BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraftmessung mittels einer Messfeder als Messelement, sowie eine Vorrichtung und deren Verwendung.
Zur Messung und kontinuierlichen Überwachung der Fadenzugkraft am laufenden Faden sind mechanische, optische und optomechanische Verfahren bekannt (Chemiefasern/Textilindustrie 35 (1985) S. 779). Mechanische Verfahren sind in der Regel zu träge, um Abweichungen bei der kontinuierlichen Überwachung eines schnellaufenden Fadens zu registrieren. Optische Verfahren sind in ihrer Anzeige sehr schnell, haben jedoch den grossen Nachteil, dass sie sehr schmutzempfindlich sind. Dadurch muss eine Lichtquelle laufend nachgesteuert werden, bis die Grenze der Verschmutzung des optischen Messkopfes überschritten ist und jede Regelung aufhört.
Bei allen bekannten Geräten muss ausserdem eine Nachjustierung des Nullpunktes vorgenommen werden, was meist mittels Justierschrauben erfolgt.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Messgeber ist darin zu sehen, dass beispielsweise bei Messgeber im Bereich unter 100 cN maximal auftretende Spannungsspitzen bereits zu Überlastschäden mit teuren Reparaturen führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur raschen und kontinuierlichen Messung von Spannungsspitzen, die bei einem laufenden Faden auftreten, zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Messgerät zu Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, welches präzise, messgenau, einfach und wirtschaftlich herzustellen ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Messung einer Kraft über die Durchbiegung einer Messfeder induktiv erfolgt.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Messverfahrens gegenüber bekannten Verfahren sind darin zu sehen, dass eine sehr einfache Messgeberkonstruktion mit einer hohen Eigenfrequenz gefunden wurde und dass Überlastungen, wie sie bei Messungen auftreten, nicht zur Zerstörung des Messgebers führen.
Gemäss Anspruch 2 besteht die Messfeder aus einer spannungsfreien Federstahlplatte. Diese ist so gestaltet, dass eine hohe Eigenfrequenz erzielt wird. Die spannungsfreie Federstahlplatte hat den Vorteil, dass sie praktisch hysteresefrei und unzerstörbar ist. Durch die Hysteresefreiheit ist die Messung reproduzierbar, ohne dass der Nullpunkt verschoben wird.
Es ist zweckmässig, die Federstahlplatte, gemäss Anspruch 3, aus einem axialsymmetrischen bewegbaren Masseteil und einem axialsymmetrischen fixierbaren Masseteil zu fertigen.
Die Gestaltung des beweglichen Masseteils ist derart, dass ein Masseausgleich gewährleistet ist, so dass bei einer Bewegung des Messgebers im Raum keine Nullpunktabweichung erfolgt. Die Herstellung der Feder ist einfach und wirtschaftlich.
Gemäss Anspruch 4 sind innere Aussparungen im fixierbaren Masseteil angebracht. Diese Aussparungen dienen zur Bildung eines senkrecht zur Bildebene bewegbaren Drehgelenkes im Bereich der vier Aussparungen. Die äusseren Aussparungen sind zur Befestigung am Messgeber vorgesehen.
Die Federstahlplatte ist auf minimale Masse bei maximaler Steifheit der bewegbaren Teile ausgelegt. Um einen infolge der Durchbiegung der beweglichen Teile der Messfeder unter dem Schwerefeld entstehenden Nullpunktfehler beim Umdrehen des Messgebers um 180 Grad zu vermeiden, ist es zweckmässig, gemäss Anspruch 5, am Ende des bewegbaren Masseteils der Federstahlplatte eine Zusatzmasse zur Erfassung der Bewegung unter der Fadenzugkraft anzubringen. Die Gestaltung der Konturen des beweglichen Teiles kann so gewählt werden, dass ein Nullpunktfehler gerade kompensiert wird.
Die Federstahlplatte ist, gemäss Anspruch 6, bevorzugt bei hohen Fadengeschwindigkeiten mit schnell wechselnden Spannunsspitzen für einen Messbereich von 10 bis 500 cN, insbesondere von 10 bis 100 cN und besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 20 cN geeignet. Für diese Messbereiche ist es zweckmässig, die Dicke der Federstahlplatte im Bereich von 0,5 bis 1,5 mm zu wählen. Das hat den Vorteil, dass für kleine Messbereiche bereits eine starre und robuste Feder vorliegt, welche eine höhere Eigenfrequenz als bekannte Messfedern aufweist.
Die Befestigung der Federstahlplatte, gemäss Anspruch 7, zwischen dem Oberteil und dem Unterteil des Messgebers, verleiht diesem eine hohe Stabilität und dem Messgerät eine hohe Überlastbarkeit.
Oberteil und Unterteil eines Halters des Messgebers sind, gemäss Anspruch 8, mit wenigstens je einer gleichartigen Spule mit Ferritschalenkern versehen. Das hat den Vorteil, dass eine Differenzmessung möglich ist, welche beispielsweise von Temperaturschwankung unabhängige Messwerte liefert.
Es ist zweckmässig, gemäss Anspruch 9, die Federstahlplatte bzw. ihre Aussparungen durch Drahterosion herzustellen. Das hat den Vorteil, dass beispielsweise gehärteter Bandstahl als Rohmaterial bei geringer thermischer Belastung verarbeitet werden kann. Es resultiert eine spannungsfreie Messfeder mit sauberen Rändern. Es ist aber auch möglich die Federstahlplatte mittels Lasertechnik oder einer anderen Schneidtechnik herzustellen.
Die Vorrichtung ist auch als Biegebalken für Waagen oder Dynamometer geeignet.
Die Erfindung soll beispielhaft anhand einer Zeichnung näher beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch den erfindungsgemässen Messgeber
Fig. 2 eine schematische Vorderansicht auf den Messgeber mit Fadenführung gem. Fig. 1
Fig. 3 eine erfindungsgemässe Federstahlplatte
In Fig. list der obere Teil im Aufriss und der untere Teil eines Messgebers im Schnitt gezeigt. Mit der Bezugsziffer 1 ist der Oberteil eines Halters und mit der Ziffer 2 der Unterteil des Halters bezeichnet. Eine Federstahlplatte 3 ist zwischen dem Oberteil 1 des Halters und dem Unterteil 2 des Halters befestigt. Die Befestigung kann beispielsweise mittels Schrauben erfolgen. Oberteil und Unterteil des Messgebers sind beispielsweise von einem Kopfteil 4, einem Deckel 5 und einem Rohr 6 als Gehäuse umgeben.
Im Messgeber ist eine Apparatedose 7 mit elektrischen Zuleitungen 8 zu je einem Anschlussprint 9 und zwei gegenüberliegenden induktiven Systemen, bestehend aus je einer Spule 10 mit einem Ferritkern vorgesehen.
In Fig. 2 wird mit Ziffer 11 ein laufender Faden bezeichnet, dessen Spannung zu messen ist und welcher über zwei mit Nuten versehene Keramikstifte 13 und 13' über ein auf einem Ende der Federstahlplatte 3 angebrachten Keramikröhrchen 12 geführt wird.
Der Faden 11 ist über den Keramikstift 13 als ersten festen Fadenführer über das Keramikröhrchen 12 auf der Federstahlplatte 3 und über den Keramikstift 13' als festen Fadenführer geführt.
In Fig. 3 ist eine vergrösserte Aufsicht der Federstahlplatte 3, bestehend aus einem bewegbaren Masseteil 14 und einem fixierbaren Masseteil 15, dargestellt. Der bewegbare Masseteil 14 weist an einem Ende einen kreisförmigen Teil 16 und am anderen Ende einen lanzenförmigen Teil 17 auf. Der fixierbare Masseteil 15 ist mit äusseren Aussparungen 18, 18' und mit inneren Aussparungen 19, 19' versehen und bildet eine Gelenkpartie 20.
Der laufende Faden 11 wird über den Keramikstift 13, das Keramikröhrchen 12, welches sich auf dem lanzenförmigen Ende 17 der Federstahlplatte 3 befindet, geführt. Schwankungen in der Spannung des Fadens 11 werden über den begrenzt und elastisch beweglichen Mittelteil 20 der Messfeder im bewegbaren Masseteil 14 der Federstahlplatte 3 auf den kreisförmigen Teil 16 übertragen.
Jede Abweichung der durch die Fadenzugkraft bewirkte Auslenkung des Teils 16 ändert den Induktionsstrom in der Spule 10. Diese Stromänderung wird zur Messung und Regelung der Fadenzugkraft verwendet.
Der erfindungsgemässe Messgeber hat den Vorteil, dass keine einzige Einstellung mehr notwendig ist. Die Federstahlplatte kann praktisch nicht mehr durch eine Überlast bleibend deformiert werden, weil ihre Bewegungen nur sehr klein und durch feste Begrenzungen beschränkt sind.
Durch die kreisförmige Zusatzmasse auf dem bewegbaren Teil der Federstahlplatte wird ein Nullpunktfehler beim Umdrehen des Messgebers auch um 180 Grad kompensiert, so dass praktisch in jeder Lage eine einwandfreie, reproduzierbare Messung möglich ist.
DESCRIPTION
The invention relates to a method for measuring force using a measuring spring as a measuring element, and to a device and its use.
Mechanical, optical and optomechanical methods are known for measuring and continuously monitoring the thread tension on the running thread (chemical fibers / textile industry 35 (1985) p. 779). Mechanical processes are usually too slow to register deviations in the continuous monitoring of a high-speed thread. Optical methods are very quick to display, but have the major disadvantage that they are very sensitive to dirt. As a result, a light source must be readjusted continuously until the limit of contamination of the optical measuring head is exceeded and any regulation stops.
With all known devices, the zero point must also be readjusted, which is usually done using adjusting screws.
Another disadvantage of the known transducers is that, for example in the case of transducers in the range below 100 cN, the maximum voltage peaks that occur lead to overload damage with expensive repairs.
The object of the invention is to provide a method for the rapid and continuous measurement of voltage peaks that occur with a running thread.
Another task is to provide a measuring device for carrying out the method which is precise, accurate to measure, simple and economical to produce.
According to the invention, the object is achieved in that a force is measured inductively via the deflection of a measuring spring.
The advantages of the measuring method according to the invention compared to known methods can be seen in the fact that a very simple measuring transducer construction with a high natural frequency was found and that overloads, such as occur during measurements, do not lead to the destruction of the measuring transducer.
According to claim 2, the measuring spring consists of a tension-free spring steel plate. This is designed so that a high natural frequency is achieved. The tension-free spring steel plate has the advantage that it is practically hysteresis-free and indestructible. The freedom from hysteresis makes the measurement reproducible without shifting the zero point.
It is expedient to manufacture the spring steel plate, according to claim 3, from an axially symmetrical movable mass part and an axially symmetrical fixable mass part.
The design of the movable mass part is such that a mass balance is guaranteed, so that there is no zero point deviation when the sensor is moved in space. The manufacture of the spring is simple and economical.
According to claim 4 inner recesses are made in the fixable mass part. These recesses serve to form a swivel joint that can be moved perpendicular to the image plane in the region of the four recesses. The outer recesses are intended for attachment to the encoder.
The spring steel plate is designed for minimum mass with maximum stiffness of the moving parts. In order to avoid a zero-point error caused by the deflection of the moving parts of the measuring spring under the gravitational field when turning the encoder by 180 degrees, it is expedient, according to claim 5, to add an additional mass at the end of the movable mass part of the spring steel plate to record the movement under the thread tension . The design of the contours of the moving part can be selected so that a zero point error is just being compensated.
The spring steel plate is, according to claim 6, preferably suitable at high thread speeds with rapidly changing tension peaks for a measuring range from 10 to 500 cN, in particular from 10 to 100 cN and particularly preferably in the range from 10 to 20 cN. For these measuring ranges, it is advisable to choose the thickness of the spring steel plate in the range from 0.5 to 1.5 mm. This has the advantage that there is already a rigid and robust spring for small measuring ranges, which has a higher natural frequency than known measuring springs.
The attachment of the spring steel plate, according to claim 7, between the upper part and the lower part of the sensor gives it a high stability and the measuring device a high overload capacity.
Upper part and lower part of a holder of the transducer are, according to claim 8, provided with at least one coil of the same type with ferrite shell core. This has the advantage that a differential measurement is possible, which, for example, provides measurement values that are independent of temperature fluctuations.
It is expedient, according to claim 9, to produce the spring steel plate or its recesses by wire erosion. This has the advantage that, for example, hardened steel strip can be processed as a raw material with low thermal stress. The result is a tension-free measuring spring with clean edges. However, it is also possible to produce the spring steel plate using laser technology or another cutting technique.
The device is also suitable as a bending beam for scales or dynamometers.
The invention will be described by way of example with reference to a drawing. Show it:
Fig. 1 shows a schematic section through the transducer according to the invention
Fig. 2 is a schematic front view of the encoder with thread guide acc. Fig. 1
Fig. 3 is a spring steel plate according to the invention
In Fig. The upper part is shown in elevation and the lower part of a transducer in section. Reference number 1 denotes the upper part of a holder and number 2 the lower part of the holder. A spring steel plate 3 is fastened between the upper part 1 of the holder and the lower part 2 of the holder. The attachment can be done for example by means of screws. The upper part and lower part of the sensor are surrounded, for example, by a head part 4, a cover 5 and a tube 6 as a housing.
An apparatus box 7 with electrical supply lines 8 to each of a connection board 9 and two opposing inductive systems, each consisting of a coil 10 with a ferrite core, is provided in the encoder.
In Fig. 2, numeral 11 denotes a running thread, the tension of which is to be measured and which is guided over two grooved ceramic pins 13 and 13 'over a ceramic tube 12 attached to one end of the spring steel plate 3.
The thread 11 is guided over the ceramic pin 13 as the first fixed thread guide, over the ceramic tube 12 on the spring steel plate 3 and over the ceramic pin 13 'as a fixed thread guide.
FIG. 3 shows an enlarged top view of the spring steel plate 3, consisting of a movable mass part 14 and a fixable mass part 15. The movable mass part 14 has a circular part 16 at one end and a lance-shaped part 17 at the other end. The fixable mass part 15 is provided with outer recesses 18, 18 'and with inner recesses 19, 19' and forms a joint part 20.
The running thread 11 is guided over the ceramic pin 13, the ceramic tube 12, which is located on the lance-shaped end 17 of the spring steel plate 3. Fluctuations in the tension of the thread 11 are transmitted to the circular part 16 via the limited and elastically movable middle part 20 of the measuring spring in the movable mass part 14 of the spring steel plate 3.
Any deviation in the deflection of the part 16 caused by the thread tension changes the induction current in the coil 10. This change in current is used to measure and regulate the thread tension.
The sensor according to the invention has the advantage that no single adjustment is necessary. The spring steel plate can practically no longer be permanently deformed by an overload, because its movements are very small and limited by fixed limits.
Due to the circular additional mass on the movable part of the spring steel plate, a zero point error when the encoder is turned over is also compensated for by 180 degrees, so that perfect, reproducible measurement is possible in practically any position.