DE102005036613B4

DE102005036613B4 - Messvorrichtung für kleine Relativdehnungen

Info

Publication number: DE102005036613B4
Application number: DE200510036613
Authority: DE
Inventors: Felix Freiherr von Hertling
Original assignee: FLINTEC GmbH
Current assignee: FLINTEC GmbH
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2025-08-02
Also published as: DE102005036613A1

Abstract

Messvorrichtung zur Messung der relativen Querschnittsänderung an einem zu vermessenden Teil bestehend aus einem Messbügel (2) mit Dehnungsmessstreifen-(DMS)-Sensor (8), Gewindespindeln (3; 5) mit Messköpfen (4; 6) und einer Überlastsicherung (9), gekennzeichnet durch
– einen symmetrischen Aufbau mit Anordnung des zu vermessenden Teils (1) und des DMS-Sensors (8) auf der Symmetrieachse durch die Mitte des Messbügels (2),
– eine Werkstoffauswahl für Messbügel (2), Gewindespindeln (3; 5) und Messköpfe (4; 6) mit möglichst gleichen linearen Temperaturausdehnungskoeffizienten α_th,
– die Ausführung der Überlastsicherung (9) in Form eines sich unter zunehmender Messkraft schliessenden Spaltes mit definierter Ausgangsbreite,
– eine Anordnung der DMS-Messgitter (10; 11) auf dem Sensor (8) mit möglichst geringem Abstand zueinander, wobei sich je zwei Messgitter auf der Vorder- und Rückseite befinden,
– Verschaltung der DMS (10; 11) zu einer Wheatstone-Brücke mit 4 aktiven Messgittern sowie Abgleich- und Kompensationsmitteln zur Verminderung von Temperatureinflüssen auf das Messsignal,...

Description

Aus dem allgemeinen Werkstattzubehör für Mechaniker sind Bügel-Meßschrauben bekannt, deren Anzeigeauflösung bis in den Bereich 0,5 × 10^–6 m (micro-meter) reicht. Hierfür gibt es viele Ausführungsbeispiele mit analoger oder digitaler Anzeige, bestehend aus dem mechanischen, elektrischen oder opto-elektronischen Meßsystem und aus einem der Messaufgabe angepassten U- oder C-förmigen Messbügel. Beispiele sind in den Katalogen aller namhaften Messmittelhersteller zu finden. Diese Messbügel werden entweder von Hand oder durch eine entsprechende Haltevorrichtung an das zu vermessende Objekt herange-führt. Um eine Verformung von Messbügel und/oder Objekt zu vermeiden, ist die Messkraft ausreichend niedrig einzustellen. Die Messung muss unter stationären Bedingungen erfolgen.
Abmessungen an Objekten, die unter der Wirkung von inneren oder äusseren Kräften oder Einflüssen wie Mediendruck, Temperatur oder elektrische Energie ihre Form und Abmessung schnell ändern, können nach diesem Prinzip nicht erfasst werden. Hierzu werden aufwendigere elektrische oder optische Messverfahren benötigt.
Weiterhin ist es durch die geringe Messkraft nicht möglich, eine Bügel-Messschraube dieser Ausführungsform am Objekt allein durch ihre eigene Messkraft festzuhalten, insbesondere wenn das zu messende Objekt Vibrationen ausgesetzt ist. Wie die Dokumente US 4 911 004 und US 3 535 937 zeigen, sind im Stand der Technik auch Messvorrichtungen zur Messung der relativen Querschnittsänderung an einem zu vermessenden Teil bekannt. Die aus den beiden Dokumenten bekannten Messvorrichtungen weisen jedoch keine Überlastsicherung auf. Darüber hinaus ist die aus der US 4 911 004 bekannte Messvorrichtung unsymmetrisch bezüglich der Achse durch das zu vermessende Teil aufgebaut.
Die genannten Nachteile im Stand der Technik werden mit einer Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beseitigt.
Eine vorteilhafte Ausführung der Messvorrichtung (Blatt 1, Zeichnung Nr. 1) besteht darüber hinaus aus einem einteiligen Bügel (2), der auch zugleich den Federkörper für den Sensor (8) bildet, aus einer einstellbaren Stange oder Spindel (3) mit dem unteren Messkopf (4) der drehbar, aber nicht winkelbeweglich auf (3) montiert ist, aus einer über das Handrad (7) verstellbaren Spindel (5) mit selbsthemmendem Feingewinde und mit dem oberen Messkopf (6), welcher auf der Spindel (5) drehbar und winkelbeweglich gelagert ist. Der zu messende Gegenstand (1) wird zwischen den Messköpfen (4) und (6) eingeklemmt, die Klemmkraft beträgt etwa die Hälfte der Klemmkraft für maximales Ausgangssignal der DMS-Vollbrücke (10, 11) und liegt je nach Baugröße im N oder daN-Bereich. Diese Klemmkraft ist in Verbindung mit einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Messköpfe (4) und (6) ausreichend, um die Messvorrichtung selbst an Teil (1) während der Messung sicher zu fixieren. Dadurch entfällt jede zusätzliche Befestigung oder Aufhängung der Messvorrichtung. Anwendbar ist dieses Verfahren an Bauteilen ausreichender Festigkeit, deren Formänderung durch diese Klemmkraft nicht behindert wird. Baugrösse der Vorrichtung und Höhe der Klemmkraft sind entsprechend der Messaufgabe zu wählen.
Dieser, durch die mittels der Spindel (5) erzeugten Klemmkraft fixierte Zustand, ist die Ausgangslage (Referenz- oder Null-Lage) für eine beabsichtigte Messung der relativen Querschnittsänderung am eingespannten Teil (1). Die Querschnittsänderung bewirkt eine Änderung der Klemmkraft F und damit eine Änderung des Ausgangssignals der DMS-Vollbrücke (10, 11). Die Querschnittsänderung von Teil (1) und damit die Änderung des Ausgangssignals der DMS-Vollbrücke kann positives oder negatives Vorzeichen haben. Die dadurch bewirkte Änderung der Klemmkraft F ist gegenüber der mittels Spindel (5) voreingestellten Klemmkraft gering. Damit bleibt die Messvorrichtung auch bei negativen Querschnittsänderungen von Teil (1) in ihrer Lage fixiert. Eine Kalibrierung des Ausgangssignals der Messvorrichtung erfolgt indirekt durch Beanspruchung von Teil (1) in definierter Höhe oder direkt durch Vorgabe einer definierten Veränderung des Abstandes der Messköpfe (4; 6) zueinander.
Der dem maximalen Ausgangssignal der DMS-Vollbrücke (10, 11) entsprechende Messweg zwischen den Messköpfen (4) und (6) beträgt je nach konstruktiver Ausgestaltung und Baugrösse der Messvorrichtung 0,5 bis 1 mm. Dieser Messweg ist proportional dem Ausgangssignal der DMS-Vollbrücke und wird mit den aus der Kraftmess- und Wägetechnik bekannten Präzisions-Messverstärkern auf 50 000 bis 100 000 Teile aufgelöst. Das entspricht einer Messweg-Auflösung von 0,01 × 10^–6 m (micro-meter) oder 10 × 10^–9 m (nano-meter). Um thermische Effekte wie Längenänderungen oder Temperaturgradienten innerhalb der DMS-Vollbrücke zu minimieren, ist die Messvorrichtung symmetrisch aufgebaut, die DMS und das eingespannte Teil (1) nahe der Mittelachse A-B angeordnet.
Eine zweckmässige Ausführungsform des Federkörpers (2) enthält einen Überlastanschlag in Form eines Spaltes (9) der sich mit zunehmender Klemmkraft F schliesst. Schnitt A-B, Zeichng. Nr. 2, verdeutlicht diese Anordnung. Auf Blatt 2, Zeichnung Nr. 3, ist die Anordnung der DMS-Messgitter dargestellt, welche in bekannter Weise zu einer Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet werden. Die beiden Messgitter des DMS (11) werden durch die Klemmkraft F gedehnt, die DMS (10) entsprechend gestaucht. (Blatt 1, Zeichng Nr. 1) Dieser Sensor (8) stellt eine Biegefeder dar, die durch die Bügelmessschraube mit einem über die Länge der Biegefeder konstanten Biegemoment F × I beaufschlagt wird. Dadurch sind die Dehnungen auf der Vorder- und Rückseite der Biegefeder ebenfalls über ihre Länge konstant, die darauf applizierten DMS (10, 11) werden gleichmässig beansprucht und erzeugen somit ein hohes Messsignal. Ein für den praktischen Einsatz der Messvorrichtung erforderliches Schutzgehäuse über dem Bereich des Sensors (8) an Teil (2) wurde der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Ebenso wurden die für den elektrischen Anschluss der DMS erforderlichen Kabel und Abgleicheinrichtungen nicht dargestellt.
Eine weitere zweckmässige Ausführungsform der Messvorrichtung enthält einen aus drei Teilen (2, 2a, 2b) zusammengefügten Messbügel (Blatt 2, Zeichng. Nr. 4). Dadurch ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, das als Sensor ausgestaltete Teil (2) aus einem anderen Werkstoff anzufertigen als der Werkstoff für die Teile (2a, 2b).
Die erfindungsgemässe Messvorrichtung kombiniert die Funktion und Bauform einer Bügel-Messschraube mit einem Sensor nach dem aus der Wäge- und Kraftmesstechnik bekannten Prinzip der Dehnungsmessstreifen-(DMS)-Widerstandsmessbrücke nach Wheatstone. Die dabei erzielbaren Auflösungen für kurzzeitige relative Formänderungen liegen um 2 Grössenordnungen höher als bei den bisher bekannten Bügelmessschrauben.
Die erfindungsgemässe Messvorrichtung kann durch ihren einfachen Aufbau und ihre geringen Abmessungen in Verbindung mit einem transportablen, gegebenenfalls auch batteriebetriebenen Messverstärker mit Anzeige direkt an das zu prüfende Teil angeklemmt werden. Zum Beispiel in Versuchsaufbauten zur Prüfung der Bauteilfestigkeit, Zug-Druck-Prüfmaschinen für Werkstoffproben, Hydraulikanlagen, Druckprüfständen etc..

Claims

Messvorrichtung zur Messung der relativen Querschnittsänderung an einem zu vermessenden Teil bestehend aus einem Messbügel (2) mit Dehnungsmessstreifen-(DMS)-Sensor (8), Gewindespindeln (3; 5) mit Messköpfen (4; 6) und einer Überlastsicherung (9), gekennzeichnet durch – einen symmetrischen Aufbau mit Anordnung des zu vermessenden Teils (1) und des DMS-Sensors (8) auf der Symmetrieachse durch die Mitte des Messbügels (2), – eine Werkstoffauswahl für Messbügel (2), Gewindespindeln (3; 5) und Messköpfe (4; 6) mit möglichst gleichen linearen Temperaturausdehnungskoeffizienten α_th, – die Ausführung der Überlastsicherung (9) in Form eines sich unter zunehmender Messkraft schliessenden Spaltes mit definierter Ausgangsbreite, – eine Anordnung der DMS-Messgitter (10; 11) auf dem Sensor (8) mit möglichst geringem Abstand zueinander, wobei sich je zwei Messgitter auf der Vorder- und Rückseite befinden, – Verschaltung der DMS (10; 11) zu einer Wheatstone-Brücke mit 4 aktiven Messgittern sowie Abgleich- und Kompensationsmitteln zur Verminderung von Temperatureinflüssen auf das Messsignal, – eine Belastung des Sensors (8) mit Biegemomenten F × I an beiden Enden und daraus resultierende konstante Dehnungsverteilung in den Applikationsflächen für die DMS (10; 11), – die Nutzung der von den Spindeln (3; 5) erzeugten Axialkraft F als Messkraft und zugleich als Klemmkraft zur Fixierung der Messvorrichtung am zu vermessenden Teil (1) und – die Definition der eingestellten Klemmkraft-Messkraft F als Null-Lage, wodurch die Messung von positiven und negativen Querschnittsänderungen von dem zu vermessenden Teil (1) ermöglicht wird.
Messvorrichtung gemäss Anspruch 1., gekennzeichnet durch einen 3- oder mehrteiligen Aufbau des Messbügels (2; 2a; 2b), wobei die Hebelarme (2a; 2b) aus einem Werkstoff mit geringerem linearen Temperaturkoeffizienten α_th gefertigt sind als der Teil des Messbügels der den Sensor (8) beinhaltet.