DD151808A1

DD151808A1 - Einrichtung zur messung von geringen gewichten

Info

Publication number: DD151808A1
Application number: DD80222266A
Authority: DD
Inventors: Sandor Kovacs
Original assignee: Vasipari Kutato Intezet
Priority date: 1979-11-06
Filing date: 1980-06-30
Publication date: 1981-11-04
Also published as: US4344495A; ATA300380A; JPS6216368B2; FR2468891B1; DE3021734A1; HU180975B; GB2063495B; GB2063495A; DE3021734C2; SU1336953A3; AT383679B; FR2468891A1; JPS5667727A

Abstract

Durch die Erfindung wird eine genaue Messung sehr kleiner Gewichte ermoeglicht, wobei die fertigungsbedingten Toleranzen die Messung im wesentlichen nicht beeinfluszen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dasz die Einrichtung aus mindestens zwei Einheiten besteht, die jeweils drei miteinander in einem Punkt verbundene Meszarme besitzen, in denen vorzugsweise Kraftmeszglieder beispielsweise Widerstands-Dehnungsmeszstreifen angeordnet sind, wobei die Verbindungspunkte S&ind1!;S&ind2! der Meszarme der einzelnen Einheiten durch eine Spannstange verbunden sind und die freien Enden der Meszarme an ein einziges starres Element in der Weise angeschlossen sind, dasz die Verbindungspunkte der Meszarme auszerhalb von Ebenen liegen, die durch die an das starre Element angeschlossenen Enden bestimmt werden.

Description

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Einrichtimg zur Messung von geringen Gewichten

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung besieht sich auf eine Einrichtung zur Messung geringer Gewichte«

Charakteristik der bekannten techn- Lösungen:

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Das Messen des Gewichtes ist eine der am meisten verbreiteten Meßaufgaben. Zu ihrer Lösung wurden bereits die verschiedensten Konstruktionen entwickelt. Eine der ältesten Waagenbauarten· nutzt das Prinzip des gleicharmigen bzw. ungleicharmigen Hebels, Bei diesen Waagen wird das Gleichgewicht durch, das Auflegen oder Abnehmen von Gewichten hergestellt. Die Meßzahl der gemessenen Masse wird durch Abzählen der aufgelegten Gewichte oder aufgrund ihrer Verschiebung bestimmt*

In unseren Tagen werden zahlreiche neuere physikalische Gesetzmäßigkeiten-zur Messung des Gewichtes ausgenutzt. So werden unter anderein die durch elastische Deformation verursachte Dehnimg oder Verdrehung, weiterhin die durch Krafteinwirkung auftretenden Änderungen der mechanischen, elektrischen j magnetischen» optischen Kennwerte verwendet·

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Mit der Verbreitung der Elektronik werden weitläufig auf dem Prinzip der Elektrizität beruhende Meßmethoden angewandt, deren physikalische Grundlage durch die piezoresistiv ven Eigenschaften geliefert wird«, Me Auf dieser Grundlage angefertigten Dehnungsmeßstreifen eignen sich zur Messung des Gewichtes und sonstiger Kräfte in einem Bereich von einigen Milligramm bis zu mehreren hundert Tonnen»

Zur Verwirklichung sämtlich angeführter Meßprinzipien ist jedoch eine mechanische Konstruktion erforderlich, mit deren Hilfe ein Gleichgewichtszustand zwischen der zu messenden Kraft und dem zur Messung benutzten Parameter herbeigeführt v/erden kann*

Bei der Schaffung des Gleichgewichtes weicht Jedoch die Wirkungslinis der zu messenden Kraft meistens von der Wirkungslinie der mit ihr das Gleichgewicht haltenden Kraft ab« Das ist zum Beispiel bei den aus Hebelarmen aufgebauten Waagen der Pail. Muß jedoch zur Herbeiführung des Gleichgewichtes in irgendeinem zur Konstruktion gehörenden Teil ein innerer mechanischer Spannungsraum geschaffen v/erden, d«h«, daß die Meßzahl durch die Materialkennv/erte erhalten wird, so müssen das zu messende Gewicht und der zum Gleichgewicht entstandene Spannungsraum bis zur Y/irkungslinie seiner von einer bestimmten Fläche genommenen Resultante zusammenfallen*

Es ist auch eine Lösung bekannt, bei der sich die Wirkungslinien gegenseitig schneiden« Ein solcher Pail entsteht, wenn in dem Hebelmechanismus die zwei Angriffspunkte und der Abstützpunkt nicht in eine Ebene fallen oder z_eB. bei der Verwendung eines Pendels» Bei diesen Konstruktionen erfolgt die Messung durch die bekannten geometrischen Verhältnisse und durch Kräfte, die das bekannte Gleichgev/icht herstellen« Zur Messung wird jedoch stets nur eine einzige Kraft verwendet«

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Weiterhin gibt es Meßaufgaben, bei deren Lösung die Meßzahl der zu messenden Kraft aus zwei oder mehreren bekannten Kräften bestimmt wird* Ein solcher Vorgang ist ZeB, die mit Hilfe eines einfach aufliegenden Balkens vorgenommene Messung.

Die beschriebenen Meßprinzipien dieser praktischen Lösungen ermöglichen auch die Messung von geringen Kräften.. Mit der ¥/eiterentwicklung der Technik tritt jedoch die Forderung auf, unter Anwendung mechanischer und elektrischer Methoden auch die genaue Messung kleinster Kräfte zu ermöglichen»

Der weiteren Durchsetzung elektrischer Methoden werden durch den Umstand Schranken gesetzt, daß das zur Verfügung stehende Gewicht keine ausreichende mechanische Spannung zustandebringen kann, um eine meßbare Deformation oder .Änderung eines Materialkennwertes herbeizuführen» Aus diesem Grunde ist die Entwicklung einer Konstruktion erforderlich, die eine Erhöhung der zur Verfügung stehenden zu messenden Kraft bewirkt* Derartige Ausführungen bewirken in der Meßeinrichtung gleich einem irantfonnator eine Erhöhung des zu messenden Gewichtes. Eine derartige Konstruktion ist z.B. der ungleicharmige Hebel, der die zu messende Kraft im Verhältnis der Hebelarme erhöht. Dies bedeutet, daß man die länge des Hebelarmes bis zur gegebenen Grenzlinie um so viel Mal . kleiner wählen muß, um v/ieviel Hai größer die Kraft werden soll«

Bei derartigen Ausführungen setzen jedoch die Pertigungstoleranzen die Grenzen für die erreichbare Genauigkeit· So ist in gewissen Maßbereichen bereits eine genaue Messung nicht mehr möglich* Hierbei kommt es bei derartigen Konstruktionen auch zu einer ungünstigen Veränderung der Zeitkonstaiits und sonstiger Kennwerte des Systems«,

Durch die Erfindung wird eine genaue Messung sehr kleiner Gewichte ermöglicht, wobei die fertigungsbedingten Toleranzen die Messung im wesentlichen nicht beeinflussen»

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung mit einer 5 - 100-fachen Erhöhung der zu messenden Gev/ichte (Kräfte) zu entwickeln·

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Einrichtung aus zwei, mindestens drei Meßarme enthaltenden Einheiten besteht, wobei die Verbindungspunkte der Meßarme der Einheiten durch eine Spannstange verbunden sind und die freien Enden der Meßarme in der Weise an ein einziges starres Element angeschlossen sind, das die Verbindungspunkte der Meßarme in den Einheiten außerhalb der durch die an das starre Element angeschlossenen Enden bestimmten Ebenen liegen*

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung sind die Meßanne und die Spannstange'zweckdienlicherweise als Zugstäbe ausgebildet.

Die Meßarme können symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet sein* Im Falle einer symmetrischen Anordnung befinden sich die Meßarme der oberen Einheit im Vergleich zu den Meßarmen der unteren Einheit zweckmäßigerweise in einer um 180° verdrehten Stellung.

•Die Angriffslinie der su messenden Kraft fällt vorteilhafterweise mit der geometrischen Achse der Spannstange zusammen· Auf diese Weise kann die Summierung einfacher vorgenommen werden«

Bei der Einrichtung sind die Meßarme und auch die Spannstange mit einem Verstellmechanismus versehen, um im

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Interesse der Beseitigung von Ungenauigkeiten eine Vorspannung herbeizuführen_β

In die Meßaroie sind Kraftineßglieder, zweckdienlicherweise Widerstandsdehnungsmesser (Dehnungsmeßstreifen) eingebaut, die in eine halbe oder vollständige Brücke geschaltet sind. So erhält man ein zur zu messenden Kraft proportionales Ausgangssignal·

Ausführungsbeisüiel:

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Pig» 1: eine Skizze des Grundgedankens der Erfindung, Pig. 2: ein bekanntes Bockgestell,

Pig· 3ί das Prinzipschema einer zweckdienlichen Ausfühmagsfona der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Pig. 4: eine konkrete Ausführungsform der erfindungsge- mäßen Einrichtung,

Pig. 5: die Anordnung der Meßwiderstände,

Pig« 6: das Meßschema im' Falle der Verwendung von Meßwiderständen.

Aus der Mechanik ist bekannt, daß zum waagerechten Spannen eines Seiles endlose Kräfte erforderlich sind. Aus Pig. 1 ist zu ersehen, daß zu der in Punkt D eines in den Punkten A und B eingespannten Seiles v/irkenden Kraft P.in Abhängig» keit vom Winkel ziemlich große Eeaktionskräfte R und R, gehören können« Die Punkte A, B und D liegen in einer Ebene und die Kraft P bringt eine stabile Lage zustande. Die in den mechanischen Systemen stets vorhandenen Schwingungen können jedoch den Punkt D leicht aus seiner Lage bewegen und das System auf diese V/eise unstabil machen»

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Dies kann dadurch verhindert v/erden, daß man den Punkt D an den in der von der Richtung AB abweichenden Richtung CE liegenden Punkten C und E anbindet* Auf diese Weise kann diese leicht umkippbare unstabile Lage mit Hilfe der in der Richtung CD und DE v/irkenden Kräfte aufrechterhalten v/erden. Die Konstruktion ist jedoch statisch auch noch so unbestimmt*

Eine statisch bestimmte lage kann durch ein aus den Punkten A, B und G bestehendes System gewährleistet werden_s das einen gemeinsamen Punkt D besitzt und in dem in den Richtungen AD, BD und CD Stäbe oder Seile vorgesehen sind. Diese Konstruktion ist in der Mechanik unter dem Namen Bockges-tell seit langem bekannt (Pig* 2«)· Durch Vereinigung des Seilzugprinzips und des Bockgestells kann eine Konstruktion zustandegebracht werden, die die Bestimmung einer tatsächlich wirkenden Kraft durch Messung der Stabkräfte und Kenntnis der geometrischen Verhältnisse der Konstruktion ermöglicht·

Die Gleichgewichtsverhältnisse des in Pig· 2 sichtbaren Bockgestells können in Abhängigkeit von der Ausgedaltung des Knotenpunktes D und der Punkte A, B, C untersucht werden* Durch eine Verbindung ©on zwei derartigen Bockgestellen auf d££ in Figo 3 sichtbaren Weise kann die erfindungsgemäße Einrichtung hergestellt v/erden« Bei der in Fig* 3 sichtbaren Ausführung ist die Einrichtung eine aus Gelenken und Stäben bestehende Konstruktion, bei der die in den Punkten A, B, C befindlichen Gelenke in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind* In ähnlicher Weise sind auch die in den Punkten L, M und IT befindlichen Gelenke entlang eines Kreisbogens angeordnet» Die freien Enden der Bockgestellstäbe sind in den Punkten S₁ bzw. Sp miteinander verbunden«. Die Punkte S₁ und S sind durch eine Spannstange (Spreize) verbunden» Wirkt nunmehr auf dieses in Gleichgewicht befindliches System die in der Figur dargestellte Kraft das Gewicht G ein_s so verschieben sich die an ihren Enden befindlichen Punkte S. und Sp um den Wert L,

d.h.* die Stäbe der oberen Einheit werden gedehnt, die Stäbe der unteren Einheit zusammengedrückt· Nach der Deformation gelangt das System erneut ins Gleichgewicht·

Sind nunmehr die Parameter des Systems (Geometrie, Größe der Schlagkräfte) vor der Ein?/irkung des Gewichtes G bekannt, so kann 'die Größe des unbekannten Gewichtes G aus der veränderten Größe der Stabkräfte bestimmt werden» In der Praxis ist die Größe der in den Stäben entstehenden Kräfte zweckdienlicherweise mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen zu bestimmen* Sin derartiges Dehnungsmeßstreifen verwendendes System ist in Fig_e 4 dargestellte Hier wurde der Einfachheit halber aus der oberen und unteren Einheit lediglich je ein als Mefiarm ausgeführter Stab dargestellt« Aus der Zeichnung ist zu ersehen, daß in die Meßarme Kraftmeßglieder 1 eingebaut sind. Darüber hinausgehend sind sämtliche Meßarine mit Stellvorrichtungen 2 versehen, um die Torspannung des Systems verwirklichen zu können. Wegen der Unsicherheit in der Fertigungstoleranzen, der Passungsspiele sowie der Wirkungslinien der zu messenden Kräfte ist im System zwackdienlicherweise eine gewisse Vorbelastung vorzusehen und dadurch die Beseitigung der vorgenannten Unsicherheiten herbeizufüreh* Bei der dargestellten Ausführung sind die Meßarine der einzelnen Einheiten an Gelenke 3 angeschlossen, deren Stellung mittels der Gewindeetellvorrichtung 2 verändert werden kann, wobei in deu, beide Einheiten verbindenden Stab ebenfalls eine Ge-* Windestellvorrichtung 2 eingebaut ist.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird die Messung in der Weise vorgenommen, in dem man nach "Verwirklichung der entsprechenden Vorspannung bei den Kraftmeßgliedern 1 den Zustand P=O einstellt und hiernach die Belastung G auf das System einwirken läßt· Hierbei kommt es zu einer Ausdehnung, bzw· Verkürzung der Stäbe der Einrichtung uxid in den zu ihnen gehörenden Gelenken entstehen Reakti-

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onskräftej mit denen die in den Kraftmeßgliedern 1 gemessenen Kräfte das Gleichgewicht halten· Auf Grund der vektoriellen Summierung der abgelesenen.Werte kann die unbekannte Belastungskraft G einfach bestimmt werden·

Die Einrichtung ist zv/eckdienlicherweise so zu gestalten, daß die Wirkungslinie der zu messenden Belastungskraft G mit der geometrischen Achse des Spannstabes zusammenfällt, da die Berechnung in diesem Falle am einfachsten vorgenommen werden kann« natürlich kann die Summierung auch in jedem anderen Falle durchgeführt werden·

Unter Berücksichtigung des Umstandes, daß bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der Gleichgewichtszustand zwischen Kraftvektoren hergestellt wird, ist die Messung im wesentlichen eine vektorielle Addition bzw. Subtraktion. Dies kann außerordentlich einfach als eine Addition von elektrischen Spannungen gelöst ?/erden, wobei ein direkt zur Belastung proportionales Ausgangssignal erzielt werden kann·

Zweckdienlicherweise werden in den einzelnen Kraftnießgliedern zum Aufbau einer vollständigen oder einer halben Meßbrücke ausreichende Widerstandsdehnungsmesser verwendet. In Fig» 5 ist die Anordnung der in den einzelnen Kraftmeßgliedern vorgesehenen Y/iderstände E dargestellt, wobei aus den angeordneten Widerständen eine vollständige Meßbrücke aufgebaut werden kann. Die Forderung nach einer Kraftmessung axt hoher Genauigkeit kann in der ¥/eise erfüllt werden, daß die einzelnen Kraftkomponenten P^, P-g, P_c bzw» B^, Pg und P^ mit selbständigen Kraftmeßgliedern gemessen werden* Dazu werden aus den bei den einzelnen Kraftmeßgliedern befindlichen vier Widerständen IL, Rg* R„ und R gemäß Fig. 6 eine vollständige Meßbrücke aufgebaut« Die Meßzellen sowohl der ersten als auch der zweiten Einheit werden parallel geschaltet und die beiden Ausgangssignale summiert* So erhält man das zu der zu messenden Kraft proportionale Ausgangssignale

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Aus vorstehenden Ausführungen ist zu ersehen, daß die erfindungsgemäße Lösung eine beliebige Transformation der zu messenden Kräfte und dadurch eine genaue Messung sehr kleiner Kräfte gestattet« Obwohl in dem dargestellten Beispiel die einzelnen Einheiten jeweils drei Stäbe enthalten, kann die Einrichtung auch aus mehreren Meßarmen aufgebaut v/erden* Es entspricht einer eine unendliche Zahl von Meßarmen enthaltenden Ausführung, wenn an die Spannstange Membranen anstelle der Meßarme angeschlossen sind« Die Messung bzw. die Berechnung kann auch mit einer solchen Einrichtung erfolgen, bei der die Stangen nicht symmetrisch angeordnet sind* Anstelle der angelenkten Stäbe können auch eingespannte Träger verwendet werden, wobei in diesem Falle die auftretenden Momente berücksichtigt werden müssen* Bei einer derartigen Lösung sind zweckdienlicherweise Stäbe gleicher Festigkeit zu verwenden»

Claims

1β Einrichtung zur Messung geringer Gewichte, gekennzeichnet dadurch, daß sie aus mindestens zwei Einheiten besteht, die jeweils drei miteinander in einem Punkt verbundene Meßarme aufweisen, wobei die Verbindungspunkte (S₁, Sp) der Meßarme der einzelnen Einheiten durch eine Spannstange verbunden sind und die freien Enden der Meßarme an ein einziges starres Element in der V/eise angeschlossen sind, daß in den Einheiten die Yerbindungspunkte der Meßarme außerhalb von Ebenen liegen_s die durch die an das starre Element angeschlossenen Enden bestimmt werden»

2. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßarme Zugstäbe sind«

3· Einrichtung nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Spannstab (die Spreise) als gezogener Stab ausgeführt ist.

4« Einrichtung nach einem der Punkte 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßarme an das starre Element durch Gelenke angeschlossen sind.

5» Einrichtung nach einem der Punkte 1 bis 3» gekennzeichnet dadurch, daß die Meßarme, die an das starre Element angeschlossen sind, eingespannte Träger sind.

6* Einrichtung nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßarme Elemente mit gleicher Festigkeit sind.

7* Einrichtung nach einem der Punkte 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßarme symmetrisch angeordnet sind*

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8e Einrichtung nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß die MeBarme der unteren Einheit im Vergleich zu den Meß- · armen der oberen Einheit in einer um 180° verdrehten Stellung angeordnet sind«

9·' Einrichtung nach einem der Punkte 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch* daß die Meßarrae asymmetrisch angeordnet sind.

10« Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens die eine Einheit mit Meßarmen endloser Zahl in Eons einer Membrane ausgeführt ist«

11. Einrichtung nach einem der Punkte 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Angriffslinie der zu messenden Kraft (G) mit der geometrischen «Achse des Spannstabes zusammenfällt«

12· Einrichtung nach einem der Punkte 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßarme mit einer Stellvorrichtung (2) versehen sind.

13. Einrichtung nach einem der Punkte 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß der Spannstab mit einer Stellvorrichtung (2) versehen ist,

14» Einrichtung nach einem der Punkte 1 bis 13 _s gekennzeichnet dadurch, daß in die .Meßarme Kraftmeßglieder (2) eingebaut sind»

15* Einrichtung nach Punkt 14, gekennzeichnet dadurch, daß die Kraftmeßglieder (2) Widerstandsdehnungsmesser sind«

16, Einrichtung nach Punkt 15, gekennzeichnet dadurch, daß die Widerstands-Deimuiigs'ineaaer in halber Brückenschaltung angeordnet sind*

1?_e Einrichtung nach Punkt 15, gekennzeichnet dadureh_s daß die Widerstandsdehnungsmesser in vollständiger Brückenschaltung angeordnet sind»