Kraftmessdose mit Mess-Streifen von dehnungsabhängigem, elektrischen Widerstand
Die Erfindung betrifft eine Kraftmessdose mit Mess Streifen von dehnungsabhängigem, elektrischen Widerstand, die an einem elastisch deformierbaren Messkörper der Messdose angebracht und zum Anschluss an eine elektrische Messanordnung bestimmt sind, um durch Messung der Widerstandsänderung der Streifen die am Messkörper angreifende Kraft zu bestimmen.
Bis jetzt hat man bei derartigen Messdosen meistens auf Zug- oder Druck beanspruchte Messkörper benutzt.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, Messkörper zu benützen, die auf Biegung beanspruchte Teile aufweisen. Die vorliegende Erfindung bezweckt, mit besonders kleinen, einfach herstellbaren Messdosen sehr gros se Kräfte messen zu können.
Die Messdose nach der Erfindung zeichnet sich hierzu dadurch aus, dass der Messkörper einen Ring aufweist, der zwischen zwei Haltern angeordnet und mit denselben fest verbunden ist, dass die zu messende Kraft und ihre Reaktionskraft von den Haltern verteilt und auf mehrere Stellen des Ringes übertragen werden, und dass die Mess-Streifen im Bereiche von Stellen kleinsten Ringquerschnittes unter 450 zur Richtung der an diesen Stellen herrschenden, grössten Schubspannungen angebracht sind.
In der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und eine Variante dargestellt.
Es ist:
Fig. 1 eine Ansicht des Messkörpers einer Messdose;
Fig. 2 eine Draufsicht zu Fig. 1 bei Wegnahme des oberen Halters;
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Variante eines im Messkörper enthaltenen Ringes :
Fig. 4 einen Schnitt gemäss Linie IV-IV von Fig. 3; und
Fig. 5 eine sehr stark schematisierte Darstellung einer Abwicklung des Ringes.
Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Messkörper einer Kraftmessdose weist einen Ring 1 auf, der zwischen zwei flanschförmigen Haltern 2 angeordnet und durch Schrauben 3 fest mit denselben verbunden ist. Der Ring 1 weist n = 8 gleichmässig längs seines Umfanges verteilte, axiale Gewindebohrungen 4 auf. Die beiden einander gleichen Halter 2 sind um 450 gegeneinander versetzt und mit je n/2 = 4 glatten, axialen Bohrungen 5 versehen, durch welche vier Schrauben 3 hindurchgehen, die in die entsprechenden Gewindebohrungen 4 eingeschraubt sind. Der Halter 2 weist innen eine ebene Stirnseite 6 auf, die im Bereich der vier Bohrungen 5 mit Vorsprüngen 7 versehen ist, die an der betreffenden Stirnseite 8 des Ringes 1 anliegen. Aus seiner äusseren Stirnseite 9 ist der Halter 2 mit einem zentralen Anschluss 10 versehen, der die zu messende Kraft P, bzw.
die entsprechende Reaktionskraft P', auf den Messkörper 1-3 überträgt. Obwohl P in Fig. 1 als Druckkraft dargestellt ist, kann es sich ebensogut um eine Zugkraft handeln. Der Anschluss 10 kann z.B. ein nicht dargestelltes Aussengewinde aufweisen.
Der Ring 1 ist innen durch eine Kreiszylinderfläche 11 begrenzt, während er aussen acht konkave Zylindersektorflächen 12 aufweist; infolgedessen hat der Ring 1 an den in der Mitte zwischen den Gewindebohrungen 4 liegenden Stellen m den kleinsten Querschnitt.
Denkt man sich den Ring 1 aufgeschnitten und abgewickelt, so entspricht er einem Träger, der oben mit vier äquidistanten Kräften P/4 belastet ist und unten durch vier entsprechende äquidistante Reaktionskräfte P'/4 gestützt wird, die je in der Mitte zwischen zwei der Kräfte P/4 angreifen. Wegen des grossen Widerstandsmomentes des (variablen) Querschnittes des Trägers 1 ist dessen Biegungsdeformation sehr klein. Da der Querschnitt des Trägers I an den Stellen m am kleinsten ist, hat dort die durch die Kräfte P/4 und P'/4 im Träger 1 hervorgerufene Schubspannung ihren grössten Wert. An diesen Stellen m werden nun Dehnungsmess Streifen (kurz Dehnungsstreifen ) 13 und 14 angebracht, und zwar in Richtung der Normalspannungen, die bekanntlich unter 450 zu den Schubspannungen verlaufen. Die Dehnungsstreifen 13 und 14 erfahren dabei entgegengesetzte Widerstandsänderungen.
Die Dehnungsstreifen 13 und 14 sind in bekannter Weise in einer Wheatstonischen Brücke zusammengeschaltet, mit welcher die Widerstandsänderungen und damit die Kraft P gemessen werden.
Der als Variante in Fig. 3 und 4 dargestellte Ring Ia ist aussen und innen durch je eine Kreiszylinderfläche 11 bzw. 15 begrenzt. In der Mitte rn zwischen je zwei Gewindebohrungen 4 ist der Querschnitt des Ringes Ia dadurch verringert, dass von dessen Aussenseite Nischen 16 in demselben ausgespart sind, wobei die Dehnungsstreifen 13, 14 je auf einer Rückwand 17 der Nische 16 angebracht sind. Da die Rückwand 17 im Verhältnis zum übrigen Ring dünn ist, ist daselbst die Schubspannung am grössten und daher auch die Widerstandsänderung der Dehnungsstreifen 13 und 14.
In den Fig. 1-4 sind nur an einigen der Stellen m der Ringe 1, bzw. Ia, Dehnungsstreifen 13 und 14 dargestellt; man kann aber selbstverständlich an jeder Stelle m solche Streifen anbringen, und zwar sowohl auf der Innen- als auf der Aussenseite des Ringes.
Die Kraftmessdose kann selbstverständlich mit einem den Messkörper 1-3 umschliessenden, nicht dargestellten Gehäuse versehen sein, das z.B. mit Schrauben am Umfang eines der Halter 2 befestigt sein kann. Kraftmessdosen der dargestellten Art eignen sich vorzüglich zur Messung von grossen Kräften, z.B. bis 40, 60 oder 100 Mp.
Load cell with measuring strips of strain-dependent electrical resistance
The invention relates to a load cell with measuring strips of strain-dependent electrical resistance, which are attached to an elastically deformable measuring body of the measuring cell and are intended for connection to an electrical measuring arrangement in order to determine the force acting on the measuring body by measuring the change in resistance of the strips.
Up to now, measuring bodies which are subjected to tensile or compressive stress have mostly been used in such measuring cells.
It has also been proposed to use measuring bodies which have parts subject to bending. The aim of the present invention is to be able to measure very large forces with particularly small, easily manufactured load cells.
The load cell according to the invention is characterized in that the measuring body has a ring which is arranged between two holders and firmly connected to them, so that the force to be measured and its reaction force are distributed by the holders and transmitted to several points on the ring , and that the measuring strips are attached in the area of points with the smallest ring cross-section below 450 to the direction of the greatest shear stresses prevailing at these points.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention and a variant are shown in the drawing.
It is:
1 shows a view of the measuring body of a load cell;
FIG. 2 shows a plan view of FIG. 1 when the upper holder is removed;
3 shows a plan view of a variant of a ring contained in the measuring body:
FIG. 4 shows a section along line IV-IV of FIG. 3; and
5 shows a very highly schematic illustration of a development of the ring.
The measuring body of a load cell shown in FIGS. 1 and 2 has a ring 1 which is arranged between two flange-shaped holders 2 and is firmly connected to the same by screws 3. The ring 1 has n = 8 axial threaded bores 4 evenly distributed along its circumference. The two identical holders 2 are offset from one another by 450 and are each provided with n / 2 = 4 smooth, axial bores 5 through which four screws 3 pass, which are screwed into the corresponding threaded bores 4. The holder 2 has a flat end face 6 on the inside, which is provided with projections 7 in the area of the four bores 5, said projections resting against the relevant end face 8 of the ring 1. From its outer end face 9, the holder 2 is provided with a central connection 10, which the force P to be measured resp.
the corresponding reaction force P 'is transmitted to the measuring body 1-3. Although P is shown as a compressive force in FIG. 1, it could just as well be a tensile force. The connection 10 can e.g. have an external thread, not shown.
The ring 1 is delimited on the inside by a circular cylindrical surface 11, while on the outside it has eight concave cylindrical sector surfaces 12; As a result, the ring 1 has the smallest cross section at the points m located in the middle between the threaded bores 4.
If you think of the ring 1 cut open and unwound, then it corresponds to a carrier that is loaded with four equidistant forces P / 4 at the top and is supported at the bottom by four corresponding equidistant reaction forces P '/ 4, each in the middle between two of the forces Attack P / 4. Because of the large section modulus of the (variable) cross section of the beam 1, its bending deformation is very small. Since the cross section of the beam I is smallest at the points m, the shear stress caused by the forces P / 4 and P '/ 4 in the beam 1 has its greatest value there. At these points m, strain gauges 13 and 14 are now attached, specifically in the direction of the normal stresses, which are known to run below 450 to the shear stresses. The stretch marks 13 and 14 experience opposite changes in resistance.
The stretch marks 13 and 14 are connected together in a known manner in a Wheatstone bridge, with which the changes in resistance and thus the force P are measured.
The ring Ia shown as a variant in FIGS. 3 and 4 is delimited on the outside and inside by a circular cylindrical surface 11 and 15, respectively. In the middle between two threaded bores 4, the cross-section of the ring 1a is reduced in that niches 16 are recessed in it from the outside thereof, the expansion strips 13, 14 each being attached to a rear wall 17 of the niche 16. Since the rear wall 17 is thin in relation to the rest of the ring, the shear stress is greatest there and therefore also the change in resistance of the stretch marks 13 and 14.
In FIGS. 1-4, stretch marks 13 and 14 are shown only at some of the points m of the rings 1 or Ia; but you can of course apply such strips at any point m, both on the inside and on the outside of the ring.
The load cell can of course be provided with a housing (not shown) which encloses the measuring body 1-3 and which e.g. one of the holders 2 can be fastened with screws on the circumference. Load cells of the type shown are particularly suitable for measuring large forces, e.g. up to 40, 60 or 100 Mp.