DE1773727C3 - Elektromechanischer Meßwandler - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Meßwandler mit einem oberen und einem unteren Krafteinleitungselement sowie einem zwischen den beiden und mit demselben symmetrisch zu einer durch die Kraftwirkungsrichtung bestimmten Symmetrieachse angeordneten Meßkörper.

Bei den bekannten elektromechanischen Meßwandlern dieser Art, bei denen auf den Meßkörper eine zu messende Kraft einwirkt, hält die auf den Querschnitt bezogene Resultierende der im Meßkörper entstehenden mechanischen Spannung der zu messenden Kraft das Gleichgewicht. Dabei wird der Meßkörper deformiert, und diese Formänderung wird durch die Dehnungsmeßstreifen ermittelt. Bisher war man bestrebt, einerseits auf den Flächen auf denen sich die Dehnungsmeßstreifen befanden, ein homogenes Spannungsfeld zu erhalten, andererseils wurde in den meisten Fällen lediglich eine gleichsinnige Spannung verwendet, wobei ein Teil der Elemente der angeschlossenen Meßbrücke nur zur Kompensierung diente. Es ist jedoch auch bekannt, die zunächst nur zur Kompensierung dienenden Dehnungsmeßstreifen als aktive Teile in die Brückenschaltung einzuschalten (Siemens Z., Heft 12, Dez. 1964, S. 898 bis 904). , Dabei ist es ferner bekannt, die Scherspannungen des Meßkörpers zur Messung von Torsionsmomenten nutzbar zu machen, und zwar in der Weise, daß die als Resultierende der Querspannung entstehende, unter einem Winkel von 45° wirkende Normalspan- nung mit Hilfe der Dehnungsmeßstreifen gemessen wurde.

Es sind ferner auf Torsion beanspruchte Meßkör-

per zur K-raftmessuifc, bekannt, bei denen jtdoch für die Kraftübertragung auf den Meßkörper besondere konstruktive Maßnahmen erforderlich sind. Ein weiterer Nachteil diener bekannten Meßwandler besteht darin, daß die von ihnen erzeugten Spannungsfelder eine komplizierte geometrische Form aufweisen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen elektromechanischen Meßwandler zu schaffen, bei dem sich die Dehnungsmeßelemente an jeder beliebigen Stelle des Spannungsfeldes anordnen lassen und das Spannungsfeld selbst eine einfache geometri sche Form erhält, wobei es möglich sein soll, in der ganzen BrückenschaJtung die Dehnungsmeßelemente als aktive Glieder zu benutzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem oberen und dem unteren Krafteinleitungselement zur Verbindung und zur Kraftübertragung auf den zwischengeschalteten Meßkörper besonders ausgebildetete Stege vorgesehen sind, die parallel zur Symmetrieachse ν erlaufen, daß c'ie zwischen dem oberen Krafteinleitungselemeni und dem Meßkörper vorgesehenen, gegenüber den zwischen dem unteren Krafteinleitungselement und dem Meßkörper angeordneten Stegen um einen Winkel bis 90^r versetzt, symmetrisch auf einer der parallel zueinander liegenden, Querschnittsebenen des Wandlers bildenden Meßkörperoberflächen und zur Symmetrieachse der Anordnung parallel angeordnet sind, daß auf den freien Oberflächenbereichen des Meßkörpers Dehnungselemente in bestimmter Zuordnung zur Symmetrieachse vorgesehen sind.

Durch diese Ausbildung des Meßwandlers wird der Meßkörper durch die Torsionsmomente der Kräftepaare, die um zwei aufeinander senkrecht stehenden Achsen wirken, belastet. Die dabei entstehenden Gleitspannungen sind inhomogen. Dies erweist sich als vorteilhaft für die Beanspruchung der auf der Meßkörperoberfläche befindlichen Dehnungsmeßelemente, auf die keine sprunghafte Belastungssteigerung einwirkt, sondern eine sich stufenweise erhöhende Beanspruchung, wodurch die Gefahr des Gleitens und Kriechens verringert wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Gleitspannung keine Wärmeentwicklung bewirkt, wodurch das Wärniegleichgewicht des Systems während der Messung erhalten bleibt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsvorschlags lassen sich die Dehnungsmeßelemente unter einem Winkel von 45° zu der Symmeriepchse anordnen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, bei der

F i g. 1 den Meßkörper eines erfindungsgemäßen Meßwandlers zeigt, wobei das als Resultante der l>cherspannungett entstehende normale Spannungsfcld zur Kraftmessung nutzbar gemacht wird;

F i g. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher das infolge des Biegens entstehende normale Spannungsfeld zum Beeinflussen der Dehnungsmeßstreifen nutzbar gemacht wird, während

F i g. 3 eine zu F i g. 2 ähnliche Ausführung zeigt, in welcher die obere Schulter und der Unterteil als koaxiale Zylinderringe ausgebildet sind, wobei die Belastung und die Reaktionskräfte an den Meßteil gleichfalls mittels Rippen übertragen sind.

In Fig. 4 ist die Ausführung gemäß Fig. 3, und zwar der als koaxiale Zylinderringe ausgebildete

Meßteil, ferner der Oberteil und der Unterteil mit den Rippen im Schnitt dargestellt.

In Fig. 1 ist ein Meßkörper mit beispielsweise vier Meßelementen dargestellt, welche mit je einem KrSftepaar belastet und dadurch einer Scnerbeanspruchung unterworfen sind. Als Kräftepaar wirkt ein Rippenpaar, und zufolge der Konstruktion ist die Kraft an zwei nebeneinanderliegenden Enden von zwei Meßelementen durch eine gemeinsame Rippe gebildet.

Die Bohrung 1 läuft in der ganzen Länge des Meßkörpers durch den aus Meßelementen gebildeten Meßteil 2, obere Schulter 3 und Base 4. Die Verbindung zwischen diesen Bestandteilen ist diagonal durch die Rippen 5 bzw. 6 gewährleistet In dieser Weise wird die mit Pfeil IS bezeichnete Belastungskraft von der oberen Schulter 3 über Rippen 6 auf den Meßteil 2 übertragen und sodann in einer auf den letzteren senkrechte Ebene zum Erzeugen eines Kräftepaares über die Rippen S hindurch auf die Base 4, wo die Reaktionskraft entsteht. Die Meßelemente H, 12, 13 und 14 des Meßteiles unterliegen einer Scherbeanspruchung. Dehnungsmeßstreifen?, 8,9 und 10 sind auf der Fläche der Meßelemente unter einem in bezug auf die Achse der Bohrung 1 etwa 45 igen Winkel liegenden aktiven Richtungen derart angebracht, daß sie abwechselnd die resultierende Zug- bzw. Druckspannung fühlen. Bei derartiger Reihenschaltung der Dehnungsmeßstreifen, wonach auch die Zuführungen verbunden werden, kann eine vollständige Brückenschaltung aufgebaut werden.

Fig. 2 veranschaulicht weitere Möglichkeiten zur Anordnung der Dehnungsmeßstreifen unter Beibehaltung der geometrischen Ausgestaltung gemäß Fig. 1. Bei dieser Ausführung werden die die Dehnung fühlenden Meßstreifen in einer zur Wirkungslinie der Kraft senkrechten Ebene angeordnet, so daß die auf geeigneten Stellen bzw. Oberflächenelementen des in Ebene normalen Spannungsfeldes entstehende Deformation zum Messen der Kraft nutzbar gemacht wird Die obere Schulter 3 und Base 4 des Meßkörpen können in einer zur Aufnahme der mit dem Pfeil XS bezeichneten Zugkraft geeigneten Weise ausgebildet

werden. Der Meßieil 2 ist aufler der Bohrung 1 und den äußeren Seitenflächen durch zwei auf die letzieren senkrechten Ebenen begrenzt. Auf diesen Ebenen sind gegenüber den Rippen 5 bzw. 6, auf den Oberflächenelementen 17 Dehnungsmeßstreifen 19,

ίο ferner beim Ansatz der Rippen auf den Oberflächenelementen 18 Dehnungsmeßstreifen 20 angeordnet. Die Anzahl der Dehnungsmeßstreifen ist durch die zur Brückenschaltung erforderlichen Widerstandswerte bestimmt. Bei der Anordnung der Meß- streifen ist es zweckmäßig, die durch Symmetrie der Achse 21 gebotenen Möglichkeiten auszunutzen. In der Brückenschaltung werden die benachbarten Brückenzweige abwechselnd aus auf Zug beanspruchten Dehnungsmeßstreifen 19 bzw. auf Druck

so beanspruchten Dehnungsmeßstreifen 20 gebildet. In dieser Weise besteht die ganze Brücke aus aktiven Elementen.

Bei der Ausführung gern'iß Fi g. 3 und 4 wird z. B. der Meßteil 2 nur mit seiner unteren Fläche starr abwechselnd an die Rippen 5 und 6 angeschlossen, von welchen die Rippen 5 an einen äußeren Ring als Unterteil 4 angeschlossen sind, während die Rippen 6 an eine als inneren Ring oder anders ausgebildete obere Schulter 3 angeschlossen sind. Demzufolge wird die

Belastungskraft den durch die Rippen 5 der Base 4 unterstützten Meßteil 2 mit Hilfe der Rippen 6 der oberen Schulter 3 nach unten ziehen. Die Dehnungsmeßstreifen 22 sind gegenüber den auf den Meßteil eine Zugkraft ausübenden Rippen 6 angeordnet,

während die Dehnungsmeßstreifen 23 gegenüber den eine Stützwirkung ausübenden Rippen 5 angeordnet sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Meßbrücke ist eine vollständige aktive Meßbrücke verwirklicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Ejektroroechanischer Meßwandler mit einem oberen und einem unteren Krafteinleitungselement sowie einem zwischen den beiden und mit demselben symmetrisch zu einer durch die Kraftwirkungsrichtung bestimmten Symmetrieachse angeordneten Meßkörper, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oberen und dem unteren Krafteinleitungselement (3, 4) zur Verbindung und zur Kraftübertragung auf den zwiscbengeschalteten Meßkörper (2) besonders ausgebildete Stege (5, 6) vorgesehen sind, die parallel zur Symmetrieachse verlaufen, daß die zwischen dem oberen Krafteinleitungselement (3) und dem Meßkörper (2) vorgesehenen, gegenüber den zwischen dem unteren Krafteinleitungselement (4) und dem Meßkörper angeordneten Stegen um einen Winkel bis 90° versetzt, symmetrisch auf einer der parallel zueinander liegenden, Querschnittebenen des Wandlers bildenden Meßkörperoberflächen und zur Symmetrieachse der Anordnung parallel angeordnet sind, daß auf den freien Oberflächenbereichen des Meßkörpers _a5 (2) Dehnungsmeßelemente (7, 8, 9, 10) in bestimmter Zuordnung zur Symmetrieachse vorgesehen sind.

2. ElektromechaniSw'her Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßeleu.enle (7, 8, 9, 10) unter einem Winkel von 45° zu der Symmetrieachse angeordnet sind.