-
Vorrichtung für Kraftmessungen Die Ereindung betrifft eine Vorrichtung
mit einem rotationssymmetrischen Verformungselement, bestehend aus einem Hohlkörper
mit in Kraftwirkungsrichtung verlaufender Mittelachse und an seinen axialen Enden
angeordneten - vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildeten - Krafteinleitungsgliedern,
die mit einander entgegengesetzter Steigung schräg zur Körperwandung verlaufen.
-
Bei derartigen Vorrichtungen wird die unter der Kraftwirkung eintretende
Verformung des Verformungselementes als Maß für die zu messende Kraft herangezogen.
Zu diesem Zweck sind meistens die Verformungselemente mit Widerstandswicklungen,
Dehnungsmeßstreifen, Halbleiterdehnelementen oder anderen Meßelementen, bei denen
ein elektrisch leitfähiges Material unter dem Einfluß einer durch die Verformung
hervorgerufenen Materialspannungsänderung seine elektrische Leitfähigkeit ändert,
versehen. Meist sind zwei oder ein geradzahliges Vielfaches solcher Meßelemente
vorgesehen und so auf dem Verformungselement aufgebracht, daß bei der Verformung
unter Kraftwirkung das eine Element bzw. die eine Gruppe von Elementen gedehnt und
das andere bzw. die anderen gestaucht werden. In einer Meßbrückenschaltung wird
sodann die durch die Verformung hervorgerufene Widerstandsänderung in den einzelnen
Meßelementen in bekannter Art ausgewertet und das Auswerteergebnis in Form entsprechender
elektrischer Signale weiter verwertet.
-
Bei Verformungselementen, die als auf Zug oder Druck beanspruchte
Körper ausgebildet sind, wird mit dem einen Meßelement bzw. der einen Gruppe von
Elementen die Verlängerung bzw. Verkürzung des Verformungselementes, mit dem bzw.
der anderen hingegen die Verjüngung bzw. Verdickung des Verformungselementes erfaßt.
Da jedoch unter der gleichen Kraftwirkung die Längenänderung des Verformungselementes
größer ist als die Dickenänderung, erfolgt die Verstimmung der Meßbrücke nicht symmetrisch.
Weiterhin kann der optimale Meßeffekt nur in der Kraftwirkungsrichtung, nicht jedoch
quer dazu ausgenutzt werden.
-
Bei bekannten .Vorrichtungen der eingangs genannten Gattung liegen
alle Krafteinleitungsglieder innerhalb der verlängert gedachten Körperwandung des
Verformungselementes. Das in unbelastetem Zustand die Form eines zylindrischen Rohres
besitzende Verformungselement wird bei Einleitung einer Druckkraft über die Krafteinleitungsglieder
nach außen gewölbt, so daß es eine faßförmige Gestalt annimmt. Damit erleidet es
in den verschiedenen Höhenzonen unterschiedliche Verfor-
mung, die etwa in der Mitte
seiner Höhe am größten ist. Diese unterschiedliche Verformung hat eine entsprechende
unterschiedliche Änderung der Leitfähigkeit der Meßelemente zur Folge. Nur die in
der Zonevgrößter Verformung liegenden Elementteile erfahren eine maximale Leitfähigkeitsänderung,
während die Leitfähigkeitsänderung der anderen Meßelementteile immer geringer wird,
je näher diese den Krafteinleitungsstellen liegen. Ein optimaler Meßeffekt ist damit
bei den bekannten Vorrichtungen nicht zu erreichen. Den nachteiligen Auswirkungen
der auftretenden Wölbung des Verformungselementes, insbesondere auf die Linearität,
wird teilweise durch Anordnung zusätzlicher Meßelemente und deren entsprechende
Eingliederung in die elektrische Schaltung zu begegnen versucht. Abgesehen von dem
damit verbundenen zusätzlichen Aufwand sind diese Maßnahmen meßtechnisch unvollkommen,
und der für die zusätzlichen Meßelemente benötigte Raum geht für die der eigentlichen
Messung dienenden Elemente verloren, wodurch eine weitere Minderung des Meßeffektes
bedingt ist.
-
Bei anderen bekannten, auf dem Prinzip Biegebalkens basierenden Vorrichtungen
ist es zwar teilweise möglich, die Meßelemente an Stellen gleich großer Verformung
anzubringen, so daß es auch möglich ist, das Optimum des Effektes auszunutzen, jedoch
bereiten derartige Vorrichtungen Schwierigkeiten bezüglich der gleichmäßigen Wärmeverteilung
sowohl bei Eigenerwärmung als auch bei Wärmeeinflüssen von außen, die zum Teil von-konstruktiv
bedingten, verschieden längen Wärmeleitwegen zu den einzelnen Meßelementen, zum
Teil aber auch von einer ungleichmäßigen Massenverteilung oberhalb und unterhalb
der sogenannten neutralen Faser herrühren. Bekanntlich wird ein auf Biegung beanspruchtes
Verformungselement zum Teil gestaucht,
zum Teil gedehnt. Zwischen
diesen beiden Zonen liegt eine Zone, die weder einer Stauchung noch einer Dehnung
unterliegt. Diese wird in der Regel als neutrale Faser bezeichnet. Erfolgt nun die
Krafteinleitung in ein derartiges Verformungselement außerhalb der neutralen Faser,
so kommt als weiterer Nachteil hinzu, daß der Meßeffekt in der Stauchungszone nicht
im Betrag gleich dem Meßeffekt in der Dehnungszone ist, wodurch ein nichtlinearer
Meßkurvenverlauf bedingt ist. Da es bei den bekannten Ausführungsformen nicht möglich
ist, für den gesamten Meßbereich die Krafteinleitung in der neutralen Faser zu halten,
kann eine absolut lineare Kennlinie nicht erreicht werden, sondern es muß durch
mehr oder weniger großen Aufwand eine mehr oder weniger gute Annäherung an die ideale
lineare Kennlinie durch eine um diese herum sinusförmig schwankende Kennlinie angestrebt
werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einem
Verformungselement zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht
besitzt, symmetrisch aufgebaut ist, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu ermöglichen,
und eine über das ganze Verformungselement hinweg gleich große Verformung erleidet,
um die Ausnutzung des optimalen Meßeffektes zu gewährleisten und eine kontinuierliche
und lineare Meßkennlinie zu erreichen. Bei einer Vorrichtung mit einem rotationssymmetrischen
Verformungselement, bestehend aus einem Hohlkörper mit in Kraftwirkungsrichtung
verlaufender Mittelachse und an seinen axialen Enden angeordneten - vorzugsweise
rotationssymmetrisch ausgebildeten - Krafteinleitungsgliedern, die mit einander
entgegengesetzter Steigung schräg zur Körperwandung verlaufen, ist, um die gestellte
Aufgabe zu erfüllen, gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das eine Krafteinleitungsglied
innerhalb, das andere außerhalb der verlängert gedachten Körperwandung verläuft
und jedes Krafteinleitungsglied an seinem freien Ende einen in Kraftwirkungsrichtung
beweglich geführten Kraftaufnahmeteil besitzt. Bei dieser Ausbildung wird durch
die einwirkende Kraft die Körperwandung des Verformungselementes unter Beibehaltung
ihrer ursprünglichen Gestalt gleichmäßig in radialer Richtung nach außen bzw. nach
innen versetzt, d. h. der Durchmesser in jeder Höhenzone um den gleichen Betrag
vergrößert bzw. vermindert und damit die Leitfähigkeit aller Meßelemente in gleichem
Maße geändert.
-
Die Meßelemente können somit alle im optimalen Bereich betrieben werden,
ohne daß es hierzu irgendwelcher zusätzlichen Maßnahmen bedarf.
-
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens werden jeweils zwei Verformungselemente
spiegelbildlich zu einer senkrecht zur Richtung der zu messenden Kraft verlaufenden
Ebene angeordnet und mechanisch einander parallel geschaltet. Gemäß einer anderen
Ausführungsform der Erfindung werden zwei Verformungselemente derart mechanisch
in Reihe geschaltet, daß ein Krafteinleitungsglied des einen Verformungselementes
in ein Krafteinleitungsglied des anderen einen größeren Durchmesser als das erstgenannte
Verformungselement besitzenden Verformungselementes ohne Richtungswechsel übergeht.
-
In beiden Fällen erfährt jeweils das eine Verformungselement eine
Durchmesserverringerung, das andere eine Durchmesservergrößerung, so daß die auf
beiden angebrachten Meßelemente in der be-
kannten Weise in einer Meßbrückenschaltung
elektrisch zusammengefügt werden können.
-
Es - ist gemäß der Erfindung sowohl möglich, die Kraft und die Gegenkraft
jeweils direkt auf dem Kraftaufnahmeteil der Krafteinleitungsglieder wirken zu lassen
als auch einen elastisch verformbaren Körper zwischen Kraft und Kraftaufnahmeteil
zu schalten. Bei der zuletzt genannten Ausführungsform ist es gemäß einem weiteren
Erfindungsgedanken vorteilhaft, das bzw. die Verformungselemente gegen den elastisch
verformbaren Körper und entgegen der Kraftwirkungsrichtung vorzuspannen. Besonders
zweckmäßig ist eine Vorspannung etwa mit der Hälfte der maximal zulässigen zu messenden
Kraft, so daß bei einer Belastung bis zur Hälfte der maximal zulässigen-Kraft zunächst
eine Entlastung des Verformungselementes bis zur Erreichung des mechanischen Nullpunktes
und sodann bei Weitersteigen der Kraft bis zur maximal zulässigen Kraft eine Belastung
des Verformungselementes in entgegengesetzter Richtung eintritt. Auf diese Weise
kann, allerdings unter Vernachlässigung der exakten Linearität, eine für viele Zwecke
vorteilhafte doppelte Ausgangsleistung erzielt werden.
-
Gemäß weiteren Erfindungsgedanken können in an sich bekannter Weise
eine Überlastsicherung, zur Kalibrierung eine der Kraftwirkung entgegengerichtete
einstell- und vorzugsweise auswechselbare Feder und/oder in an sich bekannter Weise
Öffnungen, die eine allseitig gleichmäßige Druckbeaufschlagung des oder der Verformungsglieder
gewährleisten, vorgesehen sein.
-
Bei einer Meßvorrichtung spricht man von einem linearen Kennlinienverlauf
dann, wenn die Kennlinie geradlinig verläuft und sich die bei Belastung aufgenommene
Meßkennlinie mit der bei Entlastung aufgenommenen deckt. Zufolge der Hysterese ist
dies normalerweise nicht der Fall. Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken sind
daher ein oder mehrere Verspannelemente vorgesehen, mit deren Hilfe zwei spiegelbildlich
zueinander angeordnete Verformungselemente in einstellbarem Maße jedes für sich
oder beide gegeneinander vorgespannt werden können.
-
Dadurch kann in den Verformungselementen eine innere Spannung erzeugt
und in ihrer Größe so eingestellt werden, daß bei den Verformungselementen eine
gewünschte, möglichst eine geringe Hysterese auftritt.
-
Besonders vorteilhaft ist gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken
die Verwendung von Kupferberrylium als Material für die Verformungselemente.
-
In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 in Prinzipdarstellung, im Schnitt gezeichnet, ein
einzelnes Verformungselement mit Krafteinleitungsgliedern, F i g. 2 in Schnittdarstellung
eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten
Verformungselementen, Fig.3 in Schnittdarstellung eine Ausführungsform mit zwei
spiegelbildlich zueinander angeordneten Verformungselementen und Maßnahmen zur Erzeugung
einer gemeinsamen Vorspannung der Verformungselemente, Fig.4 in Schnittdarstellung
zwei mechanisch in Reihe geschaltete Verformungselemente und Ei g. 5 in Schnittdarstellung
eine Ausführungsform mit zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten
Verformungselementen
und einstellbaren Mitteln zum Erzeugen einer inneren Vorspannung in den Verformungselementen.
-
Das Verformungselement gemäß Fig. 1 besteht aus einem kurzen zylindrischen
Rohr 1, das an beiden Enden in entgegengesetzt gerichtete kegelige Krafteinleitungsrohransätze
2 und 3 übergeht, die ihrerseits wiederum Einspannflächen 4 und 5 besitzen. Das
kurze zylindrische Rohr 1 trägt Meßwicklungen 6. Das Verformungselement 1 ist mit
der Einspannfläche 5 ortsfest eingespannt und wird über die Einspannfläche4 in Richtung
des Pfeiles geführt belastet. Damit wird die Kraft über die kegeligen Krafteinleitungsrohransätze
2 und 3 so auf das kurze zylindrische Rohrl übertragen, daß der Durchmesser desselben
parallel verkleinert wird. Bei einer Belastung entgegen der Pfeilrichtung wird der
Durchmesser des Rohrstückes 1 hingegen vergrößert.
-
Verwendet man bei einer Vorrichtung jeweils paanveise derartige Verformungselemente,
von denen das eine durch die Kraft im Sinne einer Durchmesserverringerung, das andere
hingegen durch die Kraft im Sinne einer Durchmesservergrößerung verformt wird, so
erhält man in der Zusammenschaltung der auf den zylindrischen Rohrstücken angebrachten
Meß elemente (Meßwicklungen, Dehnungsmeßstreifen usw.) eine lineare Meßkennlinie.
-
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform mit einem derartigen
Verformungselementenpaar 7, 8 sind zwei Verformungselemente gemäß F i g. 1 spiegelbildlich
zu einer senkrecht zur Kraftwirkungsrichtung verlaufenden Ebene angeordnet, mit
ihren Einspannflächen 5 zwischen den Gehäuseteilen 9 und 10 fest eingespannt und
mit den Einspannflächen 4 unter Zwischenschaltung eines Ringes 11 fest mit einem
Ring 12 und einem Druckstück 13 verbunden.
-
Bei Kraftwirkung in Richtung des Pfeiles P über die Kugel 14 und die
Druckplatte 15 auf das Druckstück 13 wird, wie bei F i g. 1 beschrieben, das Rohrstück
7 und damit die auf diesem angebrachten Wicklungen 6/1 gestaucht und das Rohrstück
8 und damit die auf diesem angebrachten Wicklungen 6/2 gedehnt. Membranen 16/1 und
16/2 bilden einen Abschluß nach außen. Eine Öffnung 17 im Gehäuse ermöglicht über
das Gewinde des Bodenteils 18 einen Druckausgleich im Gehäuse, so daß die beiden
Verformungselemente 7 und 8 allseitig mit gleichem atmosphärischem Druck beaufschlagt
werden und dadurch Meßfehler bei Druckänderungen - ausgeschaltet werden. Das Bodenteil
18 verschließt die Vorrichtung einstellbar von unten und wirkt bei entsprechender
Einstellung gleichzeitig in Verbindung mit der Druckplatte 13 als Überlastsicherung,
da die Druckplatte 13 bei Überschreiten der voreingestellten Last über den Boden
18 einen Kraftnebenschluß herstellt, wodurch eine Zerstörung der Verformungselemente
7, 8 ausgeschlossen wird. Weiterhin nimmt das Bodenteil 18 eine Einstellschraube
19 auf, mit welcher eine auswechselbare Feder 20 vorgespannt werden kann. Dadurch
wird eine Kalibrierung der Vorrichtung ermöglicht.
-
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verformungselemente
7 und 8 in der in Fig.2 bereits beschriebenen Weise zueinander angeordnet, sie sind
mit ihren Einspannflächen 5 mit dem Gehäuse 21 durch Ein schrumpfen einer Lastmembran
22 fest verbunden. Mit den Einspannflächen 4 sind sie über die Schrumpfringe 23/1
und
23/2 mit einem Druckstück 24 fest- verbunden.
-
Die Lastmembran22 trägt in der Mitte einen Gewindebolzen 25, mit dem
eine mit dem Druckstück 24 verbundene Mutter 26 zusammenwirkt. Mit Hilfe dieser
Anordnung können die beiden Verformungselemente 7 und 8 entgegen der Kraftwirkungsrichtung
und gegen die zwischen Druckstück 24 und der Lastmembran 22 angeordnete - Feder
28 vorgespannt werden. Der einstellbare Boden 27 verschließt wiederum die Vorrichtung
nach unten und dient gleichzeitig in der bei Fig. 2 beschriebenen Weise als Überlastsicherung
im Zusammenwirken mit dem Bolzen 25. Da durch Walil einer geeigneten Übersetzung,
bedingt durch die Spannweiten der Lastmembran 22 und die Winkel der Krafteinleitungsrohransätze
2 und 3, der Verformungsgrad der zylindrischen Rohrstücke 1 in weitem Rahmen eingestellt
werden kann, wird bei gleicher Materialbeanspruchung der zylindrischen Rohransätze
1 die doppelte Ausgangsleistung erzielt, wenn die Vorspannung entgegen der Kraftwirkung
um die halbe maximal zulässige Kraft erfolgt. Bei Belastung der Lastmembran 22 durch
die Kraft werden die Verformungselemente 7 und 8 zunächst bis zum Erreichen des
mechanischen Nullpunktes (spannungsfreier Zustand) entlastet, um sodann bei weiterer
Belastung der Membran 22 über das elastische Glied 28 wieder belastet zu werden.
Diese Maßnahme hat zwar den Verlust der linearen Kennlinie zur Folge, bringt jedoch
andererseits den Vorteil mit sich, daß eine Ausgangsleistung von dem doppelten Betrag
gegenüber einer nicht vorgespannten Ausführung erzielt wird, was für viele Anwendungszwecke
von großer Wichtigkeit ist.
-
Bei dem in F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei erfindungsgemäße
Verformungselemente mechanisch in Reihe geschaltet, indem die einander zugewandten
Krafteinleitungsglieder der zylindrischen Rohrstücke 29 und 30 zum Krafteinleitungsteil
31 zusammengefaßt sind. Die anderen Krafteinleitungsglieder 32 und 33 der Rohrstücke
29 und 30 sind in der bereits bei den vorherigen Ausführungsbeispielen beschriebenen
Form mit Einspannflächen 34 und 35 versehen. Bei ortsfester Einspannung der Einspannfläche
35 und in Richtung des Pfeils P geführter Belastung der Einspannfläche 34 wird der
Durchmesser des zylindrischen Rohrstückes 29 parallel verkleinert und der Durchmesser
des Rohrstückes 30 parallel vergrößert.
-
Die in F i g. 5 dargestellte Ausführungsform besitzt im wesentlichen
die gleiche spiegelbildliche Anordnung der Verformungselemente 7, 8 wie bei der
Ausführungsform gemäß Fig. 2. Jedoch sind an Stelle der dortigen Einspannflächen
4, 5 mit den zugehörigen Einspannmitteln als Kraftaufnahmeteile auf der einen Seite
Körper 36 und 37 vorgesehen, die gegeneinander von Verspannelementen, die im dargestellten
Beispiel durch eine Einstellschraube 38 verkörpert werden, in einstellbarem Maß
verspannbar sind. Dadurch können die Verformungselemente 7, 8 so gegeneinander verspannt
werden, daß sie diejenige Vorspannung erhalten, bei der sie die gewünschte, vorzugsweise
geringste, Hysterese besitzen.
-
Bei den in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Ausführungsformen mit paarweise
verwendeten Verformungsgliedern kann der Vorteil einer gleich großen Verformung
der in ihrem Durchmesser verringerten
bzw. vergrößerten Verformungselemente
und damit verbunden eine Symmetrie der Meßbrückenschaltung und hohe Nullpunktsstabilität
erreicht werden. Weiterhin erfolgt die Leitung der Kraft an die Stellen optimaler
Verformung so, daß eine kontinuierliche Meßkurve entsteht und Unregelmäßigkeiten
durch Materialverformungen an den Einspannflächen vermieden werden.