DE1955450C3 - Dehnungs-Widerstandsgeber zur Messung von Kräften - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dehnungs-Widerstandsgeber nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Ein derartiger Dehnungs-Widerstandsgeber wandelt Kräfte bzw. dazu proportionale Größen (Gewicht, Masse, Volumen, Flüssigkeitspegel usw.) in ein proportionales elektrisches Signal um. das die Fernüberwachung dieser Größen ermöglicht, so daß ein derartiger Dehnungs-Widerstandsgeber auf ticn verschiedenen technischen Gebieten angewendet werden kann.

Ein Nachteil der bereits bekannten Dehnungs-Widerstandsgeber (vgl. FR-PS 14 18 774) besteht darin, daß sich diese, für verschiedene Größenbereiche berechneten Geber, durch Abmessungen und Gestaltung der Teile und Baugruppen (einschließlich des Gehäuses und des elastischen Elements) voneinander unterscheiden. Deswegen ist es bei der Auswechslung der Geber in bereits arbeitenden Anlagen, z. B. bei Änderung der Leistung der zu überwachenden Anlage, erforderlich, die Abmessungen von Atifsetzbüchsen zu ändern, was kostspielig ist.

Bei der Fertigung derartiger Geber, die verschiedene Abmessungen und äußere Formen der Einzelteile aufweisen, ist außerdem ein umfangreicher Vorrat an Sonder- bzw. Allgemeinausrüstungen notwendig, was unwirtschaftlich ist.

Die Meßcharaktcristik der Geber hängt stark von der Qualität und dem Zustand der Oberfläche ihres Gehäuses ab, worauf sich das elastische Element abstützt. Bei Deformation des elastischen Elements unter Einwirkung der zu messenden Kräfte erfolgt an diesen Stellen eine gegenseitige Verschiebung der Stützflächen unter Auftreten von Reibung. Von der Größe dieser Reibung sind die Konstanz der Anzeigen des Gebers bei Zunahme der zu messenden Größe und die Differenz der Anzeigen des Gebers bei Zu- und Abnahme der zu messenden Größe (Hysteresis) abhängig. Damit die Anzeigefehler klein genug sind, muß das Gehäuse des Gebers aus besonderen, teuren abrieb- und dehnungsfesten Werkstoffen hergestellt

werden.

Da ferner das Gehäuse des Gebers eine komplizierte Form aufweist, ist außerdem die Wärmebehandlung seiner Oberfläche erschwert.

Die erforderliche hohe Festigkeit des Gehäuses an den Stellen, wo sich das elastische Element auf das Gehäuse abstützt, ist an anderen Stellen unerwünscht, da es die Schlagfestigkeit des Gehäuses vermindert.

Es ist ein Dehnungs-Widerstandsgeber nach dem ■ ο Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt geworden (vgl. US-PS 31 01 464), der am inneren Ansatz des Gehäuses einen einstückig mit dem elastischen Element verbundenen, ringförmigen Ansatzteil aufweist, dessen Dicke in Abhängigkeit von der Dicke des elastischen Elements so gewählt ist, daß die Gesamtdicke vom ringförmigen Ansatzstück plus e'asnschem Element eine Konstante bildet.

Der einstückig mit dem elastischen Element verbundene ringförmige Ansutzieil hat einen verftäitnismäöig negativen Einfluß auf die Meßcharakteristik des Gebers einschließlich Hysterese, Reproduzierbarkeit usw.. indem stark die Abhängigkeit /wischen der Information des elastischen Elements und der zu messenden Kraft geändert wird. Ferner wird durch das einstückige Ansatzteil der schon vom anderen bekannten Dehnungs-Widerstandsgeber bekannte Nachteil bei der Fertigung des Gebers und bei seinem Anpassen an verschiedene Größenbereiche der zu messenden Kraft nicht beseitigt.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der genannten Nachteile einen Dehnungs-Widersiandsgcber zur Messung von Kräften zu entwickeln, der bei hoher Meßgcii.uMgkeit in seinen Ncnn-Abmcssungen und der Meßcharaktcristik vom Größenbercich. für den der Geber ursprünglich ausgelegt worden ist, unabhängig ist.

Diese Aufgabe wird nach dem Kennzeichen dos Anspruchs 1 gelöst.

Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik liegt erfindungsgemäß ein selbständiges Einsatzstück, also kein einteiliges Ansatzstück am elastischen Element vor, da auf diese Weise eine negative Beeinflussung der Abhängigkeit zwischen der Deformation des elastischen Elements, und der zu messenden Krafi verhindert wird. Diese Abhängigkeiten werden tatsächlich mittels unterschiedlicher Differentialgleichungen beschrieben, d. h. die beim bekannten Stand der Technix festgeklemmte »Scheibe« wird zu einer frei gestützten »Scheibe«.

Darüber hinaus vereinfacht das als Einzelteil vorgesehene Einsatzstück die Herstellung des Gebers (vereinfacht insbesondere die Form des elastischen Elements) und gestattet, unterschiedliche Teile je nach Bedarf entsprechend herzustellen (das Einsalzstück, das kein eigentliches Meßelement ist, sondern nur als Stütze dient). Ferner erlauben die Ausbildung des elastischen Elements und des Einsatzstücks als Einzelteile, einen gewünschten Abstand zwischen der Unterseite des Hauptteils des elastischen Elements und den Dehnungsmeßwiderständen zu wählen, denn die Dehnungsnicßwiderständc lassen sich nicht nur außen am Element aufwickeln, wie dies bei einer cinstückigen Ausbildung der Fall ist. Eine andere technische Lösung würde eine beträchtliche Erhöhung der Stärke des elastischen Elements für vorgegebene zu messende Kräfte erfordern und zu einer unzweckmäßigen Feldvertcilung der mechanischen Spannungen im Querschnitt des elastischen Elements führen.

Die Anordnung des Kugellagers /wischen dem elastischen Element und dem Einsatzstück verbessen betrachtlich die Meßcharakterisük des Gebers einschließlich Hysterese, Reproduzierbarkeit usw.. um mehr als eine Größenordnung. Die Kugeln des Kugellagers, die eine hohe Härte. Verschleißfestigkeit und minimalen Reibungskoeffizienten besitzen, halten sicher und genau die Abstützpunkte des elastischen Elements fest und wandeln die Gleitreibung in Rollreibung um, ohne dabei Eindrücke auf der harten Oberfläche des Einsatzstücks hervorzurufen.

Das Einsatzstück besteht zweckmäßigerweise aus einem Werkstoff mit mindestens 40 HRc der Härtebestimmung nach Rockwell, hoher Verschleißfestigkeit und einem minimalen Reibungskoeffizienten.

Es ist ferner bereits bekannt geworden (vgl. FR-PS 14 18 774), am elastischen Element gesonderte Stützen für die Halterung der Dehnungsmeßwiderstände vorzusehen. Wenn von dieser bekannten Maßnahme Gebrauch gemach! wird, hängt die Dicke des elastischen Elements und demzufolge des Einsatzstücks bei vorgegebener zu messender Kraft vom Ort der Anbringung der Dehnungsnießwiderstande an den Stützen des elastischen Elements und von den mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs des elastisehen Elements ab.

Damit nun die Abmessungen des elastischen Elements und des Einsatzstücks bei Verwendung von Werkstoffen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, die durch nur begren/t mögliche yo Steueiiing der chemischen Zusammensetzung sowie anderer Parameter des Werkstoffs bedingt sind, nicht geändert werden, ist die Anwendung der Lehre nach dem Anspruch J zweckmäßig.

Durch derartige Verschiebungen der Dehnungsmeßwiderstünde in den Nuten entlang den Stützen kann man die einwirkenden Nennkräfte, für die der Geber in den Grenzen innerhalb eines bestimmten Bereichs ausgelegt worden ist, ohne Änderung der Abmessungen des elastischen Elements und des Einsalzstücks andern so daß auf diese Weise die Lösung der Erfindungsaufgabe weiter gefördert wird, nämlich mit einem möglichst geringen Vorrat an Einsatzstücken und elastischen Elementen auszukommen, wenn entweder bei der Fertigung die Geber für verschiedene Kräfte auszule- _4S gen sind oder im Laufe der Zeit ein bereits fertiger Geber zur Messung Kräfte anderer Größe einzusetzen ist.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß der mit der Erfindung erreichte technische Fortschritt darin besteht, daß eine weitgehende Vereinheitlichung der Bauteile des Gebers erreicht wird, ferner der Geber für einen großen Bereich zu messender Kräfte ausgelegt ist, gegebenenfalls unter Verschiebung der Dehnungsnießwiderstande in den Nuten der Stützen am elastischen Element, und sich durch eine grwße Anzahl von Kraflsuifen und einheitliche elektrische Ein- und Ausgangsparametcr auszeichnet. Schließlich weisen die Geber gleiche Maße und Form des Gehäuses auf.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der (₎₀ Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung erläutert, in der der Dehnungs-Widerstandsgeber zur Messung von Kräften im Querschnitt abgebildet ist.

Der Geber enthält ein Gehäuse 1. 111 dem ein (,_s elastisches Element 2 angeordnet ist, das als Volldrchkörper mit einem halbkugelförmigen Vorsprung 3, der die Kriifte aufnimmt, und mit einer Grundplatte in Form einer dachen Scheibe 4 mit Stützen 5 ausgebildet ist, die auf einem Kreis angeordnet sind und röhrenförmige Glasisolaioren 6 mit auf ihnen angebrachten Dehnungsmeßwiderständen (Tensoresistoren) 7 tragen.

in den Stützen 5 sind Nuten 8 vorhanden, die es ermöglichen, bei der Montage des Gebers die Einsiellverschiebungen der Isolatoren 6 mi: den Dehnungsmeßwiderständen 7 entlang den Stützen 5 durchzuführen, wodurch die erforderliche Dehnung der Dehnungsmeßwiderstände bei vorgegebener Kraft gewährleistet w ird.

Das elastische Element 2 stützt sich mit seiner Stützfläche auf konzentrisch angeordneten Kugeln 9 ab. die in einem Ring 10 eingefaßt sind und ihrerseits auf einem ringförmigen Einsatzstück 11 aufliegen, das beispielsweise aus Sonderstahl hoher Festigkeit (nicht unter 40 HRc der Härtebestimmung nach Rockwell) hergestellt ist. Zur Sicherung der gegenseitigen Lage des elastischen Elementes 2, des Ringes 10 mit den Kugeln 9, des Einsalzsiückes 11 und des Gehäuses 1 dient eine Feststellvorrichtung, die hier ein Sicherungsstift 12 ist.

Wärmekompensationswiderstände 13 sind an einem Ständer 14 angebracht, der bei Einwirkung der zu messenden Kraft keiner Ausdehnung ausgesetzt wird.

Die Abdichtung des Gebers am elastischen Element 2 v\ird durch eine dünne Trennwand 15 gewährleistet, die am Hals des elastischen Elementes 2 zusammen mit einer elastischen, luftdicht abdichtenden Zwischenlage 16 angepreßt ist. An das Gehäuse 1 wird die Trennwand 15 mittels Schrauben 17 durch eine Einlage 18 angedrückt.

Ein Deckel 19 schützt die dünne Trennwand 15 vor mechanischen Beschädigungen.

Man befestigt den Geber in einer für diese Zwecke vorgesehenen Aufstellbüchse. Der montierte Geber stützt sich mit einem ringförmigen Außenvorsprung 20 auf einem Ansatz in der Aufsetzbüchse ab.

Zum Schutz der Dehnungsnießwiderstande und der Wärmckompensationswiderstände vor Beschädigungen bei der Fertigung des Gebers ist ein .Schutzkasten 21 vorgesehen, der gleichzeitig als Wärmeabschirmung dient.

Der Geber arbeitet folgendermaßen:

Bei Einwirkung der zu messenden Kraft auf den Vorsprung 3 erfolgt die Durchbiegung des elastischen Elementes 2, so daß die Stützen 5 auseinandergehen und eine Dehnung der Dehnungsnießwiderstande 7 hervorrufen.

Die Dehnungsnießwiderstande 7 und die Wärmekompensaiionswiderstände 13 sind elektrisch in einer Brückenschaltung verbunden, deren Ausgangsspannung bei vorgegebener Speisespannung der zu messenden Kraft proportional ist.

Das Einsatzstück 11, dessen Dicke zusammen mit der Dicke des elastischen Elementes 2 eine Konstante bildet, ermöglicht, den inneren Ansatz, im Gehäuse des Gebers auf ein und derselben Ebene und mit gleichen Abmessungen, unabhängig von der Nennbelastung, für welche die Geber berechnet sind, auszuführen.

Das Einsatzstück kann mit einfacher Form (z. B. als Ring) hergestellt werden, so daß es leicht einer Wärmebehandlung ausgesetzt werden kann und es auch möglich ist, seine Stützfläche bis zur erforderlichen Güte zu bearbeiten.

Die zwischen dem elastischen Element 2 und dem Einsatzstück 11 angeordneten Kugeln 10, die eine hohe Härte, Verschleißfestigkeit und minimalen Reibungsko-

cffi/.ieni besitzen, fixieren sicher und genau die Abstützpunktc des elastischen Elementes 2 und wandeln die Gleitreibung in Rollreibung um, ohne dabei Eindrücke auf der harten Oberflache des lünsatzstückes 11 hervorzurufen.

Die Nuten 8 in den Stützen 5 des elastischen P.lenienlcs 2 erlauben, die Anordnung der Dehnungsmel.iwidcrständc in bezug auf die Grundplatte 4 des elastischen Klementes 2 zu verändern.

Das alles ermöglicht, Geber herzustellen, die für verschiedene Nennbelastungen oder -kriifte (in den Grenzen eines be stimmten Bereiches) ohne Änderung der Abmessungen der Teile des Gebers ausgelegt sind. Der Übergang von einem Bereich der Ncnnbelastungcn zum anderen zieht die Auswechselung von lediglich zwei Teilen des Gebers nach sich: des elastischen lücmenles 2 und ties Ijnsatzstückcs 11, die Abmessungen der anderen Teile des Gebers bleiben dabei unverändert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Dehnungs-Widerstandsgeber zur Messung von Kräften, in dessen Gehäuse Dehnungsmeßwiderstände, Kompensaiionswiderstände und ein elastisches Element angeordnet sind, dessen äußerer Teil sich auf einem inneren Ansatz des Gehäuses mittels einer Auflageeinrichtung abstützt, wobei die Dicke der Auflageeinrichtung in Abhängigkeit von der Dicke des elastischen Elements so gewählt ist, daß die Gesamtdicke von Auflageeinrichtung plus elastischem Element eine Konstante bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageeinrichtung ein eigenes Teil (Einsatzstück 11) ist, und daß das elastische Element (2) sich auf dem Einsatzstück (11) über ein Kugellager (9,10) abstützt.

2. Dehnungs-Widerstandsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzstück (ti) aus einem Werkstoff mit mindestens 40 HRc der Härtebestimmung nach Rockwell besteht.

i. Dehnungs-Widerstandsgeber nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch zur Hauptkraftrichtung parallele Stützen (5) des elastischen Elements (2), von denen Nuten (8) die Dehnungsmeßwiderstände (7) einstellbar verschiebbar aufnehmen.