehmung 11 bildet die Messplatte 11 einen Rahmen, der zwei starre Seiten 3', 4' und zwei auf Biegung beanspruchte relativ biegsame Seiten 1, 2 aufweist, wobei diese den Teilen 1, 2, 3', 4' von Fig. 1 entsprechenden Seiten der Anschaulichkeit halber durch ideelle, punktiert dargestellte Linien voneinander abgegrenzt worden sind.
Jeder Halter 12 besteht aus einer kreisförmigen Platte 15, an welcher ein zentraler Anschluss 16 für die Elemente vorgesehen ist, welche die Kraft P bzw.
die Reaktionskraft P' auf die Messdose übertragen.
Die Halterplatte 15 weist auf ihrer der hochkant auf ihr stehenden Messplatte 11 zugekehrten Seite eine Vertiefung 17 für die Aufnahme der Dehnungsstreifen 6, 8 bzw. 7, 9, sowie der zugehörigen, nicht dargestellten elektrischen Leitungen auf. Auf der ihrer Schraube 13 gegenüberliegenden Seite weist die Halterplatte 15 eine flache Nut 18 auf, welche die Ausbiegung der Träger 1, 2 bzw. der Messplatte 11 gestattet. Durch ideelle, punktiert dargestellte Linien sind Teile 3" und 4" der Halter 12 abgegrenzt, die den ebenso bezeichneten Schenkeln der Winkelstücke 3 und 4 von Fig. 1 entsprechen. Die Halter 12 sind aus herstellungstechnischen Gründen im wesentlichen als Rotationskörper ausgebildet.
Die Messdose nach Fig. 7-9 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 5 und 6 dadurch, dass zwischen den Haltern 12a zwei parallele Messplatten 11a angeordnet sind, die durch je eine Schraube 13a an jedem der Halter 12a befestigt sind. In Fig. 8 ist wiederum der obere Halter 12a mit den zugehörigen Schrauben 13a weggelassen. Jede Halterplatte 15a weist ausser der zentralen Vertiefung 17a zwei flache Nuten 18a auf, welche die Ausbiegung der beiden Messplatten 11a gestattet.,eder Halter 12a ist wieder mit einem zentralen Anschluss 16a versehen.
Die Messplatten 11a weisen auf ihren zur Messkörperaxe parallelen Seiten zwei in gleicher Höhe liegende flache Nuten 19 auf. In die Nuten 19 der einen Platte 11a (links in Fig. 9) sind zwei Anschlagplättchen 20 eingepresst, die je einen Fortsatz 20' aufweisen, der mit Spiel in die entsprechende Nut 19 der anderen Platte 11a (rechts in Fig. 9) eingreift. Das genannte Spiel begrenzt die Ausbiegung der Messplatten 11a auf einen Betrag, der einer vorgegebenen Maximalkraft entspricht, so dass die Messdose vor Überlastung geschützt ist.
Man kann die vier Dehnungsstreifen 6-9 auf verschiedene Weisen auf den beiden Messplatten 11a anordnen. Man kann auf denselben auch acht Dehnungsstreifen anbringen, um zwei Brücken zu bilden, von denen z. B. die eine in der zweiten Diagonalen mit einem Ablese-Messinstrument zum Ablesen der Kraft und die andere mit einem Geber-Messinstrument versehen ist, um irgend eine Vorrichtung in Funktion der gemessenen Kraft zu steuern. Eventuell können auch drei oder mehr Messplatten zwischen den Haltern vorgesehen werden.
Die Messdosen nach Fig. 5 und 6 und besonders nach Fig. 7-9 sind wesentlich biege- und torsionssteifer als bekannte Messdosen.
Die zentrale Ausnehmung 10 der Messplatte ist, wie ersichtlich, aus einer grossen zentralen Bohrung vom Durchmesser D und vier symmetrischen, dieselbe überschneidende kleinere Bohrung von Durchmesser d gebildet. Dies ist herstellungstechnisch sehr einfach und gestattet zudem selbst nach Anbringen der Dehnungsstreifen 6-9 durch weiteres Ausbohren der kleineren Bohrungen die Empfindlichkeit zu erhöhen.
Zur Erzielung eines günstigen Verhältnisses zwischen Biegebeanspruchung und Einfederung der Biegeträger ist die Verwendung eines hochfesten Werkstoffes mit kleinem Elastizitätsmodul zweckmässig. Günstige Bedingungen ergeben sich bei Verwendung von Titanlegierungen.
Load cell for measuring a tensile or compressive force by electrical means
The invention relates to a load cell for measuring a tensile or compressive force by electrical means, with an elastically deformable measuring body on which strips serving for strain measurement are attached, which have electrical resistances variable with the strain and to be connected to an electrical measuring arrangement. The stretch marks are generally applied to the periphery of a cylindrical, in particular tubular body, which is elastically deformed by the load.
Experience has shown that an exactly even distribution of stress cannot be achieved in such a body by always superimposing a certain bending stress on the tensile or compressive stress, which results from the fact that the force is never exactly in the direction of the geometrical axis of the body attacks on the same. An average of the elongation, which is decisive for the force display, can be determined in a known manner by attaching elongation strips to two diametrically opposite surface lines of the cylindrical or tubular measuring body, with the averaging being carried out electrically.
It is assumed that both expansion strips have the same electrical properties; Since this can never be fully achieved in practice, the displayed mean value will deviate from the true mean value of the elongation and the greater the greater the superimposed bending moment. The expansion or force displayed by the electrical measuring arrangement is therefore dependent on the size of the additional bending moment or the eccentricity of the force. Are z. For example, if the expansion of the two surface lines is 10% different and if the difference in the sensitivity of the stretch marks is also%, then the display error due to bending is 1%.
In the case of tubular bodies, bending stresses of the second order also cause an additional barrel-like or reussen-like deformation of the measuring body, which leads to non-linearity and different displays for tensile and compressive forces.
The invention aims to avoid these disadvantages. The load cell according to the invention is characterized in that the measuring body has at least two supports, which are arranged perpendicular to the line of application of the force and subject to bending stressed by this force, on which the stretch marks are attached. As will be explained in more detail below, with such a load cell it is possible to reduce the error resulting from the eccentricity of the force and the different sensitivity of the stretch marks by about an order of magnitude, and, if properly designed, at the same time increase the bending and torsion levels of the load cell itself .
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawing.
Fig. 1 shows schematically a load cell, which is loaded exactly in its ideal axis
Fig. 2 shows the moment distribution on the beams;
Fig. 3 shows schematically the same load cell, but with a strongly exaggerated, eccentric application of the force
4 shows the torque distribution corresponding to the figure;
Fig. 5 shows the structural design of another load cell in view;
Fig. 6 is a plan view of Fig. 5;
FIG. 7 shows the structural design of a load cell in section along line VII-VII of FIG. 8;
Fig. 8 is a plan view of Figs. 7 and 7
FIG. 9 is a side view of FIG. 7
The measuring body of the load cell shown in FIG. 1 consists of two elastically deformable supports 1 and 2 perpendicular to the line of attack of the force P to be measured, or the corresponding reaction force P ', and of two substantially more rigid angle pieces 3 and 4.
The angle pieces 3, 4 each have a leg 3 ', 4', in which one end of a carrier 1, 2 is firmly clamped, and a leg 3 ", 4", at the end of which the force P and the reaction force P respectively 'attacks, which is presented as a pressure force in the present case. Under the influence of the forces P and P ', the bending stressed beams 1 and 2 deform in accordance with the elastic lens 5 of a beam clamped on both sides, the drawing showing a greatly exaggerated displacement of the angle piece 3 relative to the angle piece 4. Stretch marks 6-9 are attached to straps 1 and 2. The latter experience a negative or positive change in resistance according to the positive or negative expansion of the point on the carrier on which the strip is attached, as indicated in the drawing by + and -.
The four expansion strips are interconnected to form a Wheatstone bridge, the positive strips 7 and 8, and thus also the negative strips 5 and 6, being opposite one another. In one bridge diagonal there is a voltage source and in the other bridge diagonal there is a voltmeter which shows a voltage proportional to the force P. The bending moment M runs in the carriers 1 and 2 as shown in FIG.
In FIG. 4, line a shows the total torque distribution and line b that on the bending beams when the force P acts offset by a distance a relative to the axis of the arrangement, as is assumed in FIG. The moment equilibrium is achieved by a tension-compression force couple Z, which, however, generates only very small additional tensile and compressive stresses in the flexural members 1, 2 even with a strongly eccentric application of force. The latter are electrically compensated for by arranging the stretch marks in pairs. Numerical calculations and experimental investigations show that with the same eccentricity of the force and the same different sensitivity of the stretch marks, there is only an error of about 1/10 of the error that occurs with conventional load cells.
The two bending beams 1 and 2 as well as parts of the angle pieces 3 and 4 are expediently machined from a single piece of material, as is the case with the load cell according to FIGS. 5 and 6.
The measuring body of the measuring cell according to FIGS. 5 and 6 consists of a rectangular measuring plate 11 provided with a recess 10 in the middle, two holders 12 and two screws 13 rigidly connecting these holders 12 to the measuring plate 11. The upper holder 12 and the associated one Screws 13 are omitted in FIG. 6, so that the threaded hole 14 provided in the measuring plate 11 for receiving this screw 13 is visible. As a result of the central recess 11, the measuring plate 11 forms a frame that has two rigid sides 3 ', 4' and two has relatively flexible sides 1, 2 stressed in bending, these sides corresponding to parts 1, 2, 3 ', 4' of FIG. 1 being delimited from one another by ideal, dotted lines for the sake of clarity.
Each holder 12 consists of a circular plate 15 on which a central connection 16 is provided for the elements which the force P or
transfer the reaction force P 'to the load cell.
On its side facing the measuring plate 11 standing upright on it, the holder plate 15 has a recess 17 for receiving the stretch marks 6, 8 or 7, 9, as well as the associated electrical lines, not shown. On the side opposite its screw 13, the holder plate 15 has a shallow groove 18 which allows the supports 1, 2 or the measuring plate 11 to bend out. Parts 3 ″ and 4 ″ of the holder 12, which correspond to the legs of the angle pieces 3 and 4 of FIG. 1, which are also designated, are delimited by ideal, dotted lines. For manufacturing reasons, the holders 12 are essentially designed as rotational bodies.
The load cell according to FIGS. 7-9 differs from that according to FIGS. 5 and 6 in that two parallel measuring plates 11a are arranged between the holders 12a, each of which is attached to each of the holders 12a by a screw 13a. In FIG. 8, the upper holder 12a with the associated screws 13a is again omitted. In addition to the central recess 17a, each holder plate 15a has two shallow grooves 18a, which allow the two measuring plates 11a to bend out. Each holder 12a is again provided with a central connection 16a.
The measuring plates 11a have two flat grooves 19 at the same height on their sides parallel to the axis of the measuring body. Two stop plates 20 are pressed into the grooves 19 of one plate 11a (on the left in FIG. 9), each having an extension 20 'which engages with play in the corresponding groove 19 of the other plate 11a (on the right in FIG. 9). Said play limits the deflection of the measuring plates 11a to an amount that corresponds to a predetermined maximum force, so that the load cell is protected from overload.
The four stretch marks 6-9 can be arranged in different ways on the two measuring plates 11a. You can also apply eight stretch marks on the same to form two bridges, of which z. B. one in the second diagonal is provided with a reading measuring instrument for reading off the force and the other with a transmitter measuring instrument in order to control any device as a function of the measured force. Three or more measuring plates can possibly also be provided between the holders.
The load cells according to FIGS. 5 and 6 and especially according to FIGS. 7-9 are much more rigid and torsion-resistant than known load cells.
As can be seen, the central recess 10 of the measuring plate is formed from a large central bore with a diameter D and four symmetrical, smaller, intersecting bores with a diameter d. This is very simple in terms of production technology and also allows the sensitivity to be increased even after the stretch marks 6-9 have been applied by further drilling out the smaller holes.
To achieve a favorable relationship between the bending stress and the deflection of the bending beams, it is advisable to use a high-strength material with a low modulus of elasticity. Favorable conditions arise when using titanium alloys.