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Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßvorrichtung, bei der auf einen
von der zu messenden Kraft belasteten Ventilteller mittels eines unter Druck stehenden
Gases eine Gegenkraft ausgeübt wird und das unter Druck stehende Gas mit einer Druckmeßvorrichtung
verbunden ist, die bei Gleichgewicht von Kraft und Gegenkraft die Größe der auf
den Ventilteller einwirkenden Kraft anzeigt und bei der Mittel zur Dämpfung von
Schwingungen vorgesehen sind.
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Es ist manchmal notwendig, eine variable, auf das Glied einer Vorrichtung
ausgeübte Kraft in einen variablen Druck eines Fluids, beispielsweise von Luft oder
eines anderen Gases, umzuwandeln, so daß der Druck dann auf eine entfernte Stelle
übertragen und dort gemessen werden kann, entweder um eine Anzeige der Kraft zu
erhalten oder eine Steuerfunktion in Abhängigkeit von seiner Größe auszuführen.
Dieses Problem tritt z. B. bei Wiegevorrichtungen auf, bei denen das zu messende
Gewicht an einem entfernten Ort mittels einer Druckmeßvorrichtung angezeigt werden
soll.
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Bei einer bekannten Kraftmeßvorrichtung (deutsche Patentschrift 561
575) wird als Strömungsmittel nicht Gas, sondern eine Flüssigkeit verwendet.
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Mittel zur Regelung der Flüssigkeitszufuhr oder Dämpfungsmittel für
den Ventilteller sind nicht vorgesehen. Die Flüssigkeit wird von einer Pumpe mit
konstanter Leistung geliefert. Wenn die Belastung des Ventiltellers klein ist, wird
sich dieser weit von seinem Sitz abheben, was eine geringe Empfindlichkeit der Meßvorrichtung
zur Folge hat. Wenn der Ventilteller hingegen hoch belastet ist, wird er sich nur
wenig heben und die Flüssigkeit wird durch den schmalen Spalt mit sehr großer Geschwindigkeit
ausströmen. Durch die große Strömungsgeschwindigkeit und das relativ große spezifische
Gewicht von Flüssigkeiten entstehen Trägheitswirkungen, die zur Folge haben, daß
das proportionale Verhältnis zwischen Belastung des Ventiltellers und Druckkraft
der Flüssigkeit nicht mehr besteht.
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Bekannt (USA.-Patentschrift 2 593 906) ist auch eine Kraftmeßvorrichtung
der eingangs genannten Art, bei der ein Arm über ein Druckstück eine Membran belastet.
Zur Vermeidung von Schwingungen des Armes ist am Ende des Armes eine hydraulische
Dämpfungseinrichtung angebracht, die dadurch wirkt, daß Dämpfungsflüssigkeit zwischen
zwei Räumen über eine Drosselbohrung hin- und herbewegt wird. Eine solche Dämpfungseinrichtung
setzt, um zur Wirkung kommen zu können, hin- und hergehende Bewegungen des Armes
voraus. Ohne Flüssigkeitsaustausch zwischen den beiden Räumen würde eine Dämpfung
nicht zustande kommen.
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Ferner ist eine Vorrichtung zur Überwachung des Inhaltes von Propangasflaschen
durch Wiegen bei kannt (deutsche Patentschrift 657 713) mit einer Druckkammer, die
durch einen Deckel abgeschlossen ist, der als Plattform zum Aufstellen der zu wiegenden
Flaschen ausgebildet ist. Der Deckel hat an seinem unteren Rand eine ringförmige
Schneide, mit der er auf der Oberseite einer elastischen Dichtung aufliegt, die
sich auf dem oberen Rand der Druckkammer befindet. An die Druckkammer ist ein Manometer
und eine Luftpumpe angeschlossen. Wenn der von unten her auf den Deckel einwirkende
Luftdruck so groß ist, daß er das Gewicht des Deckels und der aufgesetzten Flasche
zu heben vermag, kann die Luft ausströmen und der Druck steigt nicht mehr weiter
an,
so daß der erreichte Druck ein Maß für das Gewicht der Flasche ist. Da bei dieser
bekannten Vorrichtung nicht dauernd Luft ausströmt, wie dies der Fall ist, wenn
Gewichtsänderungen laufend überwacht werden sollen, ist es nicht erforderlich, eventuelle
Schwingungen zu dämpfen.
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Wenn zwischen einem frei beweglichen Ventilteller und dem oberen
Rand einer Druckmeßdose dauernd Luft ausströmt, neigt der Ventilteller zu Schwingungen.
Diese Schwingungen können zerlegt werden in eine axiale Komponente, bei der sich
der Teller als Ganzes parallel hebt und senkt, und in Taumelschwingungen, bei denen
der Teller auf seinem Umfang abrollt. Die Taumelschwingungen sind möglich, weil
der Teller seitlich nicht geführt ist. Bei diesen Schwingungen besteht zwischen
der scharfen Kante des Tellers und der Sitzfläche nur ein sehr schmaler Luftspalt,
so daß die Frequenz der Taumelschwingungen sehr hoch ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßvorrichtung
der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß bei Verwendung eines frei beweglichen
Deckels einer Druckkammer sowohl Vertikalschwingungen als auch Taumelschwingungen
des Ventiltellers vermieden werden.
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Die erfindungsgemäße Kraftmeßvorrichtung der eingangs genannten Gattung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller in an sich bekannter Weise ein
frei beweglicher Deckel einer Druckkammer ist und daß die Mittel zur Dämpfung eine
mit dem Deckel verbundene und nahe beim Boden der Druckkammer angeordnete Dämpfungsscheibe
aufweisen, die in eine Dämpfungsflüssigkeit eingetaucht ist.
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Die in die Dämpfungsflüssigkeit eingetauchte Scheibe kann auch bei
sehr kleinen Bewegungen des zu dämpfenden Teiles eine ausreichende Dämpfungskraft
erzeugen, da die Scheibe durch ihre Relativbewegung zur Flüssigkeit unmittelbar
eine Verwirbelung der Flüssigkeit bewirkt und nicht erst mittelbar, wie dies der
Fall ist, wenn ein Kolben oder eine Membran Dämpfungsflüssigkeit durch eine Drosselbohrung
drückt. Durch die Anordnung der Scheibe nahe am Boden der Druckkammer entsteht bei
den sehr hochfrequenten Schwingungsbewegungen ein Saugeffekt, der die Dämpfungswirkung
noch stark erhöht. Außerdem können mit einer solchen mit dem Ventilteller verbundenen
Dämpfungsscheibe auch Taumelbewegungen gedämpft werden, da auch bei solchen Taumelbewegungen
eine starke Verwirbelung der Dämpfungsflüssigkeit auftritt, obwohl eine Verdrängung
nicht stattfindet und damit ein mit Drosselbohrung arbeitender Dämpfer wirkungslos
wäre, wenn man einmal annimmt, daß ein Dämpferkolben überhaupt Taumelbewegungen
mitmachen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in der
Leitung für die Zuführung des Druckgases zur Druckkammer ein regelbares Drosselventil
angeordnet.
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Durch die Verwendung einer regelbaren Drosselstelle kann die Vorrichtung
leicht an einen bestimmten Meßbereich angepaßt werden, da garade so viel Gas durchgelassen
wird, daß unter Berücksichtigung der Größe des von der Kammer und dem Drosselventil
begrenzten Spaltes (dieser bestimmt den Verlust an Druckgas) der größte Druck des
Meßbereiches noch aufgebaut werden kann. Um eine hohe Genauigkeit der Messung zu
erhalten, ist es wichtig, daß so wenig wie möglich Luft aus der Druckkammer
ausströmt.
Es läßt sich dann eine laminare Strömung erzielen, bei der keine unstabilen Zustände
auftreten können, wie dies möglich ist, wenn eine turbulente Strömung herrscht.
Die genaue Einstellung der Vorrichtung derart, daß der geringstmögliche Luftdurchsatz
erzielt wird, ist nur mit Hilfe einer regelbaren Drosselstelle möglich, so daß die
Kraftmeßvorrichtung durch diese Drosselstelle wesentlich verbessert wird.
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Die zu der Druckmeßvorrichtung führende Leitung kann unmittelbar
an die vom Drosselventil kommende Leitung an der Stelle angeschlossen sein, an der
die Zuführungsleitung zur Druckkammer abzweigt. Bei einer solchen Anordnung genügt
ein einziger Leitungsanschluß an der Druckkammer, da der Druck in dieser Kammer
durch die gleiche Leitung abgetastet wird, die den Druck zuführt. Dies bedeutet
für die gesamte Anlage eine wesentliche Vereinfachung.
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Vorteilhafterweise ist die Dämpfungsscheibe gegenüber dem Ventilteller
verstellbar. Die Verstellbarkeit der Dämpfungsscheibe gestattet eine Justierung
des Bodenabstandes, so daß leicht die beste Dämpfungswirkung eingestellt werden
kann.
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Vorteilhafterweise hat der Ventilteller rings um seine untere Fläche
eine scharfe Kante, mit der er auf dem Ventilsitz der Druckkammer ruht. Der Ventilsitz
ist vorzugsweise eben und waagerecht. Durch die Verwendung einer scharfen Kante
am Ventilteller ist der im Drosselspalt zurückzulegende Weg möglichst gering, wodurch
störende Strömungserscheinungen, wie z. B. das Entstehen eines Unterdruckes, keine
Auswirkungen auf das Meßergebnis haben.
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Druckmeßeinrichtungen gemäß der Erfindung sind für viele Zwecke verwendbar.
Sie können beispielsweise in Meßgeräte eingebaut werden, die zur Anzeige des Flüssigkeitsstandes
eines 01oder anderen Behälters dienen, oder sie können in Steuer- oder Servoeinrichtungen
Anwendung finden, beispielsweise in einer Regelvorrichtung für die Spannung einer
Papierbahn, bei der die Vorrichtung auf die Bremsen der Papiermaschine eine solche
Kraft überträgt, daß die Spannung der Papierbahnen einen gewünschten Betrag erhält.
Insbesondere können sie bei Abwiegevorrichtungen verwendet werden, bei denen das
Gewicht des zu wiegenden Gegenstandes oder der abzuwiegenden Masse fernübertragen
werden soll. Solche Maschinen können beispielsweise in Mischanlagen für das Abwiegen
der Stoffe benutzt werden, die nacheinander zwecks Herstellung von Beton miteinander
gemischt werden sollen. Bei solchen Anlagen ist es wünschenswert, daß das Gewicht
der Zuschlagstoffe dem Bedienungsmann des Betonmischers angezeigt wird, während
dieser selbst sich in einiger Entfernung von der Abwiegemaschine befindet. Zur Übertragung
wird üblicherweise Druckluft verwendet, die bei einer Mischmaschine für andere Zwecke
vorhanden ist und demnach zur Verfügung steht. Eine Druckluftübertragung ist sehr
robust und deshalb elektrischen Anlagen vorzuziehen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Kraftmeßvorrichtung gemäß
der Erfindung in Verbindung mit einer Abwiegevorrichtung und F i g. 2 eine teilweise
Draufsicht auf die Vorrichtung nach F i g. 1.
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Die Vorrichtung hat eine Druckkammer 1, die über die Zuleitung2,
3 mit einem T-Stück4 mit einer
Druckmittelquelle 5 verbunden ist. Als Druckmittel
dient vorzugsweise komprimierte Luft. Wenn gewünscht, kann auch ein anderes Gas
verwendet werden. Die Druckmittelquelle 5 kann ein fester oder tragbarer Drucklufterzeuger
oder ein Druckluftspeicher sein.
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Die komprimierte Luft aus dem Speicher 5 wird über Drosselmittel
zugeführt, beim Ausführungsbeispiel durch ein Ventil 6, das von Hand oder automatisch
gesteuert wird. Die Luft geht vor ihrem Eintritt in das Rohr 2 durch eine Verengung
7, die ebenfalls eine Drosselstelle darstellt. Die Drosselstelle 7 kann auch die
einzige Drosselstelle sein. Der lichte Durchmesser der Verengung 7 liegt in der
Größenordnung von etwa 0,4 Millimeter. Die Drosselstelle 7 kann durch ein Nadelventil
ersetzt werden.
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Eine Ableitung 8, die in der Strömungsrichtung hinter dem einstellbaren
Ventil 6 und der Drosselstelle 7 liegt, verbindet das T-Stück 4 und damit auch die
Kammer 1 mit einem Druckanzeigegerät 9. Wie in F i g. 1 dargestellt, steht die Ableitung
8 direkt mit der Zuleitung 3 in Verbindung.
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Eine Druckentlastungsöffnung 10 am oberen Ende der Kammer 1 steht
mit dem Inneren der Kammer in Verbindung und ist durch einen losen Teller 11 abgedeckt,
der an der Unterseite eine Ausnehmung 12 hat. Längs des Umfanges der unteren Fläche
des Tellers 11 ist eine ringförmige Lippe 13 ausgebildet, die eine scharfe Dichtkante
aufweist. Sie liegt auf der die Öffnung 10 umgebenden Sitzfläche 13 a auf.
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Wird auf die obere Fläche des Tellers 11 eine Kraft ausgeübt, so bewirkt
die scharfe Kante der Lippe 13 einen luftdichten Abschluß der Kammer. Wie in den
Zeichnungen dargestellt ist, liegt der Teller 11 horizontal und die Sitzfläche 13
a ist eben und ebenfalls horizontal.
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An der Unterseite des Tellers 11 ist eine Stange 15 befestigt, die
eine Dämpfungsscheibe 14 trägt. Die Scheibe 14 liegt dicht über dem Boden der Kammer
1 in Öl oder in einer anderen Dämpfungsflüssigkeit, mit der der untere Teil der
Kammer 1 gefüllt ist. Die Dämpfungsscheibe dämpft die Bewegung des Tellers von und
zum Sitz 13 a und verhindert so ein Vibrieren des Tellers.
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Die zu messende Kraft kann auf die Oberseite des Tellers in jeder
gewünschten Weise aufgebracht werden. Gemäß der Zeichnung geschieht dies durch ein
Hebelsystem. Es besteht aus einem Waagebalken 16, der an einem Ende auf einer Schneide
17 schwenkbar ist. Die Schneide wird von einem Rahmen 18 getragen, der auch die
Kammer 1 trägt. Am Waagebalkein 16 ist zwischen seinen Enden ein unten zugespitzter
Zapfen 19 befestigt, der mit der oberen Seite des Tellers 11 im Eingriff steht.
Die die Last tragende Vorrichtung, als Schäkel 20 dargestellt, wird von einer Schneide
21 am freien Ende des Balkens 16 getragen. Die Abmessungen der Ausnehmung 12 des
Tellers sind entsprechend dem tSbersetzungsverhältnis gewählt, das zwischen dem
resultierenden Luftdruck, der den Teller trägt und der bei Gleichgewicht des Hebelsystems
mit dem Instrument 9 gemessen werden soll, und der zu messenden Kraft besteht, wobei
diese durch das Übersetzungsverhältnis des mechanischen Hebelsystems und das zu
wiegende Gewicht bestimmt ist.
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Beim Messen wird das Ventil 6 geöffnet, um komprimierte Luft aus
dem Speicher 5 über die Drosselstelle 7 in die Kammer 1 mit einem Druck eintreten
zu
lassen, der größer ist als der zu übertragende Druck. Die Drosselstelle verursacht
einen Druckabfall in der Zuführungsleitung. Eine von dem Schäkiel 20 auf den Balken
16 übertragene Last übt auf den äußeren Teil des Tellers durch den Zapfen 19 eine
Kraft aus und veranlaßt so den Teller zu einem dichten Abschluß des oberen Endes
der Kammer 1.
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Der Luftdruck aus dem Speicher 5, der durch die Drosselstelle 7 in
die Kammer eintritt, bewirkt einen Druckaufbau in der Kammer und in der Ableitung
8 bis zum Abheben des Deckels 11. Es entweicht dann Luft aus der Kammer 1, was den
Druck in der Kammer vermindert, bis er in linearer Beziehung zu der auf den Balken
16 ausgeübten Kraft steht. Der Teller 11 und der Balken 16 sind dann im Gleichgewicht.
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Die Luftströmung ist sehr gering, und der Druck am T-Stück ist dann
derselbe wie in der Kammer 1. Er wird auf das Instrument 9 übertragen, das dann
das an den Schäkeln 20 hängende Gewicht anzeigt. Vertikalschwingungen und Taumelschwingungen,
die der Deckel 11 auf Grund seiner Lagerung an dem zugespitzten Zapfen 19 ausführen
könnte, werden dadurch gedämpft, daß die fest mit dem Teller verbundene Dämpfungsscheibe
14 die Ölfüllung verwirbelt, in die sie eingetaucht ist. Durch die Anordnung nahe
am Boden der Druckkammer 1 entsteht auch ein Saugeffekt, wenn sich die Dämpfungsscheibe
vom Boden entfernt, welcher Saugeffekt zusätzlich zur Dämpfung beiträgt.