DD257491A1

DD257491A1 - Kapazitive, bauteilintegrierte kraftmessanordnung

Info

Publication number: DD257491A1
Application number: DD29962487A
Authority: DD
Inventors: Hans-Hermann Seidel; Peter Hupfer; Horst Glaeser
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1987-02-02
Filing date: 1987-02-02
Publication date: 1988-06-15
Also published as: DD257491B1

Abstract

Die kapazitive, bauteilintegrierte Kraftmessanordnung kann Anwendung in vorzugsweise auf Druck oder Zug beanspruchten Bauteilen des Maschinenbaus, Bauwesens, Kranbau und dgl. zur Bauteilueberwachung oder Prozesssteuerung mittels des erzeugten analogen oder digitalen Messwertes finden. Das Ziel der Erfindung ist es, eine bauteilintegrierte Kraftmessanordnung zu schaffen, die mit wenig Aufwand an verschiedenste Zug- und/oder Druckkraftmessaufgaben angepasst werden kann. Dies wird mittels eines in das Bauteil angeordneten speziellen kapazitiven Primaerwandlers erreicht, der mit einfachen Mitteln in den Kraftnebenschluss der Maschine bzw. des Bauteiles integriert wird und damit eine statische oder dynamische Messung realisiert. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine kapazitive, bauteilintegrierte Kraftmeßanordnung, die mit geringem technologischem Aufwand und ohne wesentliche Querschnittsschwächung in beliebige Bauteile von Tragewerken und Maschinen einbaubar ist.

Die Anwendung ist sowohl im Maschinenbau, Fahrzeug-und Anlagenbau als auch im Bauwesen oder Kranbau und dgl. möglich.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt ist eine Lösung zur bauteilintegrierten Messung der Belastung. In der Offenlegungsschrift DE 2835614 wird ein Verfahren zur Messung von Normalkomponenten von Kräften für biegebelastete kurze Träger oder Achsen, die eine durchgehende Mittelbohrung aufweisen müssen, dargelegt. Zug-und Druckbelastung von Bauteilen können nicht nach diesem Verfahren gemessen werden, was eine erhebliche Einschränkung darstellt. Die Einrichtung ist nicht für eine kapazitive Meßwertwandlung geeignet, so daß nicht deren Vorteile, wie hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit, digitaler Ausgang und Computerkompatibilität genutzt werden können.

In der Offenlegungsschrift DE 2758986 wird eine kapazitive Kraftmeßeinrichtung beschrieben, die aus einem elastischen Körper zur Aufnahme einer zu messenden Kraft mit einem Meßhohlraum quer zur Kraftrichtung besteht. Im Meßhohlraum ist ein Elektrodenträger mit 4 Elektroden angebracht, die der Innenwand des Meßhohlraumes gegenüberstehen. Bei Belastung ändert sich die Form der Innenwand in verschiedenen Richtungen, was in einer nicht näher beschriebenen Differential-Kapazitätsmeßvorrichtung ausgewertet wird. Es ist einzuschätzen,daß dieses Prinzip für eigenständige Kraftmeßdosen, aber wegen der speziellen Gestaltung nicht für eine bauteilintegrierte Kraftmessung geeignet ist, daß nur sehr geringe Elektrodenabstandsänderungen auftreten, daß somit sehr kleine Elektrodenabstände eingestellt werden müssen oder die Empfindlichkeit der Kraftmessung sehr gering ist und daß schließlich wegen der Krümmung der Innenwand des Hohlraumes eine Linearität zwischen Kraft und Kapazitätsänderung nicht zu erwarten ist.

In der Offenlegungsschrift DE 2948165 wird ein kapazitiver, insbesondere auf Kraft ansprechender Wandler beschrieben, der nach dem Resonanzfrequenzverfahren arbeitet und damit keine lineare Kennlinie aufweist. Die Auslenkung einer flexiblen Membran mit Elektrodenfilm gegenüber einer ebenen Platteneinrichtung mit Gegenelektroden verändert den Spalt zwischen beiden, aber wegen der Krümmung der Membran ist der Zusammenhang zwischen Auslenkung und Kapazitätsänderung nicht linear, so daß eine automatische Meßwerterfassung nur mit Kunstgriffen möglich ist. Der geringe Spalt von 25,4Mm im Vakuum weist die Einrichtung als zu empfindlich für den Einbau in den Kraftnebenschluß von Maschinen, als technologisch aufwendig und den Elektrodenabstand als nicht justierbar aus.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine kapazitive, bauteilintegrierte Kraftmeßanordnung zu schaffen, die mit geringem Aufwand in belastete Maschinen- und Tragwerkteile eingebaut werden kann und in der Lage ist, eine schnelle und hinreichend genaue Messung von Kräften ohne Beeinflussung durch Umweltfaktoren zu ermöglichen.

Wesen der Erfindung \

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, eine einfache und zuverlässige, in vorwiegend einachsig belastete Maschinen- und Tragwerkteile ohne wesentliche Querschnittsschwächung integrierbare kapazitive Kraftmeßanordnung zu entwickeln, welche gestattet, statische und dynamische Zug- und Druckkräfte, die in Längsrichtung der Meßanordnung wirken, mit hoher Genauigkeit und bei guter hoher thermischer und mechanischer Stabilität zu erfassen. Der Meßwert soll dabei analog oder digital ständig zur Verfugung stehen, wodurch eine Prozeß- oder Bau.teilüberwachung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Verwendung eines Bolzens zur Krafteinleitung und eines Differentialkondensators dadurch gelöst, daß in einem definiert großen, vorzugsweise ringförmigen Hohlraum eines beliebigen Bauteiles, das der zu erfassenden Zug- oder Druckverformung unterworfen ist, ein insbesondere kapazitiver Wandler entsprechender Größe angebracht wird. Mittels eines nach Länge und Durchmesser definierten Stiftes wird nach an sich bekannter Art die kraftproportionale Längenänderung des belasteten Bauteiles mittels speziell gestaltetem kapazitivem Wandler in eine elektrische Größe gewandelt. Der positive Effekt der Anordnung besteht darin, daß mit dem definierten Stift, der in einer Einspannstelle mit dem Bauteil fest verbunden ist, auch geringe Kräfte gewandelt werden können, in dem insbesondere am anderen Ende des Stiftes eine Verbindung zu einem Zapfen eines angepaßten Differentialkondensators besteht, dessen Gehäuse mittels eines vorzugsweise lösbaren Einspannelementes im Hohlraum arretiert ist. Der vorstehende Zapfen ist an einem Ende mit dem Stift verschraubt oder liegt mit einer gewissen Vorspannung frei, aber in radialer Richtung geführt, ah diesem an. Am anderen Ende des Zapfens ist ein biege-und drucksteifer Verbindungsbolzen angebracht; bzw. sind Zapfen und Verbindungsbolzen vorteilhaft aus einem Teil gefertigt. Dieser Verbindungsbolzen steht mit einer nach Länge und Dicke an die zu messende Kraft angepaßten Platte oder Membran in Verbindung, so daß auf einfache Weise eine querkraftfreie Kraftübertragung auf die ebenfalls am Verbindungsbolzen befestigte, an sich bekannte Mittelelektrode des Differentialkondensators möglich ist. Zu den zugehörigen, an sich bekannten, elektrisch isolierten und im Gehäuse fest angeordneten Außenelektroden wird die Mittelelektrode mittels eines ersten Einstellelementes gegen eine erste Elastomerfeder feinfühlig eingestellt. Damit ist eine an nahezu jeden beliebigen Verformungszustand des Bauteiles anpaßbare Kraftmeßanordnung in das Bauteil integriert, da mittels eines zweiten Einstell- und/oder Paßelementes und einer zweiten Elastomerfeder auch die Außenelektroden axial justierbar sind und damit eine Einstellung des linearen Meßbereiches des Differentialkondensators bei und/oder Zugkräften erreichbar ist. Durch diese Kombination an sich bekannter Elemente wird eine überraschend einfache, bauteilintegrierte Kraftmeßanordnung geschaffen, die mittels der zugehörigen kapazitiven Auswerteschaltung direkt an einen Mikrorechner oder eine Überwachungseinrichtung koppelbar ist.

Durch entsprechende Werkstoffwahl für mindestens Stift, Verbindungsbolzen, Gehäuse und Elektroden, die sich nach dem Bauteil 1 richtet, wird der Temperatureinfluß beseitigt bzw. auf ein das Meßergebnis nicht beeinflussendes Maß reduziert.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden, wobei die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Kapazitive, bauteilintegrierte Anordnung (beliebiges Bauteil)

Fig.2: Anordnung in definiertem Verformgngskörper

Fig.3: Aufbau des integrierten kapazitiven Primärwandlers

Figur 1 zeigt das Prinzip der kapazitiven bauteilintegrierten Kraftmeßanordnung, wobei ein druckkraftbelastetes Bauteil 2 vorausgesetzt wird. Das Bauteil 2 erhält eine Bohrung, an deren Ende an einer Einspannstelle 5 ein Stift 4 justierbar befestigt ist. Am zugänglichen Ende der Bohrung wird der Primärwandler 3 befestigt, dessen wesentlicher Bestandteil ein Differentialkondensator, bestehend aus den Außenelektroden 15 und der mittels Membran 9 geführten Mittelelektrode 12, ist (Figur 3). Die zwischen der Verlängerung 11 des Verbindungsbolzens 10 am Primärwandler 3 und der Einspannstelle 4 auftretende kraftanaloge Verformung des Bauteiles 2 wird somit vollständig als Plattenabstandsänderung des Differentialkondensators wirksam und erzeugt damit in der kapazitiven Auswerteschaltung 18 ein kraftproportionales elektrisches Ausgangssignal 19, wenn die Außenelektroden 15 und die Mittelelektrode 12 entsprechend justiert sind. Dazu wird der Abstand der Außenelektroden 15 mittels Einstell- und/oder Paßelement 16 gegen die Wirkung einer Elastomerfeder 17 entsprechend verändert. Die Lage der Mittelelektrode 12 kann mittels Einstellelement 10, z.B. Differentialgewinde, gegen die Wirkung einer Elastomerfeder 14 axial justiert werden.

Querkräfte und Biegemomente beeinflussen das Meßergebnis nicht, wenn der Abstand zwischen Differentialkondensator und Membran 9 gering ist. Der Temperatureinfluß verschwindet, wenn alle in der Meßkette liegenden Bauelemente, z.B. Stift 4, Gehäuse 8, Verbindungsbolzen 10 u.a., aus dem gleichen Werkstoff bestehen wie das Bauteil 1.

Für ausschließlich Druckkraftmessung kann der Stift 4 auf der Verlängerung 11 des Verbindungsbolzens 10 frei aufliegen; die Membran 9 erhält in diesem Fall eine Vorspannung in Kraftrichtung.

Figur 2 zeigt die kapazitive, bauteilintegrierte Kraftmeßanordnung, eingebaut in eine geometrisch definiertes zylindrisches oder prismatisches Bauteil 1, wodurch eine an verschiedene Meßbereiche anpaßbare, mobile Kraftmeßanordnung geschaffen ist.

Claims

1. Kapazitive, bauteilintegrierte Kraftmeßanordnung mit einem Bolzen zur Krafteinleitung und einem Differentialkondensator, dadurch gekennzeichnet, daß in einem definiert großen, vorzugsweise ringförmigen Hohlraum (Deines beliebigen Bauteiles (2) ein kapazitiver Primärwandler (3) und ein, nach Länge (L) und Durchmesser (D) definierter Stift (4), der aneiner Einspannstelle (5) mit dem Bauteil (2) und am anderen Ende in einem vorstehenden Zapfen (6) mit dem Primärwandler (3) vorzugsweise verschraubt ist, mittels eines insbesondere lösbaren Einspannelementes (7) angeordnet sind.

2. Kapazitive, bauteilintegrierte Kraftmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (8) des Primärwandlers (3) mindestens eine, nach Länge und Dicke definierte Platte oder Membran (9), die mittig den biege- und drucksteifen Verbindungsbolzen (10) trägt, an einer Verlängerung (11) des Verbindungsbolzens (10) die an sich bekannte Mittelelektrode (12) des Differentialkondensators, die insbesondere mittels eines ersten Einstellelementes (13) und einer ersten Elastomerfeder (14) axial justierbar ist, die zwei an sich bekannten elektrisch isolierten, ortsfesten Außenelektroden (15), die insbesondere mittels eines zweiten Einstell- und/oder Paßelementes (16) und einer zweiten Elastomerfeder (17) justierbar sind und eine zugehörige kapazitive Auswerteschaltung (18) angeordnet sind.

3. Kapazitive, bauteilintegrierte Kraftmeßanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das Gehäuse (8), der Stift (4), der Verbindungsbolzen (10) und die Elektroden (12,15) bezüglich des Werkstoffes dem beliebigen Bauteil (2) entsprechen.