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B e s c h r e i b u n g Einrichtung zum Messen der Spannung einer
laufenden Materialbahn.
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Die Erfindung bezieht sich auf Mittel zum Mesen und Anzeigen der
Spannung einer sich kontinuierlich bewegenden Materialbahn.
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Bei industriellen Behandlungsanlagen ist es häufig ersorderlich,
die Spannung einer sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Materialbahn zu messen
und zu regeln. 3eispielsweise ermöglicht es bei Druckpressen die Kenntnis der Spannung,
die jeweils in der sich kontinuierlich bewegenden Papierbaha. vorhanden ist, den
Wirkungsgrad einer Dru¢kpresse-auS einen optimalen Wert zu bringen Es sind bereits
Einrichtungen zum Messen der Spannung einer sich bewegenden Materialbahn bekannt,
und ferner ist es bekannt, geeignete automatische Steuereinrichtungen vorzusehen,
die gegebenenfalls in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung der Materialbahn
betätigt werden können.
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Alternativ gentigt in manchen Anwendungsfällen ein optisches Anzeigegerät,
das es ermöglicht, die Spannung dsr Materialbahn mit der Band zu regeln.
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Bei den bis jetzt bekannten Einrichtungen der erwähnten Art ist es
schwierig, eine hohe Genauigkeit der Messung aufrechtzuerhalten bzw. zu überwachen,
da unerwünschte variable Eingangsgrößen, s. B. Reibung, Drehmomente, Ceschwindigkeiten,
die Temperaturempfindlichkeit, Abnutzungserscheinungen und Hysteresiseigenschaften,
eine Rolle spielen, die genaue Messungen über längere Zeiträume und unter unterschiedlichen
Bedingangen auch dann unmöglich machen, wenn die Einrichtung bei ihrem Einbau sorgfältig
geeicht wurde.
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In vielen Fällen müssen ziemlich komplizierte Eich- und Einbauverfahren
angewendet werden, bei denen umfangreiche technische Untersuchungen und Berechnungen
angestellt werden müssen.
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Daher ist es bis Jetzt nicht möglich gewesen, eine wirklich universell
verwendbare Meßeinrichtung zu schaffen, die sich in vorhandene Anlagen einbauen
läßt, ohne daß konstruktive Änderungen vorgesehen zu werden brauchen. Beispielsweise
ist es bei keiner der bis Jetzt bekannten Meßeinrichtungen möglich, eine solche
Meßeinrichtung einfach gegen eine schon vorhandene Walze einer zu überwachenden
Anlage auszutauschen; dies ist aui Beschränkungen bezüglich der Abmessungen zurückzuführen,
ferner darauf, daß mit bestimmten bevorzugten Belastungswinkeln gearbeitet werden
muß', und daß ob es erforderlich ist, achwierige teehnische Berechnungen tiber Biegemomente
usw durchzuführen.
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Ein allgemeines Ziel der Erfindung besteht nunmehr darin, eine verbesserte
Meßeinrichtung vorzusehen, mittels deren di.
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Spannung einer laufenden Materialbahn angezeigt werden kann.
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Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Einrichtung zum @ Messen der
Spannung einernsich kontinuierlich bewegenden Materialbahn
umfaßt
zwei durch einen Abstand getrennte Rahmenteile, eine zwischen diesen Rahmenteilen
angeordnete Welle, Mittel, die eine sich kontinuierlich bewegende Materialbahn unterstUtsen,
um die Welle entsprechend der Spannung der Bahn durchzubiegen, mindestens ein verformbares
Organ von kleinerem Querschnitt, das gleichachsig mit der Welle zwischen den Rahmenteilen
angeordnet ist, sowie zum Ermitteln der Verformung dienende ubertrager-oder Wandlermittel,
die an dem verformbaren Organ befestigt sind und dazu dienen, aus diesem Organ ein
Signal abzuleiten, das die Spannung der materialbahn repräsentiert.
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Gemäß der Erfindung umfassen ferner die Mittel zum Ftihlen der auf
die Welle wirkenden Kraft Mittel zum Fühlen einer Verformung, Mittel, um diese Fühlmittel
auf der Achse der Welle anzuordnen, sowie Mittel, um die Fühlmittel mit der Welle
zu kuppeln, damit sie verformt werden, wenn die Welle rechtwinklig zu ihrer Achse
verlagert wird.
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Gemäß der Erfindung wird somit die Spannung einer sich kontinuierlich
bewegenden Materialbahn dadurch gemessen, daß die Normalkraftkomponente gefühl wird,
die auf eine Welle und eine Führungsrolle wirkt, über die die Eaterialbahn läuft,
wobei die ubertrager-uder Wandlermittel auf der Achse der Welle angeordnet sind.
hierdurch wird die Notwendigkeit vermieden, das Drehmoment zu berücksichtigen, und
die Meßeinrichtung läßt sich auf einfachere Weise einbauen, da es nur erforderlich
ist, annähernd die Belastung und den Belastungswinkel zu kennen, ohne daß hierbei
die Länge von Hebelarmen oder andere Einbauparameter eine Rolle spielen.
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Die Welle mit der Führungsrolle, über die die Materialbahn läuft,
ist in den Rahmenteilen ortsfest gelagert, d.h. es werden keine Gleit- und/oder
Kugelgelenke oder dergleichen verwendet, sodaß alle Fehler vermieden werden, die
anderenfalls durch Reibung oder Abnutzungserscheinungen hervorgerufen werdennwürden.
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Bei den bis jetzt bekannten Meßeinrichtungen werden die Meßergebnisse
bei Änderungen der Leufgeschwindigkeit der Materialbahn sowohl durch Drehmomente
als auch durch Reibungskomponenten beeinflußt, während sich bei gemäß der Erfindung
durchgeführten Messungen kein wesentlicher Einfluß der Laufgeschwindigkeit bemerkbar
macht. Das Auftreten von Reibungskomponenten beschränkt sich auf eine Führungsrolle,
die auf Lagern läuft und sich um die ortsfeste Welle dreht, so daß die längs der
@chse der Welle durchgeführte Messung nicht durch Drehmomente oder Abnutzung erscheinungen
beeinflußt werden kann.
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Durch die Einbauverhältnisse bedingte Änderungen der Belastungsrichtung
gegenüber der Unterstützung der ortsfesten Welle oder Achse werden im wesentlichen
dadurch ausgeschaltet, daß eine relative Drehung um die Mittellinie der Achse für
die die Verlagerung Kühlenden Übertrager vorgesehen wird. In diesem Falle basieren
die Berechnungen auf einfache Weise auf der Verformung der Achse, z.ß. in Beziehung
zu Verformungsmessungen an freitragenden Halterungen an beiden Enden der Achse.
Widerstands-Dehnungsmesser werden in Verbindung mit einer Wheatstoneschen Brückenschaltung
verwendet, um eine sichtbare Anzeige mit Hilfe eines sichfähigen Meßgeräts zu erzeugen.
Auf diese Weise stehen Anzeigesignale zur Verfügung, die entweder zur Uberwachung
oder zur Regelung verwendet werden kennen.
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Um auf Reibung oder Spannungen zurückzuführende Fehler su vermeiden,
die bei den bis Jetzt gebräuchlichen Halterungen auftreten, z.B. bei Pendellagern,
und um eine in ausreichendem Maße allseitig bewegliche Halterung zu schaffen, bei
der keine besonders hohen Anspruche an die Genauigkeit des Einbaus gestellt werden,
wird die ortsfeste Achse durch Membranen mit den feststehenden Rahmenteilen verbunden.
Diese @embran, die zg B. als dünnes Organ aus Stahl ausgebildet sein kann, ist in
Richtung der Belastung der Achse durch die Spannung der Materialbahn steif, doch
läßt sie eine Durchbiegung der Achse oder kleinere Fl@chtungsfehler zu, ohne die
Steifigkeit gegen Verlegerungen zu beeinträchtigen und ohne daß Hysteresiswirkungen
auftreten, wie es bei allen Halterungen der Fall ist, bei denen vervehiebbare oder
drehbare Organe verwendet werden. Außerdem werden PeS ler vermieden, die auf Temperaturänderungen
zurückzuführen sind, welche die Länge der Achse beeinflussen, und da sich die Achse
nicht dreht, ermöglicht es die Membran, bezüglich des Einbaus der Achse mit ziemlich
großen Toleranzen zu arbeiten, ohne daß die Genauigkeit beeinträchtigt wird. Dadurch,
daß die übers trager oder Wandler an den Enden der Achse angeordnet sind,werden
ferner solche fehler ausgeschaltet, die anderenfalls auf eine Durchbiegung der Achse
zurückzuführen sein würden.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer @eichnungen
aa mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig t ist eine perspektivische Darstellung einer ;bn die Bewegungsbahn
einer Materialbahn eingeschalteten Einrichtung sul Messen Ser Behnspannung.
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Fig. 2 zeigt im Grundriß und teilweise im Längsschnitt eine gemäß
der Erfindung unterstützte Achse für eine Einrichtung zum Messen der Spannung einer
laufenden Materialbahn.
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Fig. 3A und 3B zeigen schematisch eine erfindungsgemäße Kraftmeßeinrichtung
sowie eine Meßschaltung.
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Fig 4 zeigt in einem vergrößerten Längsschnitt eine Ausbildungsform
einer erfindungsgemäßen Halterung für einen Übertrager oder Wandler.
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Fig. 5 ist ein Querschnitt längs der Linie 4-4 in Fig.4 und zeigt
die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Konstruktion zum Fühlen der auftretenden
Kräfte.
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Fig. 6 zeigt in einem vergrößerten Längssehnitt eine weitere Ausbildungsform
der Erfindung, die mit einem variablen Belastungswinkel arbeitet.
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Fig. 7 zeigt in einer Stirnansicht einen Teil des rechten Endes der
Anordnung nach Fig. 6 und läßt die hierbei verwendete Unterstützungskappe erkennen
In Fig. 1 ist eine typische erfindungagemäße Einrichtung zum Messen der Spannung
in einer Materialbahn dargestellt.
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Eine sich kontinuierlich bewegende Materialbahn 10 wird tiber eine
eßaohße 11 geleitet und läuft über eine Rolle 20, die gegenüber zwei weiteren Rollen
12 und t4 versetzt ist. Bei dieser ANordnung erzeugt die Spannung der Materialbahn
eine Belastungskemponente, die bestrebt ist, die Meßschse 11 zwischen den beiden
Rollen 12 und 14 nach unten zu bewegen, wobei sich die auftretende Kreft nach dem
Winkel richtet, den Sie
Materialbahn 10 bildet, wenn sie über die
Meßachse 11 und die Rolle 20 läuft.
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Längs der Mittellinie der Meßachse 11 ist mindestens ein Kraftfühlorgan
angeordnet, und jedes Kraftfühlorgan umfaßt eine Kappe 15 am einen Ende oder an
Jedem Ende der Meßachse.
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;Die Kraft kann mit Hilfe eines Widerstands-Dehnungsmessers gefühlt
und mit Hilfe geeigneter elektronischer Auswertúngsschaltungen überwacht werden,
so daß es möglich ist, die Spannung der Materialbahn von der Skala 16 eines Meßgeräte
17 abzulesen.
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Gemäß Fig. 2 ist die Meßachse 11 ortsfest zwischen Rahmenteilen 18
und 19 angeordnet, und sie trägt eine Führungsrolle 20, die von geeigneten Lagern
21 getragen wird, so daß sich die meßachse 11 nicht zu drehen braucht, während die
Materialbahn über die Führungsrolle 20 läuft. Bei dieser typischen Anordnung verlaufen
Meßleitungen 22 von einem Stecker 23 an dem Stirnseitigen Kappenteil 15 aus zu einer
geeigneten Meßeinrichtung.
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Zwar geht aus Fig. 2 hervor, daß man die Meßachse 11 zusammen mit
der Führungsrolle 20 und den zugehörigen Lagern anstelle einer Rolle 12 der gebräuchlichen
Art in Verbindung mit an den sonden der Achse angeordneten Kappenteilen zwischen
den Rahmenteilen 18 und 19 anordnen kann, doch liegt es auf der Hand, daß es möglich
ist, auch andere Unterstützungskonstruktionen zu verwendens Es sei jedoch bemerkt,
daß es die Erfindung ermöglic.ht, die Meßeinrichtung auch dort zu verwenden, wo
nur sehr wenig Raum verfügbar ist, und daß die Einrichtung die Stelle einer normalen
Rolle oder Walze einnehmen kann, ohne daß es erforderlich ist, besondere flalterungen
vorzusehen, und ohne daß zusätzlieher Raum benötigt wird.
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Gemäß Fig. 3A läßt sich eine Vereinfachung der Unterstätzune dadurch
erzielen, daß man Widerstands-i)ehnungsmesser 30, 31 längs der Mittellinie einer
ortsfesten Achse 32 für eine Führungsrolle anordnet. Hierbei ist ferner die Tatsache
von Bedeutung, daß bei dieser Anordnung eine höhere Meßgenauigkeit erzielt wird,
da die durch Temperaturänderungen, Drehmomente und Reibungskräfte hervorgerufenen
fehler auf ein vernachlässigbar kleines Maß zurückgeführt werden. Beispielsweise
besteht kaum die Gefahr, daß Temperaturunterschiede zwischen den iiderstands-Dehnungamessern
30 und 31 auftreten. Bei der in Sig. 2 gezeigten Anordnung mit einer ortsfesten
Achse und einer drehbaren Führungsrolle 20 machen sich Reibungskräfte oder Einflüsse
von Abnutzungserscheinungen au der Führungsrolle bei der ?:Iessung der auf die Achse
wirkenden Kräfte nicht bemerkbar. Außerdem kann man die Achse 32 während des einbaus
in ihren festen Halterungen so drehen, daß die Ebene des verformbaren labschnitts
35 in einer solchen Richtung verläuft, daß eine maximale Empfindlichkeit oder eine
maximale Belastbarkeit für jeden Belastungswinkel erzielt wird, der bei der laufenden
Materialbahn und den zugehörigen Führungsrollen auftritt. Bei der Berechnung der
Parameter, die für den Einbau der Teile gelten, kann man die auf die Achse 32 wirkenden
Kräfte berücksichtigen, ohie daß Komplikationen infolge der Berücksichtigung der
Länge eines hebelarms außerhalb der Mittellinie der Achse oder der Richtung des
Belastungswinkels gegenüber der Lage der Verformungsdetektoren auftreten.
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Bei der in Fig DB gezeigten Wheatstoneschen Brückenschaltung bekannter
Art dienen die Widerstands-Dehnungsmesser 30
und 31 dazu, den Zeiger
eines Meßgerätes 16 in Abhängigkeit von der zu messenden Kraft zu verstellen. Das
Meßgerät kann so geeicht werden, daß die Spannung direkt abgelesen werden kann,
und zwar innernalb verschiedener Bereiche, die Mie Hilfe eines Empfindlichkeitereglers
36 eingestellt werden können. Bei der Ingebrauchnahme der Einrichtung ermöglicht
es ein Abgleichwiderstand 37, die Brückenschaltung dadurch abzugleichen, daß der
Widerstand einer Seite der Schaltung vergrößert wird, um das Gewicht der Rolle und
der Meßachse auszugleichen oder kleine Unterschiede zwischen den Dehnungsmessern
30 und 31 zu berücksichtigen. Auf diese Weise wird eine einfache und dabei vielseitig
anwendbare Anzeigemöglichkeit erzielt, wobei man ent weder nur mit einer optischer
Anzeige arbeiten kann, oder wobei die erzeugten Signale einem Servosystem zugeführt
werden können, mittels dessen die Spannung der Materialbahn gegebenenfalls automatisch
geregelt wird.
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Die Meßwandler sind vorzugsweise in Kappenteilen 15 angeordnet, die
gemäß Fig. 1 und 2 an beiden Enden der Meßachse 11 vorgesehen sind, damit die an
der Meßachse angreifende Kraft ohne Berückeichtigung einer Durchbiegungskomponente
gemessen werden kann. Eine typische aubildungsform von Kappenteilen, die an beiden,
Enden der Meßachse vorgesehen werden können, ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. In
diesem Falle werden vier Dehnungsmesser verwendet, die in die Brüokenschaltung nach
Figc ?JB anstelle der beiden Widerstandszweige 38 und 39 eingeschaltet werden, Das
Dehnungsmesserorgan 40 erstreckt sich allgemein länge der Mittellinie der Meßachse
lt und ist mit einer rechteckigen
Lireßzone 41 versehen, deren
Querschnitt genormte bzw. geeichte Abmessungen aufweist, welche sich nach der gewünschten
Belastbarkeit der Einrichtung richten. Die Dehnungsmesser 30 und 31 werden auf entgegengesetzten
Seiten der Meßzone 41 angeordnet, um die Beanspruchung, d.h. gemäß den Zeichnungen
eine Durchbiegung in senkrechter Richtung um die freitragende Halterung enzuzeigen,
welche durch Bolzen oder Zepfen 43 und 44 gebildet wird.
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Bin zylindrisches Basisteil 45 ist mit dem Rahmenteil t9 verschraubt
und umschließt den Dehnungsmesser. Eine in dem Kapponteil 45 ausgebildete Bohrung
hat' einen solchen Durchmesser, daß ein Spalt 46 vorhanden ist dessen Breite ausreicht,
um innerhalb eines gewünschten Bereichs eine Auslenkung des frettragend gelagerten
Bauteile 40 zu ermöglichen, wobei diese Auslenkug in einem typischen Falle etwa
0,075 bis etwa 0,150 mm beträgt.
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Die Meßachse selbst ist gemäß Fig. 6 bei 49 mit Hilfe eines zylindrischen
Kappenteile 50 eingespannt, das sich gemäß Fig. 4 in einen rohrförmigen Fortsatz
51 des Basisteils 45 hinein erstrecken und mit einer Dichtung 52 aus Gummi oder
Kunststoff abgedichtet sein kann, um das Eindringen von Staub zu verhindern. Alternativ
kann das Einspannorgan 50 gemäß Fig. Q aus einer Verlängerung 99 innerhalb des Bsuteils
45 harausnehmbar sein. Ein Spalt oder Spielraum 53 ist ferner an der Inaenfläche
des r@hrförmigen Fortsatzes 31 vorhanden, damit Winkelbewegungen der Meßachse innerhalb
des in Frage kommenden Bereich. der Meßzone 41 möglich sind, Diese Konstruktion
bildet gleichzeitig einen nechanischen Anschlag, durch Sen au groß
Winkelbewegungen
verhindert werden, und die Breite des Spaltes kann in einem typischen Falle etwa
0,38 mm betragen.
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Eine Verlängerung 57 des verformbaren Organs 40 in Form einer elle
von kleinerem Durchmesser wird durch eine dünne membran 58 aus Stahl unterstützt.
die mit dem Verlängerungsteil 57 durch eine Schraube 59 verbunden ist. Der innere
Rand der Membran 58 wird auf der Verlängerungswelle 57 durch einen Tragring 60 unterstützt,
mit dem der innere Rand der Membran 58 durch Verscheißen oder auf andere geeignete
Weise verbunden ist.
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Der äußere Rand der Membran 58 ist mit dem Kappenteil 50 bzw.
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89 durch Schrauben 61 verspannt, die über den Umfang des Kappenteils
in Abständen verteilt sind.
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Man erkennt, daß Jede Änderung der Lange der Meßachse 11 infolge
von Temperaturänerungen oder von Verformungen der Rahmenkonstruktion durch eine
entsprechende Durchbiegung der Membran 58 ausgeglichen wird. ohne daß eine meßbare
Verlagerung der verformbaren Zone 41 in senkrechter Richtung erfolgt. Ent--sprechend
werden kleine fehler bezüglich der axialen Anordnung die während des Einbaus auftr@ten
können, durch eine entsprechende Durchbiegung der membran 58 ausgeglichen. Ja die
Membran 58 jedoch aus dünnem Stahlblech besteht, ist sie in senkrechter Richtung
bzw. rechtwinklig zur Mittellinie der Meßachse sehr steif, so daß jede Verlagerung
der Meßachse durch die Spannung der Llaterialbahn zu einer Beanspruchung und Verformung
der freitragend unterstützten Dehnungsmesserzone 41 führt und die flehnungsmesser
30 und 31 bewirken, daß ein entsprechender Tvießwert für die Verformung angezeigt
wird. Die Unterstützung der Meßachse durch die beschriebenen Membranen ermöglicht
es somit
nicht nur, beim Einbau mit größeren Toleranzen für das
Meßaohsenaggregat zu arbeiten, sondern sie ermöglicht auch die Erzielung einer höheren
Meßgenauigkeit, da ein auf Biegung bean--spruchtes Organ anstelle eines verschiebbaren
oder drehbaren Organs verwendet wird, welch letzteres zum Auftreten von Reibung
und damit zum Auftreten von Hysteresiserscheinungen führen würde.
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Wenn sich der Belastungswinkel ändert, wird auch die Größe der Auslenkung
bzw. Durchbiegung der Meßzone 41 verändert. Wenn die Last in einer senkrechten Richtung
in der Zeichenebene von Fig. 4 rechtwinklig zur Mittellinie der Meßachse wirkt,
wird somit eine maximale Empfindlichkeit erzielt. nine Grenzstellung mit der Empfindlichkeit
Null wäre dann gegeben, wenn die Last rechtwinklig eur Zeichenebene von Fig. 4 wirken
würde, wobei der einfache rechteckige Querschnitt der Meßzone 41 in Verbindung mit
zwei Dehnungsmessern benutzt wird. r läßt sich die Empfindlichkeit mit Hilfe der
Brückenschaltung einstellen, doch werden die Fehler kleiner, wenn das verformbare
Organ so angeordnet wird, daß es seine maximale Empfindlichkeit für eine Durchbiegung
erhält Somit ermöglicht es die erfindungsgemäße Konstruktion, auf mechanischem Wege
die Empfindlichkeit der Meßeinrichtung zusätzlich dadurch zu ändern, daß der Meßwandler
und-die Mittellinie der Meßachse 11 gedreht wird.
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Bei der in Fig. 6 und 7 gezeigten abgeänderten Halterungskonstruktion
ist ein drehbares Kappenteil 80 vorgesehen, das es ermöglicht, den verformbaren
Abschnitt 41 bei der betroffenden Anlage Genau auf den winkel einzustellen, unter
dem die Last wirkt. Das Basisteil 45 ist in diesem Falle mit Schultern
8t
versehen, die es emröglichen, das Basisteil in eine Öffnung des Rahmenteils 19 einzubauen
und das drehbare Kappenteil 80 anzubringen. Das Kappenteil 80 wird mit dem Besisteil
45 durch Schrauben 84 verbunden und kann zusammen mit dem Basisteil in die gewünschte
winkelstellung gedreht werden. Dadurch, daß das Basisteil 45 so verkürzt ist, daß
es nur teilweise durch das Rahmenteil 19 hindurchragt, entsteht gemäß Fig. 6 ein
Spalt 8), so daß sich das Aggregat in der kreisrunden Aufnahmeöffnung ungehindert
drehen kann, bis das Kappenteil 80 mit Hilfe der Schrauben 84 festgezogen wird,
damit es reibungsschlüssig an dem Rahmenteil 19 angreift, um das gesamte Meßachsenaggregat
in der gewünschten Stellung festzulegen. Bei dieser Halterungskonstruktion ist der
Stecker 23' gleichachsig mit dem Kappenteil 80 angeordnet und mit diesem durch Schrauben
88 verbunden.
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Zwar ergeben sich daraus, daß die Meßeinrichtung gleiche achsig mit
der ortsfesten Meßachse angeordnet ist, Vorteile bezüglich des Raumbedarfs, einer
einfachen freitragenden Halterungskonstruktion und der Berechnung der verformbaren
Organe inner halb der gegebenen Grenzen, doch kommt eine größere Bedeutung der Tatsache
zu, daß die unerwünschten Wirkungennvon Drehmomenten und Reihungskräften ausgeschaltet
werden Selbst wenn die Meßachse ortsfest angeordnet ist und sich nicht in den Kappenteien
an ihren Enden dreht, würde die Verwendung eines verformbaren Organs, das nicht
zur Mittellinie der Meßachse 11 symmetrisch ist und nicht parallel dazu angeordnet
ist' dasu führen, daß die bewegung der Materialbahn über die Meßachse hinweg zum
Auftreten einer Drehkraft- oder Drehmomentkonponente führt, die dadurch die Reibung
in den Lagern hervorgerufen wird und sichin Abhängigkeit von der Laufgeschwindigkeit
der Materialbahn ändert.
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Patentansprüche: