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Anordnung für die selbsttätige Temperaturkompensation einer hydraulischen
Lastmeßvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Anordnung für die selbsttätige Temperaturkompensation
einer hydraulischen Lastmeßvorrichtung, insbesondere einer Lastmeßzelle, bei der
unmittelbar an dem die Druckmittelkammer begrenzenden Gehäuseteil eine den hydraulischen
Druck in einen Meßwert umwandelnde Vorrichtung vorgesehen ist.
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Hydraulische Lastmeßvorrichtungen werden in großem Umfang benutzt,
um das Gewicht von Behältern, beispielsweise für heiße Destillate in Raffinerien,
Gießpfannen in Gießereien, Eisenbahnwagen u. dgl., oder die Schubkraft von Strahl-
oder Raketentriebwerken zu messen. Die Erfindung hat es mit dem Problem zu tun,
daß die möglicherweise in sehr weiten Grenzen schwankenden äußeren Temperatureinflüsse
wegen der unterschiedlichenAusdehnungsbeiwerte des hydraulischen Druckmittels einerseits
und der die Druckmittelkammer begrenzenden Teile der Lastmeßzelle andererseits die
Meßergebnisse verfälschen, sofern nicht für die Kompensation solcher Temperaturunterschiede
gesorgt ist.
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Es ist eine Einrichtung für die selbsttätigeTemperaturkompensation
einer hydraulischen Lastmeßvorrichtung bekannt, bei der in die Verbindungsleitung
zwischen einem ersten hydraulischen Zylinder, über dessen Kolben sich die zu messende
Last abstützt, und einem zweiten Zylinder, dessen Kolben die Lastanzeigevorrichtung
betätigt, eine Kompensationseinrichtung eingeschaltet ist. Die Kompensationseinrichtung
umfaßt einen an die Verbindungsleitung angeschlossenen ersten zylindrischen Druckmittelraum,
der durch einen Kolben abgegrenzt ist und sich durch Verschieben des Kolbens gegen
den Widerstand einer Feder in der Weise vergrößern läßt, daß er das infolge Wärmedehnung
überschüssige Druckmittel aus der Verbindungsleitung aufnimmt. Die Energie für die
Verschiebung des Kolbens wird von einem mit diesem durch eine Kolbenstange verbundenen
zweiten Kolben aufgebracht, der einen mit dem ersten Druckmittelraum koaxialen zweiten,
ebenfalls zylindrischen Druckmittelraum begrenzt. Der zweite Druckmittelraum ist
von dem ersten Druckmittelraum flüssigkeitsdicht getrennt und an eine Kompensationsleitung
angeschlossen, die an ihrem Ende abgeschlossen ist und im wesentlichen den gleichen
Verlauf und die gleiche Länge wie die beschriebene Verbindungsleitung hat, so daß
das Druckmittel in den beiden Leitungen denselben Temperatureinflüssen ausgesetzt
ist und sich somit auch im gleichen Maße ausdehnt.
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Die Wärmeausdehnungsarbeit des in der Kompensationsleitung enthaltenen
Druckmittels verschiebt den zweiten Kolben und somit auch den ersten Kolben
der Kompensationseinrichtung
derart, daß sich das Volumen des an die Verbindungsleitung angeschlossenen Druckmittelraums
entsprechend ändert.
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Diese bekannte Anordnung umfaßt eine große Zahl von teilweise gegeneinander
abdichtend beweglichen und daher störungsanfälligen und wartungsbedürftigen Einzelteilen
und erfordert einen Aufwand, der nur in Sonderfällen gerechtfertigt sein dürfte.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung für die
selbsttätige Temperaturkompensation einer hydraulischen Lastmeßvorrchtung, insbesondere
einer Lastmeßzelle, bei der unmittelbar an dem die Druckmittelkammer begrenzenden
Gehäuseteil eine den hydraulischen Druck in einen Meßwert umwandelnde Vorrichtung
vorgesehen ist, zu schaffen, die, ohne irgendeiner Wartung zu bedürfen, völlig betriebssicher
ist. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Druckmittelkammer
ein Einsatzstück aus einem Werkstoff, dessen kubische Wärmeausdehnungszahl kleiner
als diejenige des Gehäuseteils ist, frei liegend angeordnet ist. Die erfindungsgemäße
Anordnung hat den zusätzlichen Vorteil, daß sie gegenüber einer Lastmeßzelle ohne
selbsttätige Temperaturkompensation keinen nennenswerten Mehraufwand erfordert und,
da die Kompensation bereits im Inneren der Zelle durchgeführt wird,
die
Gefahr des Undichtwerdens der Zelle nicht erhöht wird.
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Eine vollständige selbsttätige Temperaturkompensation ergibt sich,
wenn das Volumen des Einsatzstücks derart bemessen ist, daß es die Formel a-b z
= x. b - c erfüllt, worin a die kubische Wärmeausdehnungszahl des Druckmittels,
b die kubischeWärmeausdehnungszahl des Gehäuseteils, c die kubische Wärmeausdehnungszahl
des Einsatzstücks und x das Volumen des Druckmittels bedeutet und wobei die Wärmeausdehnungszahl
c des Einsatzstücks vernachlässigbar ist, wenn die Lastmeßvorrichtung für die Verwendung
bei Raumtemperatur vorgesehen ist.
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Die Erfindung wird vorzugsweise bei Lastmeßzellen angewandt, bei
denen als Druckmittelkammer eine von einer Membran abgedeckte Mulde in der Grundplatte
der Zelle vorgesehen ist. Bei diesemAnwendungsfall ist es zweckmäßig, gemäß einem
weiteren Merkmal vorzusehen, daß das Einsatzstück in einer Vertiefung der Mulde
angeordnet und von deren Seitenwänden durch einen vom Druckmittel ausgefüllten Zwischenraum
getrennt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausbildungsform ist der Abstand
des Einsatzstücks von der Membran so bemessen, daß sich die Membran bei Überlastung
der Lastmeßzelle über das Einsatzstück an der Grundplatte ab stützt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal besteht das Einsatzstück zweckmäßigerweise
aus einer Legierung von Nickel, Kobalt und Eisen, da eine solche Legierung eine
besonders niedrige kubische Wärmeausdehnungszahl hat. Das Einsatzstück kann aber
auch aus einem anderen Werkstoff bestehen, dessen kubische Wärmeausdehnungszahl
vorzugsweise kleiner als 0,00001 (l/°C) ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine perspektivische
Darstellung einer hydraulischen Lastmeßzelle mit der Anordnung, Fig. 2 einen schematischen
Längsschnitt durch eine hydraulische Lastmeßzelle mit dem zugehörigen Anzeigegerät,
F i g. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch die Lastmeßzelle längs der Linie
3-3 in F i g. 1 und Fig. 4 einen waagerechten Teilschnitt durch die Lastmeßzelle
längs der Linie 4-4 in F i g. 3.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfaßt gemäß Fig. 1 eine Grundplatte
10, die ein zylindrisches Gehäuse 12 trägt. Am oberen Ende der Lastmeßzelle ist
ein Lastaufnahmekopf 14 mit ebener Oberseite vorgesehen, über den sich die zu messende
Last abstützt. Das Innere der Zelle ist gegen das Eindringen von Staub u. dgl. durch
eine Manschette 16 aus Gummi od. dgl. abgedichtet, die mit dem Lastaufnahmekopf
14 durch eine Spannschelle 18 und mit dem Gehäuse 12 durch eine Spannschelle 20
verbunden ist.
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Wie in F i g. 2 schematisch angedeutet, ruht die durch den Pfeil
22 dargestellte Last auf einer insgesamt mit 24 bezeichneten Lastaufnahmevorrichtung;
diese überträgt das Gewicht der Last bzw. die zu messende Kraft über eine dünne
Membran 26 aus Stahl auf das in einer Kammer 28 enthaltene hydraulische Medium.
Die infolge der Belastung der Zelle auftretende Erhöhung des hydraulischen Drucks
wird über einen Kanal 29 in der Grundplatte 10 und eine Rohrleitung 30 zu einem
Anzeigegerät 32 übertragen, das die mit dem Pfeil 22 angedeutete Kraft anzeigt.
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Die Kammer 28 ist vorzugsweise als Vertiefung 34 an der Oberseite
36 der Grundplatte 10 auf eine nachstehend erläuterte Weise ausgebildet.
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Wie erwähnt, können derartige hydraulische Lastmeßzellen einer Umgebungstemperatur
ausgesetzt sein, die in einem Bereich von mehreren hundert Grad variiert. Diese
Temperaturänderungen führen zu einer Ausdehnung oder Zusammenziehung des hydraulischen
Mediums in der Kammer 28. Die Grundplatte 10, die z. B. aus Aluminium bestehen kann,
dehnt sich bei einer Temperaturänderung ebenfalls aus, jedoch in einem erheblich
geringerem Ausmaß als das hydraulische Medium. Der Ausdehnungsbeiwert des hydraulischen
Mediums kann z. B. 10-bis 15 mal größer sein als derjenige des Werkstoffs der Grundplatte.
Bei Temperaturänderungen würde das Gerät 32 daher Druckänderungen anzeigen, die
in keiner Beziehung zu der Meßgröße stehen, wenn nicht für den Ausgleich der Wärmedehnungen
gesorgt wäre.
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Gemäß der Erfindung ist in die Grundplatte 10 ein Einsatzstück 38
eingebettet, mit dessen Oberseite 40 das hydraulische Medium in der Kammer 28 in
Berührung steht. Der Ausdehnungsbeiwert des Einsatzstücks 38 ist erheblich niedriger
als derjenige des Werkstoffs der Grundplatte 10, so daß die durch Änderungen der
Umgebungstemperatur bedingten Änderungen des Volumens des hydraulischen Mediums
selbsttätig ausgeglichen werden.
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Gemäß Fig. 3 und 4 überträgt der Lastaufnahmekopf 14 das Gewicht
bzw. die Kraft (Pfeil 22) auf eine Kugel 42, die zwischen zwei Platten 44 und 46
angeordnet ist. Von den Platten 44 und 46 ist die erste am Lastaufnahmekopf 14 und
die zweite an einem Kolben 48 befestigt. Die Kugel 42 und die Platte 46 sind vorzugsweise
in einer Aussparung 50 des Kolbens 48 angeordnet und von einem nachgiebigen Zentrierring
52 umgeben, der in die Aussparung 50 paßt. Die von dem Kopf 14 und dem Kolben 48
aufgenommene Kraft wird von der den Kolben 48 abstützenden dünnen Stahlmembran 26
auf das hydraulische Medium in der Kammer 28 übertragen. Das untere Ende des Kolbens
48 ist durch einen Brückenring 54 derart geführt, daß zwischen dem Brückenring und
einem am unteren Ende des Kolbens ausgebildeten Flansch 56 geringe Kippbewegungen
möglich sind, wenn die Membran 26 durchgebogen wird.
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Im oberen Teil des Gehäuses 12 ist der Kolben 48 durch eine Stützplatte
58 aus dünnem Blech derart geführt, daß er senkrechte Bewegungen ausführen kann,
jedoch gegen seitliche Bewegungen gesichert ist.
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Um den Kolben 48 herum sind mehrere Vorspannfedern 60 angeordnet,
die sich mit ihren unteren Enden an einem ringförmigen Federteller 62 abstützen,
der an einer Schulter 64 des Kolbens angreift. Die Federn 60 sind durch einen am
zylindrischen Gehäuse 12 befestigten Spannring 66 gespannt gehalten.
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Die durch die Vertiefung 34 der Grundplatte 10 und die Membran 26
abgegrenzte und an ihrem äußeren Rand 70 zwischen dem Gehäuse 12 und der Grundplatte
10 durch Spannschrauben 72 abgedichtete Druckmittelkammer 28 ist durch einen Kanal
74 mit einem Druckwandler 76 verbunden, der in ein Loch 77 in der Grundplatte 10
eingebaut ist. Der Wandler 76 verwandelt den in der Kammer 28 herrschenden hydraulischen
Druck in ein elektrisches Signal, das über eine Leitung 78 einem an einer entfernten
Stelle angeordneten Anzeige- oder Registriergerät 80 für die mit der Meßzelle gemessene
Kraft zugeführt werden kann.
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Es wird vorgezogen, den Wandler 76 in der Grundplatte 10 der Meßzelle
oder in deren Nähe anzuordnen, denn in diesem Falle befindet sich die gesamte Menge
des hydraulischen Mediums in der Nähe der Lastmeßzelle oder in der Zelle selbst,
so daß es der gleichen Temperatur ausgesetzt ist wie die Grundplatte 10 und das
Einsatzstück 38. Bei der Anordnung nach F i g. 2 kann das in der Leitung 30 und
dem Anzeigegerät 32 enthaltene hydraulische Medium einer anderen Temperatur ausgesetzt
sein als die Lastmeßzelle selbst, so daß Fehler auftreten können, wenn bei der Leitung
und dem Anzeigegerät nicht ebenfalls für eine Temperaturkompensation gesorgt ist.
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Das Einsatzstück 38 für die Temperaturkompensation ist mit einer
Schraube 82 mittig am Boden einer Ausspannung 84 der Grundplatte 10 befestigt.
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Der Durchmesser der Aussparung 84 soll um etwa 0,5 mm größer sein
als der Außendurchmesser des Einsatzstücks, damit an dessen Umfang gemäß Fig. 3
ein Ringspalt 85 mit einer Breite von etwa 0,25 mm verbleibt. Die Aussparung 84
wird gewöhnlich bei Raumtemperatur und in der Weise hergestellt, daß ein Schrumpfen
der Grundplatte gegenüber dem Einsatzstück möglich ist, ohne daß eine Berührung
zwischen der Wand der Aussparung und der Umfangsfläche des Einsatzstücks eintritt.
Auch der Ringspalt 85 ist mit dem hydraulischen Medium gefüllt, und seine Breite
ändert sich bei Temperaturänderungen, bei denen sich die Grundplatte gegenüber dem
Einsatzstück ausdehnt oder zusammenzieht.
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Die Tiefe der Aussparung 84 ist so bemessen, daß die Oberseite 40
des Einsatzstücks 38 höher liegt als die Bodenfläche 35 der Vertiefung 34; daher
bildet das Einsatzstück eine Abstützung für die Membran 26 für den Fall, daß die
Meßzelle überlastet wird oder daß in der Zelle bzw. in der Kammer 28 keine ausreichende
Menge des hydraulischen Mediums vorhandeln ist. Befindet sich keine oder nur eine
geringe Flüssigkeitsmenge in der Kammer 28, so erleichtert die durch das Einsatzstück
gebildete Abstützung das Füllen der Kammer mit dem hydraulischen Medium.
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Wenn sich die Membran 26 an dem Einsatzstück 38 abstützt, hebt die
Kammerfläche am Umfang des Einsatzstücks die Membran an, so daß die Zelle gefüllt
werden kann, ohne daß es erforderlich ist, einen über mäßig hohen Druck aufzubringen.
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Das Einsatzstück 38 ragt gegenüber dem Boden 35 der Vertiefung 34
nur so weit nach oben, daß es die senkrechte Bewegung der Membran 26 aus ihrer waagerechten
Lage heraus nicht behindert; diese Bewegung beträgt innerhalb des Belastungsbereichs
der Meßzelle z. B. etwa 0,125 mm. Beispielsweise kann das Einsatzstück um etwa 0,125
mm in die Kammer 28 hineinragen, wenn die Tiefe der Aussparung 34 etwa 0,5 mm beträgt.
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Einige Beispiele für Metallegierungen, aus denen die Grundplatte
und das Einsatzstück bestehen können, sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt:
| Grundplatte Einsatzstück |
| Prozent |
| Material Prozent Material |
| max. 0,12 0 Kohlenstoff |
| - 0,50 Silizium 0,35 Mangan |
| - 0,50 Eisen max. 0,20 Silizium |
| 3,80 4,90 Kupfer 36,00 Nickel und |
| Kobalt |
| 0,30 0,90 Mangan 0,20 Selen |
| 1,20 1,80 Magnesium Rest P Eisen |
| - 0,10 Chrom |
| 0,10 Zink |
| 0,05je 0,15 ges. Andere |
| Rest | Aluminium |
Bei dieser Zusammensetzung der Grundplatte und des Einsatzstücks ergeben sich die
folgenden kubischen Ausdehnungsbeiwerte als Mittelwerte für den Temperaturbereich
von -18 bis +38°C: Grundplatte: 0,0000372 cm3/cm3°F oder 0,000067 cm3/cm3°C; Einsatzstück:
0,0000027 cm3/cm3°F oder 0,00000485 cm3/cm3°C.
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Demgegenüber ist der kubische Ausdehnungsbeiwert eines üblichen hydraulischen
Mediums: 0,00043 cm3/cm30F = 0,000775 cm3/cm3°C.
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Der kubische Ausdehnungsbeiwert des hydraulischen Mediums ist somit
etwa gleich dem 11,6fachen des Ausdehnungsbeiwerts des Werkstoffs für die Grundplatte
der Lastmeßzelle, während die Ausdehnung des Einsatzstücks vernachlässigbar gering
ist.
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Das günstigste Volumen des Einsatzstücks ergibt sich aus der Formel
ax = by - cz. (I) Hierin ist a die kubische Wärmeausdehnungszahl des Druckmittels
(l/°C), b die kubische Wärmeausdehnungszahl der Grundplatte (1/" C), c die kubische
Wärmeausdehnungszahl des Einsatzstücks (1/"C), x das Volumen des Druckmittels (cm3),
y der Rauminhalt der Kammer (cm3), z der Rauminhalt des Einsatzstücks (cm3).
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Es gilt ferner: y=z+x. (11) Aus I und II ergibt sich a x h (x * z)
- cz oder a-h z--x. b-c
Setzt man die Zahlenwerte aus vorstehendem
Beispiel ein, so erhält man für x = 1,0cm3: z = 11,3855 cm3; y = 12,3855 cm3.
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Das folgende Beispiel zeigt die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen
Anordnung bezüglich der Aufrechterhaltung der Meßgenauigkeit einer hydraulischen
Lastmeßzelle innerhalb eines großen Bereichs unterschiedlicher Umgebungstemperaturen.
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Beispiel Eine in bekannter Weise ausgebildete hydraulische Lastmeßzelle,
die nicht mit einem zur Kompensation dienenden Einsatzstück versehen war, wurde
mit einer hydraulischen Lastmeßzelle der gleichen Konstruktion verglichen, bei der
jedoch ein solches Einsatzstück vorgesehen war; dieser Vergleich erstreckte sich
über einen Bereich unterschiedlicher Temperaturen. Beide Meßzellen wurden entlastet,
so daß der auf das hydraulische Medium ausgeübte Druck nur auf die Vorspannfedern
60 zurückzuführen war. Jede Meßzelle wurde mit Hilfe einer Meßöffnung 86 beobachtet,
die es ermöglichte, den Abstand zwischen einer Meßfläche 88 des ringförmigen Federtellers
62 und einer an dem Gehäuse 12 vorgesehenen Meßfläche 90 zu messen. Die Ergebnisse
dieser Messungen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
| Bekannte Lastmeßzelle Zelle mit Temperatur- |
| kompensator |
| Gemessener Gemessener |
| Temperatur Abstand Temperatur Abstand |
| "C mm "C 1 mm |
| 53,5 1 0,825 54 1 0,7700 |
| 24 1 0,780 24 0,7700 |
| -1 0,750 0 0,7700 |
| -29 0,710 i -29,5 0,7787 |
Das vorstehende Beispiel läßt erkennen, daß die hydraulische Lastmeßzelle, die nicht
mit einem Einsatzstück für die Temperaturkompensation ausgerüstet war, bei einer
Temperaturänderung um etwa 82,5"C eine Bewegung des Kolbens gegenüber dem Gehäuse
von etwa 0,115 mm zeigte, während die mit einem Einsatzstück für die Temperaturkompensation
ausgerüstete Lastmeßzelle eine Änderung der Stellung des Kolbens zeigte, die bei
einer Temperaturänderung um etwa 83,5"C nur etwa 0,0087 mm betrug. Somit bewirkte
die Lastmeßzelle von bekannter Konstruktion keinen Ausgleich für die Änderung des
Volumens des hydraulischen Mediums, wie es im Gegensatz hierzu bei der erfindungsgemäßen
Meßzelle der Fall war. Diese Zunahme des Volumens des hydraulischen Mediums führt
zu einer Erhöhung des in der Meßzelle von bekannter Konstruktion herrschenden Drucks,
die wiederum zu einer Ungenauigkeit der Messung des Gewichts bzw. der Kraft führt.
Bei der erfindungsgemäßen hydraulischen Lastmeßzelle wird
auch bei unterschiedlichen
Temperaturen eine erheblich höhere Genauigkeit aufrechterhalten.