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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum elektrischen
Messen mechanischer Größen mittels mechanisch-elektrischer Meßumformer, bei der
die Anderung des Kontaktwiderstandes zweier elektrischer Leiter oder Halbleiter
zur Umformung in elektrische Vorgänge herangezogen wird.
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Es ist ein Regeiwiderstand für Fahrregler beispielsweise von Elektro-Flur-Fördergeräten
mit einem stufenlos veränderbaren elektrischen Widerstandswert bekannt, bei dem
der Widerstandskörper eine gestreckte bzw. band- oder drahtförmige Gestalt hat.
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Ein derartiger Regelwiderstand hat die Aufgabe, einen möglichst großen
Regelbereich zu schaffen, so daß aus diesem Grunde nicht die Flächenpressung für
die Querschnittsveränderung und damit Änderung des Übergangswiderstandes verantwortlich
ist, sondern die bewußt sehr groß gehaltenen, sich nacheinander anlegenden Flächen.
Es handelt sich hier also speziell um großeLängenänderungenbeikleinenWiderstandsänderungen,
während bei der vorliegenden Erfindung für die Schnittkraftmessung z. B. kleinste
Längenänderungen wegen einer Schwingungsneigung bei großen Widerstandsänderungen
meßbar sein müssen.
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Es ist ferner eine Kontaktanordnung, insbesondere für elektrische
Musikinstrumente, aber auch in der Meß- und Regeltechnik bekannt, bei der Stromkreise
über einen Widerstand geschlossen werden, der von einer Kraft, z. B. dem Tastendruck
oder auch einer zu messenden oder zu regelnden Größe, stark abhängig ist. Dabei
besteht die Oberfläche dieser Körper aus leitfähigem Kautschuk, die unter dem Einfluß
von willkürlichen oder zu messenden Kräften deformiert und dabei in mehr oder weniger
innige Berührung gebracht werden, so daß eine mit den mechanischen Kräften stark
veränderliche Berührungsfläche und damit ein stark veränderlicher Obergangswiderstand
entsteht. Diese Kontakte aus leitfähigem Kautschuk lassen sich sehr leicht deformieren,
so daß für die Messung große Wege entstehen, die jedoch im Falle der vorliegenden
Erfindung gerade vermieden werden sollen.
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Es ist ferner eine Leiteranordnung mit veränderlichem elektrischem
Widerstand bekannt, wobei als Gegenstück zu einer festen Metallelektrode eine Elektrode
aus einem Werkstoff mit gummiartiger Elastizität verwendet wird, so daß wiederum
große Meßwege entstehen, wobei durch die Verformung der Pastille der ohmsche Widerstand
geändert wird und dabei nur ein Bruchteil der Widerstandänderung auf die Flächenpressung
entfällt.
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Die bekannten Anordnungen lassen sich nicht auf den Gegenstand der
vorliegenden Erfindung anwenden, da zur Vermeidung von Schwingungen oder Rattermarken
kleine Kraftänderungen sehr stark gemessen und abgefangen werden müssen.
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Es wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß als Werkzeugträger
ein Torsionsstab mit einer Meißelwiege vorgesehen ist, daß ein Werkzeug am äußeren
Ende der Wiege angebracht ist und in ihrem Kopf eine Kugel eingelassen ist, die
gegen ein federndes, elektrisch leitendes Blech, das mit dem Gehäuse verbunden ist,
drückt, das seinerseits an einer Kalotte anliegt, die mit einer elektrischen Meßbrücke
verbunden ist, während in der Seitenwand der Meißelwiege eine weitere Kugel eingesetzt
ist, die auf eine Feder aus elektrisch leitendem Werkstoff drückt, die an einer
Kalotte anliegt, die ebenfalls mit der elektrischen Meßbrücke verbunden ist.
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Mit dieser Vorrichtung lassen sich beispielsweise auch für Glanz-
und Feindrehvorgänge.. schwingungsfreie Schnittkraftmessungen durchführen, da die
kleinen Kraftänderungen sehr starr gemessen und abgefangen werden. Ähnlich steif
mit Eigenfrequenzen bis zu 50 kHz kann nur noch mit Quarzmeßwertgebern gearbeitet
werden, bei denen jedoch eine statische Eichung sehr schwierig ist, da die Ladung
durch Isolationsfehler und Luftfeuchtigkeit sehr schnell abgebaut wird. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung hat darüber hinaus den großen Vorteil, daß praktisch schon ein Ohinmeter
genügt, um die Messung durchzuführen und keine sonstige komplizierte Meßtechnik
angewendet werden muß.
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Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung in Verbindung
mit den Zeichnungen beispielsweise erläutert.
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Es zeigt in schematischen Skizzen Fig. 1 ein Gerät zum Messen von
zwei Komponenten einer Schnittkraft im Grundriß, F i g. 2 einen Seitenriß von F
i g. 1 und F i g. 3 einen Kreuzriß davon, F i g. 4 den : Aufbau- eines Meßgerätes
und die F i g. 5 und 6 aufgenommene Eichkurven.
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Der Schnittkraftaufnehmer ist auf einer Grundplattel aufgebaut, auf
der als Distanzstücke bzw.
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Montagehilfe Platten 2, 22 und 25 angeordnet sind.
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Zur Aufnahme der Rückkräfte dient ein Torsionsstab 3, auf den eine
Meißelwiege 23 aufgeschrumpft ist und die so konstruiert wurde, daß am äußersten
Ende ein Werkzeug 20 eingespannt werden kann. Die auf das Werkzeug einwirkenden
Rückkräfte werden also eine Torsion des Stabes 3 bewirken.
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In die Meißelwiege 23 ist im Kopf 21 eine Kugel 10 eingelassen, die
gegen ein federndes elektrisch leitendes Blech 5 drückt, das zur Trennung von Hauptschnittkräften
und Rückkräften dient. Dieses Blech 5 ist an einem Klötzchen 4 angebracht und so
mit dem Gehäuse verbunden. Das Blech 5 drückt, je nach der Stärke der Rückkraft,
mehr oder weniger fest gegen eine Kalotte 9, die aus Kohle, Ferrit oder einem anderen
Werkstoff besteht, der sehr empfindlich auf Änderungen des Kontaktwiderstandes reagiert,
was durch die Schwankungen der Flächenpressung und der Größe der berührenden Fläche
herbeigeführt wird. Die Kalotte 9 ist in eine Fassung 8 eingelötet, die mechanisch
durch ein Stahlklötzchen 7 mit dem Gehäuse verbunden wird. Die Fassung 8 ist elektrisch
isoliert-und mit einem Teil einer Meßbrücke dort dem Anschluß 36 (s. F i g. 4) verbunden.
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In der einen Seitenwand 21 der Meißelwiege 23 ist eine weitere Kugel
19 eingelassen, die auf eine etwas stärkere Feder 18, als es die Feder 5 ist, drückt,
wobei diese Feder aus elektrisch leitendem Werkstoff in einem Block 16 gehaltert
ist. Der Block 16 ist mit der Platte 22 und damit mit dem Gehäuse verbunden.
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Zur Messung wird eine Meßbrücke herangezogen, die aus zwei Teilen
besteht, wobei beide Teile der Meßbrücke von einer Gleichspannungsquelle 31 mit
Strom gespeist werden. Der linke Teil der Meßbrücke besteht aus den Trimmerwiderständen
32 und 41 sowie dem Abgleichwiderstand35, wobei bei 34 der Kontaktwiderstand des
Wandlers der Hauptschnittkraft Ps angeschlossen ist. Der rechte Teil der Meßbrücke
besteht aus den Trimmerwiderständen 39 und 40 sowie dem Abgleichwiderstand 37, wobei
bei 36 der Kontaktwiderstand des Wandlers für die Rückkraft angeschlossen ist.
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Die Rückkraftmessung entspricht einer Belastung der in der Fassung
8 sitzenden Kohle 9 mit steigender Rückkraft. In den Kurven (F i g. 6) ist der Widerstand
als Funktion der Rückkraft aufgetragen sowie die Auslenkung als Funktion der Rückkraft.
Die Hauptschnittkraft bewirkt in erster Linie eine Biegung der Meißelwiege 23 und
eine Verwindung des Torsionsstabes 3. Durch die steigende Hauptschnittkraft wird
durch die Durchbiegung der Meißelwiege und des Torsionsstabes eine Entlastung des
Kohlekörpers 15, der in der Fassung 14 eingelassen ist, herbeigeführt, und da die
Fassung in einem Isolator 13, der im Stahlblock 11 gehalten ist, sitzt, geht über
eine elektrische Verbindung vom Anschluß 12 der Anschluß an den linken Teil der
Meßbrücke bei 34.
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Bezüglich der Hauptschnittkraft ist zu beachten, daß der ohmsche Widerstand
mit der Zunahme der Schnittkraft ebenfalls zunimmt, und es ist hier das Kurvenblatt
gemäß F i g. 5 zu vergleichen.
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Die Anderungen des Kontaktwiderstandes als Folge der Änderungen der
Schnittkraft bzw. die nach einer Eichung statisch vergleichbaren Kontaktwiderstände
als Folge von Meißelbelastungen, die in den entsprechenden Richtungen statisch aufgebracht
wurden, werden mit der Meßbrücke angezeigt und können gegebenenfalls auch registriert
werden. Die Anzeige für die Hauptschnittkraft geschieht durch die Messung des Querstromes
mit einem Ft-Amperemeter 33 mit entsprechender Empfindlichkeit und für die Rückkraft
mit einem Ft-Amperemeter 38. Wenn es gebraucht wird, kann man eine Spreizung oder
Einengung des Bandes durch entsprechende Shuntung der Meßgeräte erzielen.
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Bei Beginn der Messung wird an den Meßwandlern ein leichter Kontaktdruck
eingestellt und die beiden Teile der Meßbrücke auf Null abgeglichen. Dieser Abgleich
geschieht durch Anderung der Widerstände 35 und 37, nachdem die Trimmerwiderstände
32 und 41 bzw. 39 und 40 richtig einjustiert wurden.
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Dann wird eine Eichung der Meßgerätanzeige durch Aufbringen von Gewichten
in der entsprechenden Richtung am Schnittkraftaufnehmer durchgeführt.
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Nach dieser Eichung kann dann, wie vorstehend beschrieben, die Messung
durchgeführt werden.
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F i g. 5 zeigt die Änderung des Kontaktwiderstandes R mit der Hauptschnittkraft
Ps, bei der die Meißelwiege entlastet wird, d. h., die Kohle steht unter einer bestimmten
mechanischen Vorspannung, welche durch die Hauptschnittkraft verringert wird.
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Auch hier erkennt man wieder einen linearen Bereich, in dem der Kontaktwiderstand
proportional der Durchbiegung der Meißelwiege und proportional der Hauptschnittkraft
Ps verläuft. Für den vorliegen-
den Fall wurde der Proportionalitätsfaktor zu 0,1
berechnet.
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In F i g. 6 wurde der Kontaktwiderstand R über der Rückkraft P, aufgetragen
(durchgezogene Kurve).
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Man sieht, daß für die niedrigen Rückkräfte der Kontaktwiderstand
hoch ist, während er nahezu linear bis zu einem gewissen Punkt abfällt und sich
dann dem Vollkontakt nähert. In diesem linearen Bereich kann ohne weiteres gemessen
werden, und die Federkräfte sind so abzustimmen, daß der Meßbereich in den linearen
Bereich fällt. Im vorliegenden Fall wurde die Kohle durch die Rückkraft belastet.
Trägt man die Torsion der Meißelwiege, welche die Rückkraft aufnimmt, über der Rückkraft
auf, so ergibt sich ein annähernd spiegelbildlicher Verlauf.