DE1573725B2

DE1573725B2 - Kraftmeßwandler

Info

Publication number: DE1573725B2
Application number: DE19651573725
Authority: DE
Inventors: Rijswijk Ten Cate Wilhelm (Niederlande)
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Priority date: 1964-12-10
Filing date: 1965-12-04
Publication date: 1972-10-12
Also published as: NL6414342A; US3433063A; DE1573725A1; GB1130585A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftmeßwandler mit zwei langen, biegeelastischen und zwei kurzen, biegesteifen Seiten, die eine abgeflachte, ringförmig geschlossene Anordnung bilden, bei der die zu messende Kraft über Druckstäbe senkrecht in der Mitte der langen Streifen angreift und elektrische Dehnungsmeßstreifen auf den biegeelastischen, langen Seiten symmetrisch zu den Kraftangriffspunkten angeordnet sind. -_r ■ -

Bisherige Kraftmeßwandler weisen Nachteile, vor allem Unlinearitäten auf. So sind bei einer mit Dehnungsmeßstreifen versehenen Vorrichtung zur Messung von Kräften zwischen einem mit der Kraft und einem Widerlager verbundenen Bauteil, zwei oder mehrere, im wesentlichen U-förmig gestaltete, vorzugsweise elastische Meßglieder, die an dem die beiden Schenkel verbindeiien: Bogenteil Dehnungsmeßstreifen oder dergleichen Meßelemente tragen, derart eingefügt, daß die Kraft nahe ihren freien Schenkeln angreift (britische Patentschrift 882 982).
"Hierbei verursachrdie zu" messende Belastung im Meßring einen-Spannungsverlauf, der hauptsächlich durch ein Biegemoment im mittleren Teil der langen Seiten und ein entgegengesetzt gerichtetes Biegemoment an den Enden der langen Seiten und in den kurzen Seiten bestimmt wird. Zwischen den Bereichen mit entgegengesetzten Biegemomenten befinden sich auf den langen Seiten sogenannte Momenten-Nullpunkte ohne Biegemomente. Infolge der Biegemomente in den kurzen Seiten wandern deren Mittelpunkte entlang einer Linie, die lotrecht zur Richtung der zu messenden Kraft verläuft, bei Zugbeanspruchung aufeinander zu und bei Druckbelastung voneinander weg. Die Momenten-Nullpunkte in den langen Seiten versetzen sich dabei in entgegengesetzte Richtungen.

Bei einer gegebenen Belastung des Ringes ist das Biegemoment in einem bestimmten Querschnitt durch dessen Abstand vom nächstliegenden Momenten-Nullpunkt bestimmt. Da sich jedoch bei einer Änderung der Belastung auch die Lage der Momenten-Nullpunkte und die Lage der Querschnitte, an denen die Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind, ändern, ist das Verhältnis zwischen Beanspruchung und den Biegemomenten und somit auch das Verhältnis zwischen

ίο der zu messenden Kraft und den jeweiligen ..Widerständen der Dehnungsmeßstreifen von der Größe der zu messenden Kraft abhängig. Hierdurch ergibt sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der zu messenden Kraft und den Meßwerten, die die Geis nauigkeit der Messung beeinflussen. Bei der Auswertung der Ausgangssignale müssen daher entweder Meßgeräte mit gegenläufiger Nichtlinearität oder Eichkurven verwendet werden, deren Ablesung zeitraubend und fehleranfällig ist.

ao Bekanntgeworden ist ferner ein Kompensationswiderstand, der in einer lektrischen Meßanordnung verwendet wird. Die .ringähnliche Konstruktion besteht aus zwei biegsamen langen Seiten, die an ihren Enden durch zwei feste kurze Seiten miteinander verbunden sind. Die mittleren Bereiche der langen Seiten werden senkrecht belastet. Sie tragen elektrische Deh-,. . nungsmeßstreifen, die einen sie durchfließenden Strom nach Maßgabe der mechanischen Verformung ■ beeinflussen (französische Patentschrift 1011956, vorzugsweise Fig. 6). ··....-.

Bei einer derartigen Einrichtung treten die Nichtlinearitäten In erhöhtem Maße auf, da an den Stellen der Dehnungsmeßstreifen möglichst große Verformungen durch nur ganz geringe Belastungen hervorgerufen werden sollen.

Die Verschiebung der Momenten-Nullpunkte auf den langen Seiten eines Meßringes kann auch andere Ursachen haben als die Verformung der kurzen Seiten bei Änderung der Belastungen. So kann eine Ver-Schiebung eines Momenten-Nullpunktes durch eine Änderung der Biegesteifigkeit infolge örtlicher Temperaturunterschiede und der damit zusammenhängenden örtlichen Änderung der Elastizitätsmodule des Ringmaterials verursacht werden.

Ferner kann ein Temperaturunterschied zwischen den beiden langen Seiten des Ringes zu Längenänderungen führen, die Spannungen im Ring und Querkräfte in der Mitte der kurzen Seiten hervorrufen, die entgegengerichtete Biegemomente in den langen Seiten bedingen, die ihrerseits eine Verschiebung der Momenten-Nullpunkte zur Folge haben.

Eine weitere Ursache für die Verschiebung der Mo-"menten-Nullpunkte liegt in Reibungskräften, die bei

. .·■ Einleitung der zu messenden Belastungen in den Ring z.B. dadurch entstehen, daß bei Druckbelastüng der Ring infolge Biegung eine negative und das Druckstück infolge Querkontraktion eine positive Dehnung erfährt. Dieses beeinflußt die Spannungsverteilung im Ring und die Lage der Momenten-Nullpunkte. Die Reibungskräfte sind sehr unbeständig, sie sind von verschiedenen Faktoren abhängig und verringern die Meßgenauigkeit. '·.' ;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftmeßwandler mit einer hochgradigen Linearität zwischen den zu messenden Kräften und den Meßwerten zu schaffen und die auf die Meßwerte einwirkenden Störungen auf ein Minimum zu reduzieren. Dieses läßt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß je-

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weils beide einander gegenüberliegenden langen Sei- eingearbeitet sind. Die langen Seiten 1 dieser ringförten symmetrisch zwischen den Druckangriffsteilen mig geschlossenen Anordnung weisen in der Mitte und den kurzen biegesteifen Seiten einander züge- eine Verdickung auf, an der Druckstäbe 5 und 6 vorwandte Aussparungen aufweisen und daß die Deh- gesehen sind, an welchen eine Druckkraft senkrecht nungsmeßstreifen symmetrisch zu den durch die Mo- 5 zu den langen Seiten und in deren Mitte angreift.
menten-Nullpunkte verlaufenden Linien angeordnet Hierdurch entsteht in der ringförmig geschlossenen sind. ■-'., Anordnung eine Spannungsverteilung, die hauptsäch-

Ein derartiger Kraftmeßwandler weist eine gerin- lieh dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Biegemoment

gere Nichtliriearität als bisherige Wandler auf. Infolge im Mittelteil der langen Seiten und ein entgegenge-

der großen Steifheit der kurzen Seiten ist die Verschie- io setztes Biegemoment in den kurzen Seiten'2 und in

bung der Momenten-Nullpunkte außerordentlich ge- den Endteilen der langen Seiten 1 auftritt.

ring. Die mit den Dehnungsmeßstreifen versehenen Die Momenten-Nullpunkte, das sind die Quer-

Bereiche führen keine Wanderung entlang einer Linie schnitte, in denen kein Biegungsmoment, sondern nur

lotrecht zum Kraftangriff durch. - eine Querkraft vorhanden ist, befinden sich dort, wo

Die Biegemomente beiderseits eines Momenten- 15 in den langen Seiten 1 die Gebiete mit entgegenge-

Nullpunktes haben entgegengesetzte Vorzeichen. Die setzten Biegemomenten ineinander übergehen. Diese

beiderseits eines Mömenten-Nullpunktes angeordne- Momenten-Nullpunkte befinden sich nahe den Linien

ten Dehnungsmeßstreifen erfahren somit positive II-II.

bzw. negative Dehnungen und entsprechende positive Beiderseits der Linien II-II sind die Dehnungsmeßbzw, negative Widerstandsänderungen. Diese Wider- 20 streifen 7 und 8 auf der Außenfläche und die Dehstandsänderungen werden in den Zweigen einer Whe- nungsmeßstreifen 9 und 10 auf der Innenfläche des atstone'schen Brückenschaltung miteinander kombi- Ringes vorgesehen. Der Ring hat dort, wo die Dehniert. Wenn sich demnach der Momenten-Nullpunkt nungsmeßstreifen angeordnet sind, Aussparungen 3 durch eine der genannten Ursachen verschieben mit einer hinsichtlich der Linien II-II symmetrischen sollte, vergrößert sich das Biegemoment an der Stelle 25 Form. Die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen 7 des einen Dehnungsmeßstreifens im gleichen Maße und 8 bzw. 9 und 10 ist ebenfalls symmetrisch hinwie sich das Biegemoment an der Stelle des anderen sichtlich der Linien II-II. Die Dehnungsmeßstreifen 7 Dehnungsmeßstreifens verringert. Sonach kann eine und 9 bzw. 8 und 10 befinden sich einander gerade gemögliche Verschiebung des Mömenten-Nullpunktes genüber.
das Meßergebnis nicht beeinflussen. 30 Die Dehnungsmeßstreifen werden auf bekannte

Der Ring ist demnach so ausgeführt, daß an ent- Weise in eine Wheatstone'sche Brückenschältung einsprechenden Punkten zweier symmetrisch gelegener geschaltet. Die Dehnungsmeßstreifen 7 und 10, die bei Dehnungsmeßstreifen die Ringquerschnitte gleiche einer Druckbeanspruchung auf die ringförmig geWiderstandsmomente gegen Biegung aufweisen. schlossene Anordnung eine negative Dehnung erfah-

In weiterer Ausbildung der Erfindung sind die Deh- 35 ren, werden in zwei einander gegenüberliegenden

nungsmeßstreifen sowohl an der Außenfläche als Zweigen der Brücke, und die Dehnungsmeßstreifen 9

auch an der Innenfläche der Aussparungen der langen und 8, die dabei eine positive Dehnung erfahren, in

Seiten symmetrisch zu den durch die Momenten-Null- die beiden anderen Zweige der Brücke eingefügt,

punkte bestimmten Linien angeordnet! ' Das beschriebene Meßelement bietet die Möglich-

Hierdurch wird verhindert, daß Temperaturunter- 40 keit, eine Berichtigung vorzunehmen, wenn aus irschiede die Meßwerte und den Nullpunkt der Meßan- gendwelchen Ursachen eine Nichtlinearität vorhanordnung beeinflussen können. Bei geringen Tempera- den ist, oder wenn dem Meßelement eine gewünschte turunterschieden im Ring erfahren die beiden Deh- Nichtlinearität zu geben ist, um beispielsweise eine nungsmeßstreifen, von denen der eine den Zug und Nichtlinearität in der übrigen Apparatur der Meß vorder andere den Druck mißt, und die in angrenzenden 45 richtung auszugleichen.

Zweigen der Meßbrücke eingeschaltet sind, nahezu Um dies zu verdeutlichen, ist in Fig. 3 der rechte

dieselben thermischen Widerstandsänderungen, die Teil der oberen langen Seite 1 der ringförmig ge-

deshalb keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben. schlossenen Anordnung gesondert dargestellt und an

Ein Nullpunktfehler der Meßvorrichtung bei einem der Stelle des Mömenten-Nullpunktes durchschnitten

Temperaturunterschied zwischen den langen Seiten 50 wprden. Die Linien, auf denen sich die Schwerpunkte

des Ringes kann auch durch das Biegemoment verur- der Querschnitte beider Teile 11, 12 befinden, sind

sacht werden, daß infolge der relativen thermischen mit 13 und 14 bezeichnet. An der Stelle des Momen-

Längenänderungen in die langen Seiten eingeführt ten-Nullpunktes wirkt die Querkraft 15 auf den Teil

wird. Diesem Fehler wird dadurch begegnet, daß die 11 und die entgegengerichtete, gleich große Querkraft

Schwerpunkte der Aussparungen für die Dehnungs- 55 16 auf Teil 12 ein.

meßstreifen symmetrisch auf einer Linie lotrecht zur Die mit 17 bezeichnete Durchbiegung infolge der

Kraftangriffsrichtung liegen. Querkraft 15 steht lotrecht zur Schwerpunktlinie 13.

; Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach- Dadurch, daß die Linie 13 und die Querkraft 15

folgend an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt einen Winkel einschließen, der größer ist als 90°, hat

Fig. 1 eine Vorderansicht, 60 die Durchbiegung 17 eine Komponente lotrecht zur

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Meßwandler Richtung der Querkraft 15, die eine Verkürzung der

entlang einer der Linien II-II und . effektiven Länge des Teiles 11 und damit eine, degres-

F i g. 3 ein Konstruktionsdetail. sive Nichtlinearität dieses Teiles zur Folge hat.

Eine ringförmige geschlossene Anordnung aus zwei In entsprechender Weise wird gefunden, daß Teil

langen, biegeelastischen Seiten 1 und zwei kurzen, 65 12 eine progressive Nichtlinearität besitzt, indem die

biegesteifen Seiten 2 ist aus einem Umdrehungskörper Schwerpunktlinie 14 mit der Querkraft 16 einen Win-

mit der Mittellinie A-A dadurch geformt, daß in die- kel kleiner als 90° einschließt,

sem Körper zwei Aussparungen 3 und ein Schlitz 4 Wenn diese beiden Nichtlinearitäten einen gleich

großen Anteil am Gesamtmeßresultat haben, heben sie sich gegenseitig auf. Wenn das Meßresultat aus irgendeinem Grunde eine unerwünschte Nichtlinearität zeigt oder wenn man in das Meßresultat zum Ausgleich einer in der übrigen Meßapparatur vorhandenen Nichtlinearität eine Nichtlinearität einbringen will, so kann der Anteil eines der beiden Teile 11 oder 12 im gesamten Meßresultat größer gemacht werden als der Anteil des anderen Teiles, so daß die Nichtli-. nearität des ersten Teiles vbrzuherrschen beginnt. Indem z. B. bei 19 oder 20 (F i g. 1) Material der ringförmig geschlossenen Anordnung fortgenommen wird, wandern die Momenten-Nullpunkte auf die kurzen Seiten 2 zu, wodurch die Teile mit der degressiven Nichtlinearität, auf denen sich die Dehnungsmeßstreifen? und 9 befinden, einen größeren Anteil im Gesamtmeßresultat erhalten und deshalb ein Meßresultat mit einer degressiven Nichtlinearität bewirken, oder eine schon vorhandene progressive Nichtlinearität im Meßergebnis ausgleichen.

Wenn bei 21 (Fig. 1) Material weggenommen wird, so verlagern sich die Momenten-Nullpunkte auf ίο die Mitte 1' der langen Seiten 1 zu, und es stellt sich ein gegensätzlicher Effekt ein.
• Auf diese Weise kann ein Meßelement von optimaler Nichtlinearität erhalten werden. -■'· ·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kraftmeßwandler mit zwei langen biegeelastischen und zwei kurzen biegesteifen Seiten, die eine abgeflachte, ringförmig geschlossene Anordnung bilden, bei der die zu messende Kraft über Druckstäbe senkrecht in der Mitte der langen Seiten angreift und elektrische Dehnungsmeßstreifen auf den biegeelastischen, langen Seiten symmetrisch zu den Kraftangriffspunkten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils beide, einander gegenüberliegenden langen Seiten (1) symmetrisch zwischen den Druckangriffsstellen (1') und den kurzen biegesteifen Seiten (2) einander zugewandte Aussparungen (3) aufweisen und daß die Dehnungsmeßstreifen (7, 8, 9, 10) symmetrisch zu den durch die Momenten-Nullpunkte verlaufenden Linien (Π-ΙΙ) angeordnet sind.

2. Kraftmeßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (7, 8, 9, 10) sowohl an der Außenfläche als auch an der Innenfläche der Aussparungen der langen Seiten (1) symmetrisch zu den durch die Momenten-Nullpunkte bestimmten Linien angeordnet sind.