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Verfahren zum Messen von Kräften und Momenten und pneumatische Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen
von Kräften und Momenten und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Diese zu messenden Kräfte sind einzelne diskrete, immer in vorbestimmter
Lage zueinander angeordnete Kräfte, wie z.B. Gewicht, Schub, Auftrieb, Widerstand
usw. eines Flugzeuges.
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Treten weitere Kräfte, z. B. eine Schubkomponente, in einer Richtung
auf, in welcher nicht gemessen wird, so übt diese Kraftkomponente, wie Ider Erfindungsgedanke
dies will, auf die Messung auch keinen Einfluß aus.
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Die bekannten Verfahren benutzen zur Messung von Kräften und Momenten
entweder Hebelsysteme oder Federn. Bei den Hebelsystemen wird auf Grund Ides Momentensatzes
der Gleichgewichtszustand bestimmt.
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Federwaagen messen die durch eine zu messende Kraft hervorgerufene
Stauchung oder Streckung einer Feder; Kraft und Federweg werden mittels Proportionalitätsfaktoren
ineinander übergeführt.
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Mit diesen früher bekannten Verfahren und Vorrichtungen lassen sich
nur einzelne, in bestimmten Richtungen wirkende Kräfte messen. Zur gleichzeitigen.
Messung mehrerer Kräfte oder zur Messung von in verschiedenen Richtungen wirkenlden
Kräften sind im allgemeinen auch mehrere Vorrichtungen erforderlich. Bei Messung
von mehreren Kräften müssen diese jeweils rechnerisch addiert und subtrahiert werden,
was zu Bestimmungsfehlern und Zeitverlusten führt.
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Auch ist bei den bekannten Systemen die lDbertragungsentfernung von
der Wiegeeinrichtung zum Anzeigegerät infolge unzulässig hoher Reibungs- und Temperatureinflüsse
begrenzt. Zudem sind bei Federwaagen die benutzbaren Meßbereiche bezüglich Empfindlichkeit
und Genauigkeit sehr beschränkt.
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Die Erfindung bezweckt, diese Mängel zu beheben.
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Das Verfahren zum Messen von Kräften und Drehmomenten ist dadurch
gekennzeichnet, daß man einen Wiegetisch mittels Abstützorganen derart befestigt
und diese so anordnet, daß unter dem Einfluß der zu messenden Kraft eine Zerlegung
dieser Kraft in verschiedene Nichtparallelkomponenten erfolgt, von welchen man diejemgen
Komponenten mißt, welche von anderen Kräften als der zu messenden praktisch nicht
beeinflußt werden können.
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Die ebenfalls Gegenstand vorliegender Erfindung bildende Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens besitzt einen Wiegetisch, eine pneumatische Meß-,
tSbertragungs- und Empfängervorrichtung und eine Anzeigevorrichtung und zeichnet
sich aus durch Abstütz- und Halteorgane, die derart angebracht sind, daß sie Bewegungen
in Richtung der zu messenden Kraft und der zu messenden Komponenten erlauben.
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Das Verfahren und die zu dessen Durchführung
dienende Vorrichtung
werden im folgenden an, Hand einiger Anwendungsbeispiele mittels Zeichnungen erläutert.
Es zeigt schematisch Fig. 1 den allgemeinen Aufbau einer Wiegeanlage, Fig. 2 eine
Wiegeanlage zur Messung vertikaler Kräfte, Fig. 3 eine Wiegeanlage zum Messen von
Momenten, Fig. 4 bis 7 Wiegeanlagen mit Abstütz- und Halteorganen.
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Über einenWaagetisch (nicht dargestellt) wirkt auf einen Stift 3
an einem Meßgerät 1 eine zu messende Kraft 2. Diese Meßgröße 2 wird über den Stift
3 auf eine kreisförmige Membran 4 geleitet, welche ein zylindrisches Gehäuse 5 quer
zur Rotationsachse in zwei annähernd gleiche Kammern 6 und 7 unterteilt. Die sich
daraus ergebenden Dosenräume werden über eine sich verzweigende Leitung 8 über Drosselblenden
16 mit Gas, zweckmäßig mit Luft, gespeist. Der Stift 3 trägt an seinen Durchtrittsstellen
durch das Gehäuse Ventilteller, welche zusammen mit dem Gehäuse Regulierspalte 9
festlegen. Jede Kammer besitzt eine durch diese Ventilteller kontrollierte Öffnung,
welche sie mit der Atmosphäre verbindet. Übertragerleitungen 10 verbinden das Meßgerät
1 mit einem ebenfalls zweikammerigen Empfänger 11, wobei diese Leitungen die beiden
entsprechenden zusammenarbeitenden Kammern verbinden. Der Empfänger 11 besteht aus
einem zweikammerigen, oben und unten eingespannten Balg
12. Eine
durch Druckunterschiede in den beiden Kammern hervorgerufene Verschiebung der Kammertrennwand
wird auf ein Hebelsystem 13 übertragen, an dessen Ende sich eine den Wert der zu
messenden Größe 2 anzeigende Vorrichtung 14 befindet. Bei sehr großen Druckdifferenzen
muß aus Festigkeitsgriinden an Stelle des Membranbalgempfängers ein Kolben verwendet
werden, dessen Zylinderbüchse zur Verminderung der Reibung in bekannter Weise ständig
eine oszillierende oder rotierende Bewegung ausführt.
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Wenn die Kraft 2 den Stift 3 nach unten drückt, bewegt dieser den
Regulierspalt 9 in der oberen Kammer 7 im Of n,ungssi,nn und in der unteren Kammer
6 im Schließsinn. Es baut sich somit in der Kammer 6 ein Druck auf, wogegen der
Druck in der Kammer 7 abnimmt. Bei entgegengesetzter Bewegung des Stiftes 3 liegen
die Druckdifferenzen in den beiden Kammern 6 und 7 umgekehrt. Die in den Kammern
6 und 7 herrschenden Drücke werden auf die Empfängermembran 11 geleitet, wo deren
Differenz die Trennwand und mit ihr -den Balg so lange verschiebt, bis Gleichgewicht
mit Fendelgewichten der Anzeigevorrichtung 14 herrscht.
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Während der Meßteil nur eine sehr geringe Auslenkung des Stiftes
3 erfährt, ist die Membran 12 des Empfängers 11 so dimensioniert, daß sie gut meßbare
Auslenkungen ausführt. Die Auslenkungen werden über das Gestänge 13, welches diese
allenfalls noch verstärkt, auf eine Anzeigevorrichtung 14 übertragen, wo die Größe
der zu messenden Kraft abgelesen werden kann.
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Einem sehr kleinen Weg des Stiftes 3 in der Größenordnung von einigen
Hundertteilen von mm kann auf der Ableseskala ein Ausschlag von einigen Dezimetern
entsprechen.
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Mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung lassen sich vertikale,
d. h. in zur Stiftachse 3 in Normalebenen gelegene Kräfte messen. Ein Waagetisch
25 ist gelenkig abgestützt und horizontal mit einem Halteorgan, dem Stift 3, verbunden,
wobei die Abstützungseinrichtung mit der Normalebene zur Stiftachse einen baulich
festgelegten Winkel i,,, festlegt. Die zu bestimmende Kraft G wird durch die Stützstäbe
26 und den Stift 3 komponentenweise aufgenommen. Die Stützstäbe 26 zerlegen die
Kraft G in die Komponenten G tgqp und Glcos G/cosw, welche nicht parallel sind.
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Die Größe der Totalkraft G wird im vorliegenden Falle mittels der
Komponente G tg tp gemessen. Da die Meßvorrichtung derart konstruiert ist, daß sie
mit sehr kleinen Meßwegen arbeitet (Bruchteile von mm), ändert sich der Winkel v
bei Belastung des Waagetisches praktisch nicht; ist daher eine Invariante des Systems.
und der Ableseteil 14 weist eine den zu messenden Kräften G proportionale lineare
Skala auf.
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Mit der in Fig. 3 dargestellten Anordnung ist es möglich, Momente
mittels einer Meßdose direkt zu messen. Der Momentenvektor muß bei dies er Anordnung
in einer Horizontalebene liegen. Die beiden vertikalen Stützen 22 leiten die beiden
das Moment bestimmenden Kraftvektoren über einen Tisch 31 an schief unter dem Winkel
2a gegeneinander geneigte, gelenkig gelagerte Stützen 32 weiter. Das Kräftepaar
Pl, P2 wird von den Stützen 32 in die Komponenten P1/cos 0, Po tg a und P2/cos a,
P2 tg a zerlegt und die gleichgerichteten horizontalen Komponenten PI tga und P2
tg a auf die Geberdose übertragen. Eine Beeinflussung der Messung durch andere Kräfte
(z. 13. das Geweicht bei einer Drehmomentenmessung eines Motors) ist nicht möglich,
da die zu messenden Komponenten -N'Cll anderen als dem zu messenden Drehmoment prak-
tisch
nicht beeinflußt werden. Auch ein auf den Waagetisch 21 wirkender Schub würde die
Momentenmessung nicht beeinflussen. Die Anzeigevorrichtung 14 wird wiederum entsprechend
geeicht, wobei alle Umrechnungsfaktoren als Invarianten des Wiegesystems betrachtet
werden können.
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In den Fig. 4 bis 7 sind Wiegeeinrichtungen dargestellt mit Ausführungen
von Abstütz- und Halteorganen.
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Das Eigengewicht eines Waagetisches 40 wird durch Abstützorgane 41
und ein Halteorgan 42, z. B. eine Feder, aufgenommen, währen!d Halteorgane 43 Bewegungen
des Waagetisches 40 in Horizontalebenen senkrecht zum Stift einer Membranmeßdose
44 verhindern. Die Abstützorgane41 können gelenkig (Fig.4 und 5) elastisch (eingespannt
gemäß Fig. 6 und 7) federnd oder auf Schneiden gelagert werden. Die Halteorgane
42 können mit den Stützorganen kombiniert werden (Fig. 6 und 7), so daß die inneren
Kräfte des Stützorgans den in Horizontalebenen wirkenden Kräftekomponenten des Waagetischeigengewichtes
das Gleichgewicht halten. In diesen Fällen wird die Membrandose 44 durch Eigengewichte
der Anlage nicht belastet. An Stelle des Halteorgans 42 (Fig. 5 und 4) kann als
Halteorgan auch der Stift 45 der Meßvorrichtung, welcher den Waagetisch 40 und Meßvorrichtung
44 miteinander verbindet, dienen. In diesem Falle wird die Meßdose44 durch das Eigengewicht
der Waagebrücke belastet und muß entsprechend tariert werden.
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An Stelle der vier Halteorgane 43 genügen zwei Halteorgane, wenn
diese als Zug-Druck-Stäbe ausgebildet sind.
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An Stelle der Federhalteorgane 42 können auch Gegengewichtszüge verwendet
werden.
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Verwendet man eingespannte, federnde Abstützorgane 46, wie sie in
Fig. 6 und 7 dargestellt sind, kann das Halteorgan 42 wegfallen.
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Werden zwei Abstützorgane 47 gemäß Fig. 7 so ausgeführt, daß sie
keine Querverschiebung des Waagetisches zulassen, so erübrigt sich das Anbringen
von Halteorganen 43.
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Abstütz- und Halteorgane müssen stets eine meßbare Deformationsbewegung
in Richtung der zu messenden Kraft und der zu messenden Komponenten ermöglichen.
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Durch Kombination der beschriebenen Ausführungen ist es möglich,
eine Wiegevorrichtung zu schaffen, mit welcher man jeden Kraft- und Momentenvektor
durch Messung seiner Komponenten bestimmen kann.
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Die Art der Komponentenerfassung und -aufteilung der Kräfte ist natürlich
nicht an eine elastische Abstützung im beschriebenen Sinne gebunden. Dazu können
auch Kugelgelenkverbindungen oder auf Schneiden gelagerte Balken Verwendung finden,
Bestimmend ist einzig die Lage der Wirkungslinie der zu messenden Größe bezüglich
der kraftaufnehmenden Richtung der Aufhängung.
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An Stelle von pneumatischen Meßdosen können auch andere Vorrichtungen
mit sehr steiler Belastungskurve (Belastung in Funktion des Ausschlages) verwendet
werden, also z. 13. Piezoquarze, Kondensatoren, Induktionsspeeker usw.