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Wiegevorrichtung mit einem auf Zug oder Druck beanspruchten rohrförmigen
Element Die Erfindung betrifft eine Wiegevorrichtung mit einem auf Zug oder Druck
beanspruchten rohrförmigen Element, auf welches in Richtung der Beanspruchung angeordnete
Dehnungsmeßstreifen aufgebracht sind, und mit einer konzentrisch zu dem rohrförmigen
Element angeordneten Hülse mit temperaturkompensierenden Dehnungsmeßstreifen.
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Derartige Gewichtsmeßelemente können mit Vorteil bei allen Wiegeeinrichtungen
verwendet werden.
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Sie können aber auch ständig in Silos oder Bunkern, Vorratsbehältern
und anderen Einrichtungen eingebaut sein, in denen eine Gewichtsmessung durchgeführt
werden soll.
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Bei den bisher bekannten Wiegevorrichtungen mit Dehnungsmeßstreifen
sind zur Temperaturkompensierung von der Last nicht beanspruchte Dehnungsstreifen
in den Meßbrücken angeordnet.
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Diese temperaturkompensierenden Meßstreifen sind an einer Schubhülse
symmetrIsch zu den von der Last beanspruchten Meßstreifen angeordnet. Hierbei können
jedoch Temperaturänderungen längs des Lastträgers oder plötzliche Temperaturänderungen
infolge nicht symmetrischer Temperaturverteilung Meßwertverfälschungen hervorrufen.
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Dieser Nachteil wird dadurch beseitigt, daß erfindungsgemäß die Hülse
aus zwei gleichen, an dem rohrförmigen Element angeordneten Teilen, getrennt durch
einen Spalt zum Herausführen der Anschlußdrähte, besteht.
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Dadurch stellt sich eine thermische Kompensation unabhängig davon
ein, ob ein Wärmefluß längs des Rohrelements oder plötzliche Temperaturänderungen
auftreten. Die Erfindung führt auf diese Weise zu einer symmetrischen Temperaturverteilung
sowohl im Rohrelement als auch in den Hülsen, welche zur Temperaturkompensation
dienende Dehnungsmeßstreifen tragen.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
erläutert. In den Zeichnungen stellt dar Abb. 1 eine perspektivische Ansicht einer
gemäß der Erfindung verbesserten Wiegevorrichtung ohne Schutzhülse, Abb. 2 einen
Längsschnitt durch die Wiegevorrichtung gemäß Abb. 1, Abb. 3 einen Längsschnitt
einer auf Druck beanspruchten Wiegevorrichtung, Abb. 4 die Abwicklung der Zylinderfläche
des Dynamometerrohrs in eine Ebene, Abb. 5 die Abwicklung der Zylinderflächen der
die äußeren Abschnitte des Dynamometerrohrs einhüllenden beiden Hülsen, Abb. 6 das
Schaltbild einer Wheatstoneschen Brücke mit den Meßgliedern, den Temperaturkompensationsgliedern
und Hilfswiderständen, Abb. 7 eine Seitenansicht teilweise im Längs schnitt des
Gewichtsmeßelements gemäß Abb. 3.
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Mit dem in Abb. 1, 2 und 4 dargestellten, vorzugsweise aus Stahl
gefertigten rohrförmigen Element 5 (im folgenden Dynamometerrohr genannt) ist eine
Anzahl von Gewichtsmeßgliedern verbunden, die genau symmetrisch an den diametral
einander gegenüberliegenden Enden des Rohrs angeordnet sind. Wie in Abb. 4 veranschaulicht
ist, sind sechs Meßglieder 11 bis 16 aus je einem Paar einander paralleler, in Längsrichtung
sich erstreckender Drähte gebildet, die sehr eng aneinanderliegen und in entgegengesetzten
Richtungen von einem Strom durchflossen werden. Die Verringerung der unerwünschten
Induktivität der Meßglieder durch Wickeln des Drahtes als eine Doppelader ist an
sich bekannt.
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Die nachfolgende Beschreibung der Ausbildung und der Befestigung
der Widerstandsmeßdrähte sowie die speziell, nicht in den Patentansprüchen gekennzeichnete
konstruktive Ausbildung der Wiegevorrichtung bilden nicht Gegenstand des Schutzbegehrens.
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Der Draht der Gewichtsmeßglieder kann aus bekannten Legierungen bestehen,
welche in kleinen Drahtgrößen und in bekannten Legierungszusammensetzungen erhältlich
sind.
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Vorzugsweise wird Draht aus Kupfer-Nickel-Legierungen verwendet,
in welchen als Grund-
bestandteile ungefähr 450/0 Kupfer und etwa
550/0 Nickel enthalten sind. Der Durchmesser eines solchen Drahtes beträgt gewöhnlich
0,02mm, und die parallelen Drähte jedes Drahtpaars liegen in einem Abstand von ungefähr
1,5 mm zueinander.
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Der Drahtquerschnitt kann rund sein; es können aber auch andere Querschnitte,
z. B. ovale, flache, viereckige, verwendet werden.
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Die Meßglieder 11 bis 13 sind zur Bildung eines Zweiges 31 der Wheatstoneschen
Brücke nach Abb. 6 in Reihe geschaltet. In der gleichen Weise sind die Meßgliederl4
bis 16 zur Bildung des anderen Zweiges 33 der Wheatstoneschen Brücke hintereinandergeschaltet.
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Zur Befestigung der elektrischen Meßglieder am Dynamometerrohr 5
wird dieses zunächst mit einer dünnen Isolierschicht aus einem gebrannten Emaille
überzug mit einer gleichmäßigen Schichtstärke von annähernd 0,01 mm bedeckt. Die
dünnen Metallfolien-Ankerplattenl7 (Abb. 4) dienen zur Befestigung der jeweiligen
Enden eines Paares der im Abstand zueinander angeordneten parallelen Drähte an der
äußeren Zylinderfläche des Rohres. In geringem Abstand von den Ankerplatten 17 sind
Verbindungsstäbe 18 angeordnet, welche die Drähte eines jeden, ein Meßglied bildenden
Drahtpaares kurzschließen. Das andere, d. h. das den Ankerplatten 17 entgegengesetzte
Ende jedes Drahtpaares ist dadurch gehalten, daß jedes Drahtende des Paares an je
einer gesonderten, von der Nachbarplatte getrennten Metallfolien-Ankerplatte 19
befestigt ist, welche mit der zylindrischen Fläche des Rohrs ähnlich den Platten
17 fest verbunden sind.
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Oberhalb der Platten 19 sind an jedem einzelnen Draht der Drahtpaare
Anschlußstücke 20 vorgesehen.
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Die Meßdrähte sind am Dynamometerrohr 5 und an den endseitig angeordneten
Metallfolien-Ankerplatten 17 und 19 mittels eines geeigneten duroplastischen isolierenden
Harzes befestigt, welcher in einem trägen organischen Lösungsmittel gelöst sein
kann. Vorzugsweise ist in der Verankerungszone das duroplastische Harzbindemittel
frei von Weichmachern und enthält einen geeigneten Betrag eines mineralischen Fiillstoffes,
z. B. pulverisierten Quarz, wodurch nicht nur die Isolationseigenschaften an der
Befestigungsstelle, sondern auch die Haftung an denl zaiteJ Stahl des Dynamometerrohres
verbessert wird; die Fi;'lstclinenge beträgt gewöhnlich ei fa 2 bis 10 Gewichtsprozent.
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Als geeignete isolierende Harzbindemittel können verwendet werden:
ein Alkydharz (Glyzerin-Phthalsäure-Kondensationsprodukt) oder ein Phenolharz (Phenolaldehyd-Kondensationsprodukt)
in schmelzflüssigem Zustand mit beschleunigenden Substanzen, welche es in einen
nicht schmelzflüssigen Zustand erhärten lassen, oder Melaminformaldehydharze, oder
Polyglycidyläther von Dihydroxyldiphenylmethanen oder von Glyzerin, wie z. B. Epoxyverbindungen
und/oder Mischungen dieser Harze.
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Durch die Verbindungsstäbe 18 werden die Drahtpaare des Meßgliedes
vor den Platten 17 kurzgeschlossen, wodurch verhindert wird, daß der Strom in die
Verankerungszone der Drähte fließt.
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Infolge ihrer guten Befestigung können die Verankerungszonen den verschiedensten
Beanspruchungen unterworfen werden.
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Die Meßglieder 11 bis 13 sind - wie in Abb. 4 dargestellt - durch
Verbindungsdrähte 21 in Reihe
geschaltet. In der gleichen Weise liegen die Meßglieder
14 bis 16 über Verbindungsdrähte 22 in Serienschaltung.
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Wie aus Abb. 2 und 3 ersichtlich, sind die einander gegenüberliegenden
Enden des Dynamometerrohres 5 von Hülsen 8 und 9 eng umschlossen, welche aus dem
gleichen Material wie das Rohr, vorzugsweise hartem Stahl, hergestellt sind. Ringförmige
Innenbunde 6 und 7 an den Enden der Hülsen 8 und 9 drücken gegen entsprechende Außenbunde
an den Enden des Dynamometerrohrs, um den notwendigen unmittelbaren mechanischen
und thermischen Kontakt zwischen den Hülsen und dem Rohr herzustellen. Vorzugsweise
sitzen die Hülsen 8 und 9 auf den betreffenden Enden des Rohrs im Treibsitz. Da
die beiden im wesentlichen einander gleichen Hülsen koaxial zum Dynamometerrohr
liegen und einen gegenüber dem des Rohrs nur wenig größeren Durchmesser besitzen,
bewirkt der Treibsitz eine kontrische starre Hülsenfassung an den Enden des Dynamometerrohrs.
Die beiden Hülsen sind lediglich an ihren inneren Enden durch den schmalen gleichmäßigen
Spalt 10 voneinander getrennt, der einen mechanischen und thermischen Kontakt verhindert
und durch welchen die Schaltdrähte 41 bis 44 hindurchgeführt werden.
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In Abb. 5 ist die zylindrische Oberfläche der Hülsenteile 8 und 9
in Abwicklung auf eine Ebene dargestellt. Das Temperaturkompensationsglied 32, welches
aus einem Paar von parallelen dünnen Drähten besteht, in denen der Strom in jeweils
entgegengesetzter Richtung fließt, ist schraubenförmig an dem Hülsenteil 8 angeordnet
und befestigt.
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In der gleichen Weise ist das ähnliche, schraubenförmig angeordnete
Kompensationsglied 34 mit dem Hülsenteil 9 verbunden. Genauso wie die Meßglieder
sind auch die Kompensationsglieder an einem Ende durch die Drähte des Paares überbrückende
Metallfolien-Ankerplatten 17' und an dem anderen Ende durch je zwei Metallfolien-Ankerplatten
19' befestigt, von denen jede einen einzelnen Draht des Paars festhält. Ein Verbindungsstab
18' schließt die Drähte des Paars kurz vor den Ankerplatten 17 kurz. Anschlüsse
20' sind an jedem Draht des Paars und in kurzem Abstande einwärts von den Ankerplatten
19 vorgesehen.
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Zur Bestimmung der mittleren oder Durchschnittstemperatur der Meßglieder
sei t die Temperatur des Dynamometerrohrs 5 in Höhe des Flansches 6 und t' die Temperatur
des Dynamometerrohrs in Höhe des Flansches 7. Die mittlere Temperatur der Meßglieder
beträgt dann t t' 2 Die Temperatur des Kompensationsgliedes 32 ist t und die des
Kompensationsgliedes 34 ist t', und zwar bei deren Anordnung nach Abb. 5, wodurch
die gleiche mittlere Temperatur, nämlich t t' 2 gegeben ist.
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Bei Anderung der Temperaturbedingungen haben daher die Meßglieder
die gleiche Durchschnittstemperatur wie die Kompensationsglieder.
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Die Eichung der Brücke für eine Gewichtsmessung
wird
durch die Widerstände 35 und 36 für die thermische Kompensation, durch den Widerstand
37 für den elektrischen Ausgleich und durch den Widerstand 38 für Einstellung des
Nullpunktes durchgeführt, bevor abgelesen wird. Diese Widerstände sind an den Hülsenteilen
8 und 9 in der in Abb. 5 dargestellten Anordnung mit einem leimhaltigen Stoff oder
einem Papierstreifen befestigt; selbstverständlich können auch andere haftende Befestigungsmittel
verwendet werden.
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In der Wheatstoneschen Brücke nach dem Schaltbild nach Abb. 6 dient
der Widerstand 38 zur Einstellung des Nullpunktes. Die Widerstände 35 und 36 dienen
zur Anderung der elektromotorischen Kraft, welche die Brücke als Funktion der Temperatur
speist. Infolge der Temperaturkompensationsglieder bleibt die Brücke von Temperaturänderungen
im wesentlichen unberührt, wenn die Einrichtung nicht unter Belastung steht.
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Wenn die Einrichtung unter Last gesetzt wird, ist das Verhältnis
zwischen der Brückenausgangsspannung an den Klemmen 44 und 45 und der Eingangsspeisespannung
an den Anschlußpunkten 41 und 42 infolge der Anderung des Elastizitätsmoduls mit
der Temperatur und auch auf Grund der leichten Änderung der von der Temperatur abhängigen
Empfindlichkeit der Glieder von der mittleren Temperatur des Dynamometerrohrs abhängig.
Die Summe dieser beiden Faktoren ist als Funktion der Temperatur praktisch linear.
Demzufolge wird der Temperaturfaktor durch Änderung der Eingangsspannung mit der
Temperatur kompensiert, um somit den Temperaturfehler zu eliminieren. Die Kupferwiderstände
35 und 36 dienen diesem Zwecke.
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Der Ausgleichswiderstand 37 kann mit dem Brückenwiderstand 31 oder
mit dem Brückenwiderstand 32 durch den Wechselrichter 46 in Reihe gelegt werden.
Die Wechselrichteranordnung kann dazu verwendet werden, um einen eine gegebene Belastung
ersetzenden Prüfstrom zu liefern und damit nachzuprüfen, ob das an die Klemmen 44
und 45 angeschlossene Meßinstrument 47 diese Belastung richtig anzeigt. Der Widerstand
37 hat einen Temperaturkoeffizienten, der dem der Brücke, von den Klemmen 39-39
aus gesehen, gleich ist.
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Die in Abb. 5 dargestellten Anschlußklemmen 41 bis 44 sind an die
Anschlüsse mit den gleichen Bezugsziffern der Abb. 4 angelötet. Die Klemmen 39 sind
an eine Wechselstromquelle 48 (Abb. 6) angeschlossen. Die Klemmen 43 und 43' (Abb.
5) sind an den Wechselrichter 46 (Abb. 6) angeschaltet. Die Anschlußklemme 44 ist
ferner mit dem Meßinstrument 47 (Abb. 6) verbunden.
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An Stelle eines Meßinstruments 47 zwischen den Klemmen 44 und 45
kann auch ein Hilfsmechanismus über diese Klemmen gespeist werden, beispielsweise
ein Hilfspotentiometer.
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Das Dynamometerrohr 5 (vgl. Abb. 1 und 2) hat an seinen Enden Schraubengewinde
23 und 24, auf welche jeweils Endringe 25 und 26 aus hartem Stahl aufgeschraubt
sind. Diese Endringe besitzen Öffnungen 27 bzw. 28, deren Querschnitt sich von der
jeweiligen inneren Kante29 nach außen symmetrisch erweitert. Das Profil der nach
außen sich erweiternden Öffnungen ist also winklig, und die äußersten Punkte 30l
und 3°2 sind (vgl. Abb. 1 und 2) genau auf die Längsachse des Rohrs 5 aussgerichtet.
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Die Endringe 25 und 26 sind jeweils mit Flanschen 49 bzw. 50 ausgestattet,
an denen biegsame Deckringe 51 bzw. 52 angeschweißt sind. Die Deckringe bilden die
Enden einer luftdichten Schutzhülle 53 welche eine Anschlußplatte 54 zur Herausführung
der an der linken Seite der Abb. 5 dargestellten Leitungen aufweist. Somit dienen
die Deckringe 51 und 52 einzig und allein als Stützorgane für die Hülle 53, nicht
dagegen zur Führung des Dynamometerstückes. Infolgedessen können die Deckringe sehr
dünn und schmal sein. Daher haben irgendwelche elastischen Kraftwirkungen der Deckringe
eine vernachlässigbare Wirkung auf die Empfindlichkeit der Vorrichtung.
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In Abb. 3 ist das Dynamometerrohr als druckempfindliches Meßelement
dargestellt, wobei die Bezugsziffern 5 bis 10 und 53 und 54 die gleichen Teile wie
in Abb. 2 bezeichnen. Das Dynamometerrohr 5 ist auf einen stationären Kolben 55
aufgesetzt, welcher seinerseits in einer Aussparung des Bodenstücks 56 ruht. Die
rohrförmige Schutzhülle 53 ist in das Bodenstück eingeschraubt, und ein die Belastung
übermittelnder Kolben, welcher eine abgerundete oder kugelförmige Spitze aufweist,
ist in den oberen Teil des Dynamometerrohrs 5 eingepaßt. Die aus hartem Stahl gefertigte
Säule 58 ist mit ihrem unteren Ende an eine ringförmige Federplatte 62 angeschweißt,
die ihrerseits mit der Schutzhülle 53 verschweißt ist. Der .Kopf der Säule 58 ist
kugelig geformt, und die Haube 59 ist in die Stahlbüchse 61 eingepaßt, welche mit
der Waageplatte 63 aus einem Stück besteht und eine konkave Kugelform aufweist,
deren Durchmesser um ein geringes größer als der Durchmesser .der Haube 59 ist.
Der Boden der Säule 58 ist flach und steht mit dem abgerundeten Teil des Kolbens57
in Druckberührung.
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Der Federring 62 ist sehr dünn und flach, und sein flacher Teil liegt
in einer durch den Gelenkpunkt zwischen Kolben 57 und Säule 58 verlaufenden Ebene.
Dieser Gelenkpunkt liegt in der Verlängerung der Achse des Dynamometerrohrs 5.
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In Abb. 7 ist die Waageplatte von unten betrachtet und mittels biegsamer
Stangen 64 bis 66 geführt. welche mit ihrem einen Ende in einem Sockel 67 und mit
ihrem anderen Ende an der Waageplatte befestigt sind.
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In dem dargestellten Beispiel ist die Stange 64 an der Mitte der
einen Seite der Platte 63 befestigt während die beiden anderen Stangen 65 und 66
an der Platte in der Nähe der Kanten der zweiten Seite der Platte befestigt sind.
Die aus hartem Stahl gefertigte Büchse 61 ist (vgl. Abb. 3) in die Platte 63 eingebettet.
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Die Länge der Säule 58 (Abb. 3) und der Durchmesser der Säulenhaube
59 sind derart festgelegt, daß die maximal mögliche Mittenabweichung der Büchse
61 nur eine zulässige Mittenabweichung der auf das Dynamometerrohr 5 aufgebrachten
lEelastung zur Folge hat.
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Man kann annehmen, daß die Exzentrizitäf e des Angriffspunkts der
Kraft zum Außenradi£ des Rohres 5 das Verhältnis e - 3,30/0 hat, nämlich bei e =
1 mm und r = 30 mm.
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Wenn die Verschiebung der Büchse 61 m,x:;iral 5 mm und die Säulenlänge
200 mm betragen, ilat die
Kraft F bezüglich der Vertikalen eine
Neigung von höchstens 2,50/o, wodurch sich eine horizontale Kraftkomponente ergibt,
welche höchstens 0,025 F beträgt und durch den Federring 62 mit einem vertikalen
Gegendruck von weniger als 0,0001 F ausgeglichen werden kann. Bei Verwendung eines
Durchmessers von 30 mm für den Kopf des Kolbens 57 beträgt ferner die Mittenabweichung
e bezüglich der Achse des Dynamometerrohrs 5 0,025 30 = 0,75 mm, welcher Wert unter
der Mittenabweichungstoleranz, nämlich 1 mm, liegt.