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Kraftmeß einrichtung Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßeinrichtung,
insbesondere zur Ermittlung pneumatischer oder hydraulischer Drücke. Einrichtungen
dieser Art werden sowohl zur Messung einzelner Drücke als auch in geeigneter Variation
zur Messung von Differenzdrücken verwendet.
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Die Erfindung bezweckt, eine stabile und sich durch besonders gedrängte
Bauweise auszeichnende Einrichtung hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit zu schaffen.
Erreicht wird dies dadurch, daß ein seine Ausdehnung in Richtung einer Achse unter
der Kraftwirkung verändertes Glied in Richtung der Achse an seinem einen Ende an
einem mit Meßelementen versehenen Stützglied und an seinem anderen Ende an einem
federnden Stützglied befestigt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung sind die federnden Stützglieder in ihren
Federungseigenschaften einstellbar, wodurch die Möglichkeit einer Empfindlichkeits-und
Meßbereichsregulierung sowie einer Anpassung an .die gegebenen räumlichen und konstruktiven
Verhältnisse geschaffen wird.
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Nach einem weiteren Erfindungsgedanken wird durch spiegelbildliche
Verdoppelung eine Differenzdruckmeßeinrichtung geschaffen, bei der sich die Einstellbarkeit
der Federungseigenschaften der federnden Stützglieder besonders vorteilhaft auswirkt,
da hierdurch zusätzlich noch ein Ausgleichen der physikalischen und geometrischen
Verschiedenheiten der einzelnen Bauteile ermöglicht wird. Die Schwierigkeit, eine
gegenseitig angepaßte Betriebsweise zu erzielen, entspringt der Tatsache, daß die
einer Kraftwirkung unterliegenden Glieder selten die gleichen Nutzflächen besitzen,
wo ein hoher Genauigkeitsgrad gefordert wird.
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Die einer Kraftwirkung unterliegenden Glieder können jede bekannte
Form haben, wie z. B. die eines Metall- oder Plastikbalges oder eines Elementes
mit Blende, Kolben und Zylinder, die in einem der Kraftwirkung entgegengesetzten
Sinne durch eine Feder ähnlich der Federwirkung, die einemBalg innewohnt, vorgespannt
werden.
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Weitere Einzelheiten sind den Zeichnungen sowie der nachfolgenden
Beschreibung zu entnehmen. Es zeigt in schematischer Darstellung Fig. 1 den Seitenriß
einer Differenzdruckmeßeinrichtung, Fig. 2 den Grundriß gemäß Fig. 1, Fig. 3 ein
Ersatzschaltglied für die eine Hälfte der Einrichtung nach Fig. 1, Fig. 4 eine besondere
Ausführungsform eines einer Kraftwirkung unterliegenden Gliedes mit einstellbarer
Empfindlichkeit.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, ist auf einer Montagebasis 1 ein mit Meßelementen
10 versehenes Stütz-
glied 2, das - vorzugsweise, aber nicht unbedingt -federnde
Eigenschaften besitzt, angeordnet. Dieses wird an seinem unteren Ende mittels Schrauben
3 auf der Basis 1 aufgeschraubt.
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Um das Glied 2 auf einer gegebenen Mitte 4 zu lagern (Fig. 2), ist
die Basis bei 5 ausgespart. Das Glied 2 ist vorzugsweise als Mehrfach-Biegestab
ausgebildet, indem in einem vollen Glied zwei Löcher 6 vorgesehen und durch einen
Schlitz 7 miteinander verbunden sind. Hierdurch werden Parallelstäbe 8 und 9 geschaffen,
die an beiden Enden fest miteinander verbunden sind. Die Kraft, die am freien Ende
des Stabes angreift, kann durch geeignete Mittel gemessen werden, besonders, wie
hier gezeigt, durch elektrische Dehnungsmeßstreifen 10 des gekitteten Fadentyps,
die an den inneren Flächen der Löcher 6 angeordnet sind. Die Meßstreifen sind in
bekannter Weise zu einer Wheatstoneschen Brücke zusammengeschaltet. Der Mehrfach-Biegestab
ist besonders vorteilhaft, weil er relativ steif ist und daher einen relativ geringen
Ausschlag bei gutem Meßeffekt hat.
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Ebenfalls bleiben die oberen Enden horizontal während der Bewegung,
anstatt sich in einem Winkel zu neigen, wie es der Fall ist bei einem Einzelstab,
der in einem Bogen schwingt.
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Die der Kraftwirkung unterliegenden Glieder 12 und 13, für pneumatisch
oder hydraulisch wirkende Einrichtungen vorzugsweise in der Form von Bälgen ausgebildet,
sind an ihren inneren Enden fest verbunden mit dem freien Ende des Gliedes 2 und
vorzugsweise,
jedoch nicht unbedingt, in axialer Ausrichtung zueinander,
so daß die inneren Enden der Bälge fest miteinander verbunden sind. Die äußeren
Enden der Bälge tragen geeignete Stiftschrauben 14 mit gekürzten Gewindeenden 15,
die durch die Muttern 16 an das obere Ende der Stützglieder 17 angeklemmt werden,
die begrenzte, aber einstellbare Biegsamkeit besitzen. Die unteren Enden dieser
Stützglieder 17 werden mit der Basis 1 mittels geeigneter Schrauben 18 verschraubt.
Beide Enden der Stützglieder 17 weisen Vertikalschlitze 19 und 20 auf, durch welche
die mit Gewinde versehenen Stiftschrauben 15 und die Schrauben 18 durchragen.
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Der Begriff vertikal, der hier verwendet wird, ist ein relativer
Begriff insofern, als die Einrichtung jede gewünschte Lage einnehmen kann. Die Stützglieder
17 und die Verbindungen für die Bälge und Basen sind für jedes Glied identisch,
und es genügt daher die Beschreibung von einem für beide.
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Das untere Ende 22 des Stützgliedes 17 ist stärker als der sich nach
oben ausdehnende flexible Teil. Es ist daher bei konstantem Abstand zwischen Basis
1 und Balg 13 möglich, die federnde Länge des Stützgliedes relativ zu verändern,
indem man das Stützglied in den Schlitzen 19, 20 aufwärts oder abwärts schiebt.
Die federnde Länge des biegbaren Gliedes 17 ist für jede bestimmte Lage der Abstand
zwischen der Schulter 23 und dem Punkt, an dem die Mutter 16 das Stützglied mit
der Schraube 14 verbindet.
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Die verringerte Stärke des Stützgliedes 17 ist so berechnet, daß
sie diesem eine vorbestimmte Biegsamkeit oder Federung verleiht, die sich mit der
federnden Länge des Gliedes verändert. Die Ausnutzung dieser Federung in Verbindung
mit der Federung des Balges und des Biegestabes 2 erlaubt nicht nur die Einstellung
des Bereiches für die Einzeldruck- oder Differenzdruckmeßeinrichtung, sondern kompensiert
auch den Unterschied in den Nutzflächen der sich gegenüberstehenden Bälge 12, 13
bei der Differenzialdruckmeßeinrichtung. Die Bälge 12 und 13 dehnen sich aus und
ziehen sich zusammen längs einer Achse B, je nachdem, ob der auf sie wirkende Druck
sich vergrößert oder verringert. Sie besitzen eine federnde Wirkung, welche sie
in ihre natürliche Lage zurückkehren läßt, nachdem sie durch den Druck gedehnt oder
zusammengezogen wurden.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Einrichtung, bei der die Einstellbarkeit
der aktiven Biegelänge des Gliedes 17 es erlaubt, Bälge mit unterschiedlichen Nutzflächen
zu kompensieren, dient das Ersatzbild in Fig. 3. Dieses stellt unter Vernachlässigung
des Balges 12 eine Einzeldruckmeßeinrichtung dar, die empfindlich ist gegenüber
dem auf Balg 13 wirkenden Druck. Die Steifigkeit der drei federnde Elemente ist
mit K2, K1 bzw. K3 bezeichnet.
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Innerhalb des Balges 13 wirkt ein Druck P auf eine Nutzfläche A.
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Die Kraft, die auf den Biegestab 2 einwirkt, ist
| PA = 1 PA (1) |
| Kraft K1K2 K K + K2 K2 = 1 K2 PAF |
| K8 K1 |
Weml wir weiterhin annehmen, daß K3 unendlich groß ist, das bedeutet sehr steifer
Biegestab 2, vereinfacht sich die Formel auf
woraus zu ersehen ist, daß durch die Auswahl der relativen Größen der Steifigkeit
K und K2 die Kraftwirkung auf die Meßelemente variiert werden kann.
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Es ist ebenfalls daraus ersichtlich, daß mit An-K2 wachsen des Ausdrucks
KKa die Kraftwirkung gegen K2 Null geht, während mit kleiner werdendem K2 die Kraftwirkung
sich dem Betrag PA nähert. Durch geeignete Wahl von K2 , d. h. der relativen Steifig-K1
keit, kann jeder zwischen diesen beiden Extremen liegende Arbeitspunkt gewählt werden.
Falls K3 iii (I) nicht fühlbar unendlich ist im Verhältnis zu W-l und K2, wird der
Bereich beeinflußt durch die Anwesenheit des Begriffes K2 , doch bleibt das Prinzip
K3 unverändert. In der Praxis wird das Verhältnis vorzugsweise so klein genommen,
daß die einfachere Gleichung (11) eine dichte Annäherung an die Tatsachen ist.
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Durch Einstellen der federnden Länge der Stützglieder 17 ist es bei
der Differenzialdruckmeßeinrichtung möglich, den Unterschied in den Nutzflächen
der Bälge 12 und 13 auszugleichen, wodurch ihre Nutzkräfte, die am Biegestab 2 angreifen,
für einen bestimmten Druck zum Ausgleich gebracht werden, obwohl die Achsen dieser
Bälge und ihre Verbindung zum Biegestab 2 jederzeit fest bleiben. Aus der Er-
läuterung
der Prinzipien ist zu entnehmen, daß die Stützglieder 17 stabil genug sind, um kräftige
Stützen für die Bälge zu bilden und den in diesen auftretenden Drücken zu widerstehen,
und doch den erforderlichen geringen Betrag Biegsamkeit besitzen im Vergleich zu
der des Biegestabes 2. Die gesamte Einrichtung kann somit äußerst robust gehalten
werden bei Gewährleistung eines hohen Empfindlichkeits- und Genauigkeitsgrades in
Verbindung mit leichter Einstellungsmöglichkeit zum Ausgleich der Unterschiede in
den Nutzflächen der Bälge.
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Die relative Steifigkeit der Bälge 12, 13 und der Glieder 17 kann
weiterhin auch verändert werden durch Bereitstellung eines Mittels zur Einstellung
der Steifigkeit der Bälge, wie z. B. in Fig. 4 dargestellt. Hier sind zwei Federlaschen
26, 27 mit den Enden des Balgs 13 verbunden und mit Distanzsticken 28 und 29 ausgerüstet,
welche in Längsrichtung der Laschen eingestellt werden können, z. B. auf die Stellungen
28' und 29', um die Gesamtsteifigkeit des Balges zu verändern.
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Die vorstehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen dient lediglich
zur Erläuterung, ohne daß dadurch der Umfang der Erfindung auf diese Ausführungen
beschränkt werden soll.