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Kraftmeßeinrichtung Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßeinrichtung
mit einem Meßglied, dessen Formänderung unter Wirkung der zu messenden Kraft als
Maß für die Kraft dient, und einem dem Meßglied als Linearitätskorrekturglied kraftschlüssig
parallel geschalteten weiteren federnden Glied mit nichtlinearer Kennlinie unterschiedlicher
Krümmung.
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Auf Grund physikalischer und fertigungstechnischer Gegebenheiten
weisen Kraftmeßeinrichtungen, die nach dem Federprinzip arbeiten, mehr oder weniger
große Linearitätsfehler auf. Diese Fehler können prinzipiell von der Gestalt des
Meßgliedes, der auf diesem angebrachten, die Formänderungen in entsprechenden Meßgrößen
umwandelnden Meßelemente bzw. der Anbringung dieser Elemente, der Gesamtkonstruktion
der Einrichtung sowie von Fertigungstoleranzen abhängen. Durch geeignete Formgebung
des Meßgliedes kann man den Linearitätsfehler der fertigen Einrichtung zwar beachtlich
klein halten; für hochgenaue Kraftmeßeinrichtungen reichen jedoch diese Maßnahmen
allein nicht aus, da bei einer derartigen Einrichtung auch noch auf diese Weise
erreichbare Linearitätsfehler in der Größenordnung von 1 Promille des Meßbereichsendwertes
zu groß sind.
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Es ist bereits bekanntgeworden, dem konstruktiv nicht vermeidbaren
Linearitätsfehler auf elektrische Weise zu begegnen. So wird beispielsweise bei
Verwendung von elektrischen Dehnungsmeßstreifen ein geeigneter, zusätzlicher Dehnungsmeßstreifen,
der ebenfalls der Kraftwirkung unterliegt, in die Speiseleitung für die Meßbrückenschaltung
der Dehnungsmeßstreifen eingefügt, um damit die Speisespannung dieser Meßbrücke
in Abhängigkeit von der Dehnung zu variieren. Durch geeignete Variation wird hierbei
versucht, den Linearitätsfehler der Einrichtung elektrisch zu kompensieren.
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Weiterhin ist es bekanntgeworden, bei Verwendung von Dehnungsmeßstreifen
dies auf Stellen unterschiedlichen Lineritätsverhaltens des Meßgliedes anzubringen
und hierbei bezüglich ihrer Empfindlichkeit so auszuwählen und aufeinander abzustimmen,
daß sich die Linearitätsfehler der einzelnen Dehnungsmeßstreifen gegeneinander aufheben.
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Bei anderen bekannten Einrichtungen ist dem Meßglied ein Korrekturglied
mit nichtlinearer Kennlinie, in der Regel unterschiedlicher Krümmung, kraftschlüssig
parallelgeschaltet. Um eine möglichst vollkommene Linearitätskorrektur zu erzielen,
muß man hierbei - weil die Kennlinien der Meßglieder niemals vollkommen gleich sind,
insbesondere wenn der Einfluß der auf ihnen angebrachten Meßelemente mit zu berücksichtigen
ist - eine größere Anzahl von Korrekturgliedern unterschiedlichen Kennlinienverlaufs
vorrätig halten und hieraus das zur Korrektur geeignete im Einzelfall auswählen.
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Die bekannten Maßnahmen erfüllen aus verschiedenen Gründen in der
Praxis häufig die ihnen gestellte Aufgabe in nicht ausreichendem Maße oder nur mit
einem unverhältnismäßig großen Aufwand.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der
Nachteile der bekannten Einrichtungen eine Linearitätskorrektur auf mechanischem
Wege zu erreichen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß durch
entsprechende Vorbelastung des Korrekturgliedes der Arbeitsbereich auf dessen Gesamtkennlinie
derart ausgewählt ist, daß die Resultierende aus der Kennlinie des Meßgliedes -
gegebenenfalls in Verbindung mit den auf diesem angeordneten Meßelementen -und der
Kennlinie des Korrekturgliedes im Arbeitsbereich der Meßeinrichtung annähernd dem
Verlauf der gewünschten Linearkennlinie entspricht. Damit wird es möglich, gleichartige
Korrekturglieder zur Linearitätskorrektur bei Meßgliedern mit unterschiedlicher
Kennlinie zu benutzen. Darüber hinaus kann man auch mit ein und demselben Korrekturglied
bei gleichem Meßglied einen linearen Kennlinienverlauf in einem anderen Arbeitsbereich
einstellen.
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Gemäß weiterem Erfindungsgedanken ist es vorteilhaft, ein Korrekturglied
zu verwenden, dessen Kennlinie eine in ihrer Richtung wechselnde Krümmung besitzt.
Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann das Korrekturglied aus mehreren Einzelteilen
bestehen, deren Kennlinien eine entsprechende resultierende Kennlinie ergeben.
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Als Korrekturglied sind Membranen, deren Verwendung als Federglied
bereits bekannt ist, besonders vorteilhaft, weil sie meist noch zusätzliche Funktio-
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für Kapselung oder Führung in an sich bekannter Weise übernehmen können. Jedoch
ist prinzipiell als Korrekturglied jedes Federglied geeignet, das einen geeigneten
Kennlinienverlauf besitzt.
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Um eine möglichst geringe Rückwirkung des Korrekturgliedes auf die
Meßergebnisse zu gewährleisten und mit Rücksicht auf die Tatsache, daß der Linearitätsfehler
der Meßeinrichtung in der Regel auf Grund der bekannten Fertigungsmaßnahmen dem
Betrag nach relativ klein ist, ist es in manchen Fällen zweckmäßig, für das Korrekturglied
ein Teil mit möglichst geringer Federkonstante im Vergleich zur Federkonstanten
des Meßgliedes auszuwählen.
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Wesentlich für eine Verwendung im Sinne der Erfindung ist lediglich
ein entsprechend nichtlinearer Verlauf der Kennlinie an sich.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens, ein und dasselbe Korrekturglied
durch Aufbringung einer unterschiedlichen Vorspannung zur Korrektur unterschiedlicher
Nichtlinearitäten zu verwenden, ist es weiterhin zweckmäßig, kraftmäßig zwischen
Korrekturglied und Meßglied ein Stellglied zur Einstellung der Vorbelastung des
Korrekturgliedes zu schalten.
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In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer
Weise dargestellt, dessen Wirkungsweise im folgenden an Hand der in den F i g. 2
bis 4 dargestellten Diagramme erläutert wird.
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Das in Fig. 1 dargestellte, wie eine Feder wirkende Meßglied 1 ist
mit elektrischen Dehnungsmeßstreifen 2 beklebt, deren Widerstandsänderung in Abhängigkeit
von der Dehnung des Meßgliedes 1 unter Einfluß der zu messenden Kraft eine Funktion
der auf das Meßglied wirkenden Kraft P ist.
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Diese nie absolut lineare Funktion ist in stark übertriebenem Maße
durch die Kennlinie A in den F i g. 2, 3 und 4 dargestellt. Die Darstellung ist
nur schematisch und prinzipieller Natur, die wirkliche Charakteristik des gezeigten
Meßgliedes kann anders aussehen.
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Das Meßglied 1 ist einerseits an einem Boden 3 befestigt und von
einem Gehäuse 4 umgeben. Den dem Boden entgegengesetzten Abschluß des eigentlichen
Meßteils nach außen bildet in an sich bekannter Weise ein federndes Glied in Form
einer Membran 5, an der das andere Ende des Meßgliedes 1 befestigt ist. Derartige
Membranen sind außerdem noch zum Zwecke einer Führung des Meßgliedes bekannt. Weiterhin
kann in an sich bekannter Weise auch der Boden 3 als Membran ausgebildet sein. An
Stelle einer Membran kann, wenn eine Abdichtung nicht erforderlich ist, auch ein
beliebiges anderes federndes Glied mit geeigneter nichtlinearer Kennlinie treten,
beispielsweise Lenkerfedern oder ähnliches. Die Membran 5 ist in Achsrichtung des
Meßgliedes elastisch, damit sich das Meßglied unter Wirkung der Kraft P verformen
kann.
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Die Membran 5 ist von Natur aus kein lineares Federglied. Ihre Kraft-Weg-Kennlinie
ist etwa S-förmig, wie dies in den Fig. 2 bis 4 durch die Kennlinien dargestellt
ist. Erfindungsgemäß macht man die Membran 5 im Verhältnis zum Meßglied 1 nicht
zu elastisch in der Meßrichtung. Auf diese Weise trägt sie nicht unwesentlich zum
Kraftverformungsverlauf des Meßgliedes 1 bei.
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Spannt man die Membran 5 in Richtung der Lastwirkung vor, wie dies
im Ausführungsbeispiel der
F i g. 1 mittels einer Steckhülse 6 und einer Klemmmutter
7 erfolgt ist, so ergibt sich die aus F i g. 3 ersichtliche Verschiebung des Arbeitsbereiches
gegenüber dem in F i g. 2 dargestellten unvorbelasteten Zustand. Wird die Membran
5 entgegen der Belastungsrichtung vorgespannt, so erreicht man eine entsprechende
Verschiebung des Arbeitsbereiches in der entgegengesetzten Richtung, wie dies in
F i g. 4 dargestellt ist. An Stelle der Vorspannvorrichtung 6, 7 des Ausführungsbeispieles
können selbstverständlich alle anderen bekannten Maßnahmen zur Änderung der Vorpannung
bzw. zur Aufbringung einer Vorspannung überhaupt ergriffen werden.
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In F i g. 2 stellt die Kurve A die Abhängigkeit der Verformung des
Meßgliedes 1 allein von der auf es wirkenden Kraft dar. Hierbei kann der Verlauf
der Kurve A auch durch andere, nicht in unmittelbarem Zusammenhang mit dem Meßglied
1 stehenden Effekte beeinflußt sein, beispielsweise durch Nichtlinearitäten der
auf dem Meßglied 1 angebrachten Meßelemente 2, der Applikation dieser Elemente u.
dgl., so daß die KurveA im Grunde die Kennlinie der Meßeinrichtung ohne die erfindungsgemäße
Korrekturmaßnahme darstellt. KurveB zeigt die entsprechende Charakteristik des Korekturgliedes.
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Durch die erfindungsgemäße Parallelschaltung ergibt sich sodann die
gestrichelt dargestellte KurveA+B, die bei geeigneter Auswahl des Korrekturgliedes
praktisch in jedem gewünschten Maß der gewünschten Linearkurve angepaßt werden kann.
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Da auch bei sorgfältigster Fertigung des Meßgliedes bzw. der Meßeinrichtung
einerseits und des Korrekturgliedes andererseits die Kurven bzw. B mehrerer gleichartiger
Glieder niemals miteinander vollkommen übereinstimmen werden, wäre es erforderlich,
für jede bestimmte Meßeinrichtung ein ganz bestimmtes Korrekturglied auszuwählen.
Um dies zu vermeiden, werden erfindungsgemäß solche Korrekturglieder verwendet,
die einen Kennlinienverlauf unterschiedlicher Krümmung und/oder unterschiedlicher
Krümmungsrichtung besitzen, wie dies in der dargestellten KurveB in Fig.2 zu sehen
ist. Zur Anpassung an die betreffende KurveA der zu korrigierenden Einrichtung wird
durch Aufbringen einer entsprechenden Vorspannung auf das Korrekturglied der Arbeitsbereich
auf der Kurve B nach oben (F i g. 3) bzw. nach unten (F i g. 4) verschoben. Auf
diese Weise kann man erreichen, daß die Summenkurve A +B sich jeweils weitestgehend
der gewünschten Linearkennlinie nähert.