DE1282301B

DE1282301B - Device for measuring paths

Info

Publication number: DE1282301B
Application number: DE1963B0071039
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Juergen Burbach; Wolfgang Scholz
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1963-03-08
Filing date: 1963-03-08
Publication date: 1968-11-07

Description

Vorrichtung zum Messen von Wegen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Wegen, bei der eine infolge einer Wegänderung auftretende Verbiegung einer Blattfeder auf elektrischem Wege von einem Meßwerk erfaßt wird. Derartige Vorrichtungen sind auch zur Messung anderer mechanischer Größen anwendbar, die durch einfache Beziehung mit dem Weg und davon abgeleiteten mechanischen Größen verknüpft sind.Device for measuring paths The invention relates to a device for measuring paths in which bending occurs as a result of a change in path a leaf spring is detected electrically by a measuring mechanism. Such Devices can also be used to measure other mechanical quantities caused by simple relationship with the path and mechanical quantities derived from it are.

Bei bekannten elektrischen Meßgeräten für Wege wird der Meßwert auf mechanischem, optischem, pneumatischem oder elektrischem Wege iibertragen. In known electrical measuring devices for paths, the measured value is on mechanically, optically, pneumatically or electrically.

Es hat sich gezeigt, daß die Umwandlung der rnechanischen Größe in eine elektrische und die Rückumwandlung der elektrischen Größe in eine mechanische, beispielsweise in einen Zeigerausschlag, also in eine Länge, der einfachen Ubersetzung der mechanischen Größe in eine Länge überlegen ist. Elektrische Meßgeräte sind hequem zu handhaben, reagieren schnell auf Anderungen der Meßgröße und vermögen jede Entfernung zu überbrücken. Ein wesentlicher Vorteil elektrischer Meßgeräte besteht darin, daß der gemessene Wert maßstäblich und verzögerungsfrei verstärkt werden kann, womit man sowohl in der Lage ist, in energiearmen Kreisen zu messen, ohne das Meßergebnis durch die Entnahme zu großer Leistung aus dem Meßkreis zu fälschen, als auch robuste und betriebssichere Meßgeräte einzusetzen. Im allgemeinen sind zwischen Meßstelle und Anzeigeort nur wenige dünne Leitungen erforderlich, deren Eigenschaften das Meßergebnis nicht beeinflussen.It has been shown that the conversion of the mechanical quantity into an electrical and the reverse conversion of the electrical quantity into a mechanical one, for example in a pointer deflection, i.e. in a length, the simple translation is superior in length to the mechanical size. Electrical measuring instruments are convenient to handle, react quickly to changes in the measured variable and are capable of any distance to bridge. A major advantage of electrical measuring devices is that the measured value can be scaled and amplified without delay, with which one is able to measure in low-energy circles without the measurement result falsifying too much power from the measuring circuit, as well as robust ones and to use reliable measuring devices. Generally there are between measuring points and display location, only a few thin cables are required, the properties of which have the Do not influence the measurement result.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Bauart zum Messen von Wegen zu schaffen, die bei zerstörungssicherem Aufbau innerhalb eines großen Meßbereiches Meßwerte hoher Genauigkeit ergibt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbiegung der Blattfeder mittels eines mit Kerben, mit Feingewinde versehenen, in Richtung seiner Achse entsprechend dem zu messenden Weg beweglichen Stiftes, in dessen Kerben bzw. in dessen Feingewinde die Blattfeder eingreift, bewirkt wird und daß die Verbiegungen der Blattfeder nach Anzahl undloder Größe erfaßt werden. The invention is based on the object of providing a device of the initially described called type of construction for measuring paths to create with a non-destructive structure results in measured values of high accuracy within a large measuring range. This task is achieved according to the invention in that the bending of the leaf spring by means of a with notches, finely threaded, in the direction of its axis corresponding to the Movable pin path to be measured, in its notches or in its fine thread the leaf spring engages, is effected and that the bending of the leaf spring after Number and / or size can be recorded.

Die Verwendung eines Stiftes mit Feingewinde ermöglicht durch Drehung dieses Stiftes insbesondere eine genaue Nulleinstellung bei Beginn der Messung. The use of a pin with a fine thread is made possible by rotation this pen, in particular, ensures an exact zero setting at the beginning of the measurement.

Der Stift ist ferner schnell und bequem auswechselbar, beispielsweise gegen einen Stift, dessen Feingewinde eine andere Steigung besitzt. The pen can also be exchanged quickly and easily, for example against a pin whose fine thread has a different pitch.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Blattfeder auf jeder Seite mit mindestens einem Dehnungsmeß- streifen versehen, wobei die in den Dehnungsmeßstreifen auftretenden Widerstandsänderungen mittels einer Brückenschaltung, beispielsweise einer Wheatstoneschen Brücke, gemessen werden. Die Dehnungsmeßstreifen sind dabei nahe der Einspannstelle der Blattfeder angeordnet, da dort die auftretenden Biegemomente, also auch die Dehnungen und Widerstandsänderungen, besonders groß sind. Die Verwendung von beidseitig mit in dieser Weise elektrisch ausgewerteten Dehnungsmeßstreifen versehenen Blattfedern ist an sich, z. B. bei Dynamometern, bekannt. An Stelle der Dehnungsmeßstreifen kann für die Umwandlung der Verbiegung der Blattfeder in eine elektrische Größe auch ein an sich bekannter induktiver Wegaufnehmer vorgesehen sein. In a further development of the invention, the leaf spring is on each side with at least one strain gauge provided with strips, the ones in the strain gauges occurring resistance changes by means of a bridge circuit, for example a Wheatstone bridge. The strain gauges are included arranged near the clamping point of the leaf spring, since this is where the bending moments so the elongations and changes in resistance are particularly large. The usage of both sides with strain gauges electrically evaluated in this way provided leaf springs is per se, z. B. in dynamometers, known. Instead of Strain gauges can be used to convert the deflection of the leaf spring into a electrical variable, a known inductive displacement transducer is also provided be.

Die Vorrichtung zum Messen von Wegen gemäß der Erfindung ermöglicht einen wahrheitsgetreuen Abgriff und erfordert zur Bewegung des Ubertragungsmechanismus eine so geringe Stellkraft, daß eine Rückwirkung auf den zu prüfenden Gegenstand ausgeschlossen ist. Die trägheitsarme, reibungslose und spielfreie Ubertragung des Meßwertes gewährleistet eine sehr genaue Anzeige. The device for measuring distances according to the invention enables a truthful tap and requires to move the transmission mechanism such a low actuating force that it has an effect on the object to be tested is excluded. The low-inertia, smooth and backlash-free transmission of the The measured value ensures a very precise display.

Da durch die kleine Ganghöhe des in den Stift eingeschnittenen Feingewindes erreicht wird, daß die Verbiegung der Blattfeder klein gegen deren Länge ist, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem gemessenen Weg und der Widerstandsänderung der Dehnungsmeßstreifen. Zum einen gilt für kleine Durchbiegungen mit hoher Genauigkeit die elementare Balkenbiegungstheorie, zum anderen haben Dehnungsmeßstreifen bei niedrigen Beanspruchungen eine fast lineare Beziehung zwischen Dehnung und Widerstandsänderung. Because of the small pitch of the fine thread cut into the pin what is achieved is that the bending of the leaf spring is small compared to its length a linear relationship between the measured path and the change in resistance the strain gauge. On the one hand, it applies to small deflections with high accuracy the elementary beam bending theory, on the other hand, strain gauges contribute low stress shows an almost linear relationship between strain and change in resistance.

Bei der Messung größerer Wege springt die Blattfeder bei Uberschreitung eines bestimmten Wegmaßes auf den nächsten Gang des Feingewindes über. Nach jedem Sprung der Blattfeder geht der Meßvorgang mit gleicher Genauigkeit weiter. Der zu messende Weg kann praktisch beliebig groß sein. When measuring larger distances, the leaf spring jumps when exceeded a certain distance to the next thread of the fine thread above. The measuring process continues with the same accuracy after each jump of the leaf spring. The path to be measured can be practically of any size.

Die Meßlänge ergibt sich jeweils aus der Addition der einzelnen Sprunghöhen und beliebiger Zwischenwerte. The measuring length results from the addition of the individual jump heights and any intermediate values.

Zwischen dem zu messenden Weg und der Widerstandsänderung der Dehnungsmeßstreifen bestehen folgende einfache Beziehungen: L3 L3 zu dR für Rollbrücke 6kha R (vier Dehnungsmeßstreifen) und L3 J R für Halbbrücke b 3 kha R , (zwei Dehnungsmeßstreifen) wobei die Formelzeichen folgende Bedeutung haben: y = zu messender Weg, L = Länge der Blattfeder, h = Dicke der Blattfeder, a = Abstand der Dehnungsmeßstreifen-1R mitte vom freien Ende der Blattfeder, R = relative Widerstandsänderung eines Dehnungsmeßstreifens bei einem Weg y, k = Proportionalitätsfaktor der Dehnungsmeßstreifen, (k 2). Between the path to be measured and the change in resistance of the strain gauges the following simple relationships exist: L3 L3 to dR for rolling bridge 6kha R (four Strain gauges) and L3 J R for half bridge b 3 kha R, (two strain gauges) where the symbols have the following meaning: y = path to be measured, L = length of the leaf spring, h = thickness of the leaf spring, a = distance between the strain gauges-1R middle of the free end of the leaf spring, R = relative change in resistance of a strain gauge with a path y, k = proportionality factor of the strain gauges, (k 2).

Wie aus den Formeln ersichtlich, haben die Materialkonstanten der Vorrichtung gemäß der Erfindung keinen Einfluß auf den Meßvorgang. Soweit im Temperaturgleichgewicht bei beliebigen Temperaturen gemessen wird, liegt kein Einfluß der Temperatur auf den Meßvorgang vor, falls, wie vorausgesetzt werden kann, bei nicht zu hohen Temperaturen der Widerstand und der Proportionalitätsfaktor konstant bleiben. As can be seen from the formulas, the material constants of the Device according to the invention does not affect the measuring process. So much in temperature equilibrium is measured at any temperature, there is no influence of temperature the measuring process before, if, as can be assumed, at not too high temperatures the resistance and the proportionality factor remain constant.

Aus den Formeln folgt weiterhin, daß bei L = 8 mm, h = 0,08 mm, a = 2 L und für eine 3 JR praktisch erreichbare kleinste Meßeinheit für R von 1 10-6 Wege von 1-10-4mm meßbar sind. From the formulas it also follows that with L = 8 mm, h = 0.08 mm, a = 2 L and for a 3 JR practically achievable smallest unit of measurement for R of 1 10-6 Paths of 1-10-4mm can be measured.

Diese hohe. Meßgenauigkeit kann allerdings nicht über große Meßstrecken (mit Federsprüngen) ausgenutzt werden, da bei einer Ganghöhe von nur 0,25 mm im Beispiel die Skala der Hochfrequenz-JR brücke 2500 Einheiten von je 1 10-6 für R ablesbar enthalten müßte.This high. However, measuring accuracy cannot be achieved over long measuring distances (with spring jumps), because with a pitch of only 0.25 mm in Example the scale of the high frequency JR bridge 2500 units of 1 10-6 each for R should contain legibly.

Mit den üblichen Hochfrequenzmeßbrücken mit bis zu 200 Skalenteilen bei Vollausschlag ist aber immer noch mit einer Meßgenauigkeit von etwa 10-3 mm für große Meßbereiche zu rechnen. Eventuelle geringfügige Abweichungen von der Linearität können durch geeignete Formgebung des Gewindeprofils ausgeglichen werden, wie mathematisch leicht gezeigt werden kann. Auch durch eine geeignet ausgestaltete Federhaltung, die mit zunehmender Federdurchbiegung zu einer stetigen Verkürzung der freien Federlänge führt, indem sich die Feder allmählich gegen eine gekrümmte Wange der Halterung anlegt, können Nichtlinearitäten beseitigt werden. With the usual high-frequency measuring bridges with up to 200 scale divisions at full deflection, however, it is still with a measurement accuracy of about 10-3 mm to be expected for large measuring ranges. Possible slight deviations from linearity can be compensated for by appropriate shaping of the thread profile, such as mathematically can be shown easily. Also through a suitably designed pen holder, which, with increasing spring deflection, leads to a constant shortening of the free spring length leads by moving the spring gradually against a curved cheek of the bracket applied, non-linearities can be eliminated.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ferner noch vorgeschlagen, daß mindestens eines der sich gegeneinander bewegenden Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Abschrägungen versehen ist, wodurch beim Uberschreiten eines bestimmten Wegmaßes die sich gegeneinander bewegenden Teile voneinander abgehoben werden. Diese Maßnahme bietet den zusätzlichen Vorteil, daß die einfache, klare, nach grundlegenden physikalischen Gesetzen aufgebaute Vorrichtung gemäß der Erfindung neben der hohen Meßgenauigkeit innerhalb eines großen Meßbereiches auch die Forderung nach Unzerstörbarkeit erfüllt. In a further embodiment of the invention, it is also proposed that that at least one of the mutually moving parts of the invention Device is provided with bevels, whereby when a certain is exceeded Distance the parts moving against one another are lifted from one another. This measure Offers the added benefit of being simple, clear, based on basic physical Law built device according to the invention in addition to the high measurement accuracy the requirement for indestructibility is also met within a large measuring range.

In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung erläutert, und zwar zeigt Fig. 1 den mechanischen Teil einer Vorrichtung zum Messen von Wegen in Ansicht, F i g. 2 einen Teil der Vorrichtung gemäß F i g. 1 in vergrößertem Maßstab, F i g. 3 eine schematische Darstellung des elektrischen Teils einer Vorrichtung zum Messen von Wegen und Fig. 4 ebenfalls eine schematische Darstellung des elektrischen Teils einer Vorrichtung zum Messen von Wegen, jedoch mit einer anderen Anordnung der Dehnungsmeßstreifen. In the drawing is an exemplary embodiment of the invention explained, namely Fig. 1 shows the mechanical part of a device for measuring of ways in view, F i g. 2 shows a part of the device according to FIG. 1 in enlarged view Scale, fig. 3 a schematic representation of the electrical part of a device for measuring distances and FIG. 4 likewise a schematic representation of the electrical Part of a device for measuring distances, but with a different arrangement the strain gauge.

Stangen 1 und 2 sind in näher dargestellter Weise derart mit dem Meßobjekt verbunden, daß ihre Parallelverschiebung gegeneinander gleich der Länge des zu messenden Weges ist. Mit der Stange 1 ist ein rahmenartiges Gehäuse 3 fest verbunden. Ein zylindrischer Stift 4 ist in Bohrungen 5 im Gehäuse 3 geführt und kann nur Bewegungen parallel zu den Achsen der Stangen 1 und 2 ausführen. Durch einen an der Stange 2 vorgesehenen Fuß 6 wird die Parallelverschiebung der Stange 2 gegenüber der Stange 1 auf den Stift 4 übertragen. Im mittleren Teil des Stiftes 4 ist ein Feingewinde 7 mit kleiner Ganghöhe vorgesehen, in das eine Blattfeder 8 eingreift, die in einer am Gehäuse 3 befestigten Halterung9 eingespannt ist. Auf der Ober- und der Unterseite der Blattfeder 8 befinden sich Dehnungsmeßstreifen 10 und 11. Sind auf die Blattfeder 8 oben und unten je zwei Dehnungsmeßstreifen 10 und 11 geklebt, so werden diese vier Dehnungsmeßstreifen so zu einer Vollbrücke (F i g. 3) geschaltet, daß die nebeneinanderliegenden Streifen sich in der Brücke gegenüberstehen. Dadurch wird erreicht, daß die durch die Verbiegung der Blattfeder hervorgerufenen Widerstandsänderungen der Dehnungsmeßstreifen sich in bezug auf die Brückenspannung addieren. Ist auf die Blattfeder oben und unten nur je ein Dehnungsmeßstreifen geklebt, so werden beide Streifen zu einer Halbbrücke geschaltet (F i g. 4). Rods 1 and 2 are in such a way shown with the DUT connected that their parallel displacement with respect to each other is equal to the length of the path to be measured. A frame-like housing 3 is fixed to the rod 1 tied together. A cylindrical pin 4 is guided in bores 5 in the housing 3 and can only perform movements parallel to the axes of rods 1 and 2. By a foot 6 provided on the rod 2 is the parallel displacement of the rod Transfer 2 to pin 4 opposite rod 1. In the middle part of the pen 4, a fine thread 7 with a small pitch is provided, in which a leaf spring 8 engages, which is clamped in a holder 9 attached to the housing 3. on the top and bottom of the leaf spring 8 are strain gauges 10 and 11. Are on the leaf spring 8 above and below two strain gauges 10 and 11 glued, these four strain gauges become a full bridge (Fig. 3) switched that the adjacent strips are in the bridge face. This ensures that the bending of the leaf spring induced changes in resistance of the strain gauges with respect to add the bridge voltage. There is only one strain gauge on the leaf spring above and below glued, both strips are connected to form a half bridge (FIG. 4).

Der Fuß 6 ist mit einer Abrundung 12 versehen, die bei Uberschreitung eines bestimmten, vorgebbaren Wegmaßes gegen eine Abschrägung 13 am Gehäuse 3 anläuft, wodurch sich die Stangen 1 und 2 stetig voneinander entfernen, so daß zunächst die Weiterführung des Stiftes 4 und damit der Meßvorgang unterbrochen wird. Schließlich läuft die Kante 14 des Fußes 6 gegen eine weitere Abschrägung 15 am Gehäuse 3 an. Die Stangen 1 und 2 bewegen sich dadurch unter Vermeidung jeglicher Stöße aneinander vorbei. Zum Festklemmen des Stiftes 4 nach genauer Nulleinstellung bei Beginn der Messung ist eine Schraube 16 vorgesehen. The foot 6 is provided with a rounding 12, which when exceeded a certain, predeterminable distance runs against a bevel 13 on the housing 3, whereby the rods 1 and 2 move away from each other steadily, so that initially the Continuation of the pin 4 and thus the measuring process is interrupted. In the end the edge 14 of the foot 6 runs against a further bevel 15 on the housing 3. The rods 1 and 2 move thereby avoiding any collisions with one another past. To clamp the pin 4 after precise zero setting at the beginning of the A screw 16 is provided for measurement.

Die Schaltung der Dehnungsmeßstreifen 10, 11 ist in F i g. 3 und 4 schematisch dargestellt. Als Meßbrücke 17 dient eine der üblichen HF-Brücken; als Registriergerät 18 eignet sich besonders ein Schleifenoszillograph. The circuit of the strain gauges 10, 11 is shown in FIG. 3 and 4 shown schematically. One of the usual HF bridges is used as the measuring bridge 17; A loop oscilloscope is particularly suitable as the recording device 18.

Claims

Claims: 1. Device for measuring paths in which a bending of a leaf spring on electrical as a result of a change in path Paths is detected by a measuring mechanism, d a -d marked that the bending of the Leaf spring (8) by means of a notched (7) or with a fine thread, in the direction its axis corresponding to the path to be measured movable pin (4), in which Notches or in the fine thread of which the leaf spring engages, is effected and that the deflections of the leaf spring are recorded according to number and / or size.

2. Apparatus according to claim l, characterized in that in on As is known, the leaf spring has at least one strain gauge on each side is provided and the changes in resistance occurring in the strain gauges measured by means of a bridge circuit, for example a Wheatstone bridge will.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that for the Conversion of the bending of the leaf spring that occurs as a result of a change in path a known inductive displacement transducer is provided in an electrical variable is.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that at least one of the parts moving against one another is provided with bevels is, whereby when a certain, predeterminable distance is exceeded, the mutually moving parts are lifted from one another.

Documents considered: German Auslegeschrift No. 1112196; French Patent No. 1,011,956; Pflin, electrical measurement mech. Sizes (1956), pp. 146 and 147; G r a v e, electr. Measurement not electr. Sizes (1962), Pp. 23 to 27.