DE1573725C - Kraftmeßwandler - Google Patents
KraftmeßwandlerInfo
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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. .·■.·. . -
Bisherige Kraftmeßw.andler 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 verbindenen. Bogenteil Dehnungsmeßstreifen oder dergleichen Meßelemente tragen, derart
eingefügt, daß die Kraft nahe ihren freien Schenkeln angreift (britische Patentschrift 882 982).
Hierbei verursacht ""die 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 Genauigkeit
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.
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 Meßringe,s 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-
3 4
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-Nulipunkte verlaufenden Linien angeordnet Hierdurch entsteht in der ringförmig geschlossenen sind. Anordnung eine Spannungsverteilung, die hauptsäch-
menten-Nulipunkte 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 Nichtlinearität 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 Momenten-Nullpunktes angeordne- Momenten-Nullpunkte befinden sich nahe den Linien
ten Dehnungsmeßstreifen erfahren somit positive H-II.
bzw. negative Dehnungen und entsprechende positive Beiderseits der Linien H-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 H-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 H-II. Die Dehnungsmeßstreifen 7
Dehnungsmeßstreifens verringert. Sonach kann eine und 9 bzw. 8 und 10 befinden sich einander gerade gemögliche
Verschiebung des Momenten-Nullpunktes genüber.
das Meßergebnis nicht beeinflussen. 30 Die Dehnungsmeßstreifen werden auf bekannte
das Meßergebnis nicht beeinflussen. 30 Die Dehnungsmeßstreifen werden auf bekannte
Der Ring ist demnach so ausgeführt, daß an ent- Weise in eine Wheatstone'sche Brückenschaltung 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 Meßvorder
andere den Druck mißt, und die in angrenzenden 45 richtung auszugleichen.
Zweigen der Meßbrücke eingeschaltet sind, nahezu Um dies zu verdeutlichen, ist in F i g. 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 Momenten-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
F i g. 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 vorzuherrschen beginnt.
Indem z. B. bei 19 oder 20 (Fig. 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
7 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
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 (2)
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 (H-II) 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.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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NL6414342 | 1964-12-10 | ||
NL6414342A NL6414342A (de) | 1964-12-10 | 1964-12-10 | |
DEN0027711 | 1965-12-04 |
Publications (3)
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DE1573725A1 DE1573725A1 (de) | 1970-05-06 |
DE1573725B2 DE1573725B2 (de) | 1972-10-12 |
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