DD258657A1

DD258657A1 - DEVICE FOR DETERMINING THE TARGET CONSTANTS OF TORSION SPRINGS

Info

Publication number: DD258657A1
Application number: DD28868986A
Authority: DD
Inventors: Herbert Broeke; Guenther Elsmann
Original assignee: Standardisierung Messwesen Amt
Priority date: 1986-04-02
Filing date: 1986-04-02
Publication date: 1988-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Richtkonstanten von Torsionsfedern durch Messung der Schwingungsdauer eines aus der Torsionsfeder und einem Koerper mit bekanntem Traegheitsmoment bestehenden Torsionspendels bei kleinen Schwingungsamplituden und Berechnung der Richtkonstanten aus der Schwingungsdauer. Die bekannten Einrichtungen dieser Art ergeben nur fuer lineare Federkennlinien richtige Werte. Ziel der Erfindung ist die Bestimmung der Richtkonstanten in Abhaengigkeit vom Torsionswinkel, um den Verlauf nichtlinearer Federkennlinien ermitteln zu koennen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Torsionswinkel unabhaengig vom Schwingungsausschlag einstellen zu koennen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass eine der Einspannstellen der beiderseitig eingespannten Torsionsfeder gegenueber der anderen messbar verdreht und damit der Torsionswinkel eingestellt werden kann, waehrend die Amplitude der Schwingung unabhaengig davon ist und sehr viel kleiner als der Torsionswinkel gewaehlt werden kann. Torsionsfedern werden in Messgeraeten hoher Genauigkeit eingesetzt. Die Kenntnis der Federkennlinie ermoeglicht die Korrektur der Messergebnisse und damit eine Verringerung der Messunsicherheit.The invention relates to a device for determining the directional constants of torsion springs by measuring the period of oscillation of a torsion spring consisting of the torsion spring and a body with a known moment of inertia at small oscillation amplitudes and calculating the directional constants from the period of oscillation. The known devices of this type only give correct values for linear spring characteristics. The aim of the invention is the determination of the directional constants as a function of the torsion angle in order to be able to determine the course of nonlinear spring characteristic curves. The object of the invention is to be able to set the torsion angle independently of the vibration amplitude. According to the invention, the object is achieved in that one of the clamping points of the mutually clamped torsion spring against the other measurably rotated and thus the torsion angle can be adjusted while the amplitude of the vibration is independent of it and much smaller than the torsion angle can be selected. Torsion springs are used in high accuracy gauges. The knowledge of the spring characteristic enables the correction of the measurement results and thus a reduction of the measurement uncertainty.

Description

Der Nachteil der genannten Einrichtungen besteht darin, daß damit nur bei Torsionsfedern mit linearer Federkennlinie eine Bestimmung der Richtkonstanten erfolgen kann. Bei nichtlinearer Federkennlinie ist es mit den bekannten Einrichtungen nicht möglich, die Richtkonstante in Abhängigkeit vom Torsionswinkel zu bestimmen. In diesem Falle kann nur eine mittlere Richtkonstante D und diese auch nur für einen kleinen Torsionsbereich 0 <α< ά bestimmt werden, da die Gleichung I exakt nur für kleine Schwingungsamplituden ά gilt. Ist der Torsionsbereich a_mm > ά, dann treten Fehler bei der Bestimmung von D auf.The disadvantage of said devices is that so that only in torsion springs with linear spring characteristic determination of the reference constants can be done. With nonlinear spring characteristic, it is not possible with the known devices to determine the directional constant as a function of the torsion angle. In this case, only an average directional constant D and this only for a small torsion range 0 <α <ά can be determined, since the equation I exactly applies only to small oscillation amplitudes ά. If the torsional range is a _mm > ά, then errors in the determination of D occur.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Verlauf der Richtkonstanten von Torsionsfedern in Abhängigkeit vom Torsionswinkel nach der durch Messung der Schwingungsdauer eines mit einem Körper mit bekanntem Trägheitsmoment behafteten Torsionspendels zu bestimmen, dadurch die Unsicherheit bei der Messung bestimmter physikalischer Größen, bei denen mangelnde Kenntnis des genauen Verlaufs der Federkennlinie als unbekannter systematischer Fehler in das Meßergebnis einfließt, zu verringern und damit die metrologischen Voraussetzungen zur Sicherung der Richtigkeit der entsprechenden Meßmittel in der Industrie zu verbessern.The object of the invention is to determine the course of the directional constants of torsion springs as a function of the torsion angle by measuring the oscillation period of a body with a known moment of inertia torsional pendulum, thereby uncertainty in the measurement of certain physical quantities, in which lack of knowledge precise course of the spring characteristic as an unknown systematic error in the measurement results flows, and thus to improve the metrological conditions to ensure the correctness of the corresponding measuring means in the industry.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zu schaffen, bei der Torsionswinkel und Schwingungsausschlag unabhängig voneinander eingestellt werden können, so daß auch bei großem Torsionswinkel ein kleiner Schwingungsausschlag realisiert werden kann und damit die Anwendung der Gleichung I möglich ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine der Einspannstellen des beiderseitig eingespannten Torsionsdrahtes, an dem ein Körper mit bekanntem Trägheitsmoment befestigt ist, relativzur anderen meßbar verdreht werden kann. Das System Torsionsfeder-Körper mit bekanntem Trägheitsmoment wird in Torsionsschwingung mit genügend kleiner Amplitude versetzt, in bekannter Weise die Periodendauer der Schwingung gemessen und nach den Gleichungen I bis III die Richtkonstanten berechnet. Durch Verdrehung der Einspannstellen gegeneinander um den Winkel α wird die Vorspannung der Torsionsfeder verändert, jeweils das System erneut in Schwingungen kleiner Amplitude versetzt, die Periodendauer gemessen und die Richtkonstanten errechnet. Auf diese Weise erhält man punktweise den Verlauf der Federkennlinie D (α) des aus zwei parallelwirkenden Federn bestehenden Federsystems oder unter Berücksichtigung der Gleichungen Il und III die Federkennlinien D₁ (α) und D₂ (α) der beiden Federn.The invention has for its object to provide a measuring device in which torsion angle and vibration amplitude can be set independently, so that even at high torsion angle a small swing can be realized and thus the application of the equation I is possible. According to the invention the object is achieved in that one of the clamping points of the clamped torsion wire on both sides, on which a body is fixed with a known moment of inertia, relative to the other can be rotated measurable. The system torsion spring body with known moment of inertia is set in torsional vibration with sufficiently small amplitude, measured in a known manner, the period of the oscillation and calculated according to equations I to III, the reference constants. By rotation of the clamping points against each other by the angle α, the bias of the torsion spring is changed, in each case the system is again set in oscillations of small amplitude, the period measured and calculated the reference constants. In this way, one obtains pointwise the course of the spring characteristic D (α) of the spring system consisting of two parallel-acting springs or, taking into account the equations II and III, the spring characteristics D ₁ (α) and D ₂ (α) of the two springs.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden (Fig. 1).The invention will be explained below using an exemplary embodiment (FIG. 1).

Die obere Platte 2 ist mit der Fußplatte 14 durch Stativsäulen 8 fest verbunden. In der axial verschiebbaren unteren Platte 17 sind Führungsbuchsen 13 befestigt und Klemmschrauben 11 angebracht. Der Abstand zwischen der oberen Platte 2 und der unteren Platte 17 is.t durch Verschieben der unteren Platte 17 entsprechend der Länge des Torsionsdrahtes eingestellt und mit den Klemmschrauben 11 fixiert.The upper plate 2 is fixedly connected to the base plate 14 by tripod columns 8. In the axially displaceable lower plate 17 guide bushings 13 are attached and clamping screws 11 are attached. The distance between the upper plate 2 and the lower plate 17 is adjusted by moving the lower plate 17 according to the length of the torsion wire and fixed with the clamping screws 11.

Der zu untersuchende Torsionsdraht 4, an dem der axial durchbohrte Rotationskörper 6 mit bekanntem Trägheitsmoment mit Hilfe der Klemmschrauben 5 und 7 befestigt ist, ist in die obere Spannzange 3 und die untere Spannzange 9 torsionsfrei eingespannt. Die untere Spannzange 9 ist in der unteren Platte 17 axial verschiebbar und mit Hilfe der in der Nut 12 der unteren Platte geführten Feder 10 gegen Verdrehung gesichert.The torsion wire 4 to be examined, to which the axially pierced rotary body 6 with known moment of inertia is fastened by means of the clamping screws 5 and 7, is clamped in the upper collet 3 and the lower collet 9 in a torsion-free manner. The lower collet 9 is axially displaceable in the lower plate 17 and secured by means of guided in the groove 12 of the lower plate spring 10 against rotation.

Mit Hilfe der Mutter 15 ist über die Schraubenfeder 16 dem Torsionsdraht eine axiale Vorspannung erteilt. Die obere Spannzange 3 ist um ihre Achse in der oberen Platte 2 drehbar. Die Klemmschraube 19 dient zur Arretierung der Spannzange 3. Sie ist mit einem Einstellknopf 1, der zur Einstellung des Torsionswinkels α dient, fest verbunden. An dem Einstellknopf 1 ist eine Skale 21 angebracht. Gegenüber dieser Skale befindet sich auf der oberen Platte 2 eine feste Marke 20. Gegenüber dem an dem Rotationskörper 6 befestigten kleinen Spiegel 18 sind ein Lichtsender 22 und ein Lichtempfänger 23 in einer zur Rotationskörperachse rechtwinkligen Ebene so angeordnet, daß der vom Lichtsender 22 ausgehende Lichtstrahl vom Spiegel 18 reflektiert wird und auf den Lichtempfänger 23 auftrifft. Lichtsender und -empfänger sind in nicht näher dargestellter Weise um die Achse des Rotationskörper 6 schwenkbar.With the help of the nut 15, the torsion wire is given an axial prestress via the helical spring 16. The upper collet 3 is rotatable about its axis in the upper plate 2. The clamping screw 19 serves to lock the collet 3. It is firmly connected to an adjustment knob 1, which serves to adjust the torsion angle α. On the knob 1, a scale 21 is attached. Opposite this scale is located on the upper plate 2 a fixed mark 20. Opposite the mounted on the rotary body 6 small mirror 18, a light transmitter 22 and a light receiver 23 in a plane perpendicular to the rotation axis axis are arranged so that the outgoing light from the light emitter 22 from the Mirror 18 is reflected and incident on the light receiver 23. Light emitter and receiver are pivotable about the axis of the rotary body 6 in a manner not shown.

Nach Lösen der Klemmschraube 19 wird durch kurze Auslenkung und Rückdrehung des Einstellknopfes 1 das Feder-Masse-System, bestehend ausTorsionsdraht 4 und Rotationskörper 6 mit dem Spiegel 18, in Torsionsschwingungen kleiner Amplitude versetzt. Danach wird die obere Spannzange 3 mit Hilfe der Klemmschraube 19 wieder fixiert.After loosening the clamping screw 19 is by short deflection and reverse rotation of the knob 1, the spring-mass system consisting of torsion 4 and rotating body 6 with the mirror 18, set in torsional oscillations small amplitude. Thereafter, the upper collet 3 is fixed by means of the clamping screw 19 again.

Der den Lichtempfängef 23 periodisch passierende, vom Spiegel 18 reflektierte Lichtstrahl erzeugt im Lichtempfänger 23 eine Impulsfolge, die der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems entspricht. Der Lichtempfänger 23 ist mit einer nicht dargestellten elektronischen Einrichtung verbunden, die in an sich bekannter Weise die Periodendauer T dieser Impulsfolge ermittelt und zur Anzeige bringt. Damit können die Richtkonstanten des Systems nach Gleichung I oder der beiden Teilfedern nach den Gleichungen Il und III errechnet werden.The periodically passing the Lichtempfängef 23, reflected by the mirror 18 light beam generated in the light receiver 23, a pulse train corresponding to the natural frequency of the spring-mass system. The light receiver 23 is connected to an electronic device, not shown, which determines in a conventional manner, the period T of this pulse sequence and brings to the display. Thus, the directional constants of the system according to equation I or the two part springs can be calculated according to equations II and III.

Nach erneutem Lösen der Klemmschraube 19 wird der Einstellknopf 1 und die mit diesem verbundene obere Spannzange 3 unter Nutzung der Skale 21 und der Marke 20 um einen Winkel α' verdreht und wieder fixiert. Der Betrag des Winkels α' ist dabei von der gewünschten Stufung der Meßwerte abhängig. Die Eigenfrequenz des durch den Einstellvorgang erneut in Torsionsschwingung versetzten Feder-Masse-Systems führt bei einer nichtlinearen Federkennlinie des Torsionsdrahtes 4 zu einer anderen Periodendauer, aus der erneut Richtkonstanten nach den Gleichungen I bis III errechnet werden können. Auf diese Weise werden in beliebiger Abstufung des Vorspannwinkels α des Torsionsdrahtes jeweils mit Hilfe kleiner Schwingungsamplituden die Richtkonstanten D in Abhängigkeit vom Vorspannwinkel α gemessen. Man erhält damit die Funktion D = f(a), die grafisch dargestellt oder durch eine mathematische Beziehung ausgedrückt und als Korrekturfunktion beim Einsatz des Torsionsdrahtes, z. B. in einem Rotationsviskosimeter hoher Genauigkeit zur Absolutbestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten, verwendet werden kann.After re-loosening the clamping screw 19, the knob 1 and the associated with this upper collet 3 using the scale 21 and the mark 20 by an angle α 'twisted and fixed again. The amount of the angle α 'is dependent on the desired gradation of the measured values. The natural frequency of the spring-mass system, again set in torsional vibration by the adjustment process, leads to a different period duration for a non-linear spring characteristic of the torsion wire 4, from which it is again possible to calculate the reference constants according to equations I to III. In this way, in each step of the pretensioning angle α of the torsion wire, in each case with the aid of small oscillation amplitudes, the directional constants D are measured as a function of the pretensioning angle α. This gives the function D = f (a), which is shown graphically or expressed by a mathematical relationship and as a correction function when using the torsion wire, z. B. in a high-precision rotational viscometer for the absolute determination of the viscosity of liquids.

Claims

Device for determining the directional constants of torsion springs by measuring the period of oscillation of a torsion pendulum bearing a body of known moment of inertia, the elastic element of which is the torsion spring clamped at both ends in the fixture vertically fixed to one another in the device, at the between the two clamping points of the body is fixed with a known moment of inertia, whose oscillation period is measured in a known manner and the directional constant is calculated, characterized in that one of the two clamping points is rotatable relative to the other about the common vertical axis, that the rotatable clamping point during the measurement in their respective situation with a clamping screw is fixed and that a scale for indicating the amount of rotation is attached to the rotatable clamping point.

For this 1 page drawings

Field of application of the invention

The invention relates to a device for determining the directional constant D of torsion springs by measuring the period of oscillation T of a body with a known moment of inertia Θ afflicted torsion pendulum whose elastic element is the torsion spring to be examined and the calculation of the directional constants from the period of oscillation of the torsional vibration according to the equation

D = ^ iL

Devices of the type mentioned have the advantage that no bearings, pulleys or cables are required whose mechanical friction is the cause of measurement errors. They are used to determine the directional constants of torsion springs for high accuracy measuring instruments, in which the torsion angle α of the spring serves as a measure of the size to be measured, z. B. for rotational viscometer with a cylindrical body attached to a torsion wire, in which the force exerted on this body by the liquid flowing around it is measured torque. The knowledge of the reference constants is particularly important if it is required in the implementation of absolute determinations of physical quantities for the calculation of these quantities from the geometric and physical parameters of the measuring device.

Characteristic of the known technical solutions

To measure the directional constants of torsion springs by calculation from the period of oscillation of the torsional vibration of a torsion pendulum devices are known in which the torsion spring is firmly clamped at the top and at the bottom of a body with a known moment of inertia is attached. The system is set in torsional vibration and measured in a known manner whose Schwinguhgsdauer. From this, the directional constant is calculated according to equation I. There are also known devices in which the torsion spring is firmly clamped at both ends and the body is fixed with a known moment of inertia at a location lying between the clamping points. In this case, the torsion spring consists of two parallel acting springs of lengths I ₁ and I ₂ . The determined directivity then applies to the system of parallel acting springs. The guideline constants of the two individual feathers result from this

D ₁ --5- 11