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MeDwertwandler, insbesondere für die Kraftmessung Die Erfindung bezieht
sich auf einen Meßwertwandler, insbesondere für die Kraftmessung, mit mindestens
zwei ßymmetrisch und senkrecht zur Krafteinleitungsachse angeordneten, aus einem
relativ biegesteifen Mittelstück auslaufenden, mit Dehnungsmeßs treif en bestückten
Meßbalken. Meßwertwandler dieser Art werden zur elektrischen Messung mechanischer
Kräfte benutzt und können als Kraftmeßdose ausgebildet sein oder als Meßkörper für
die Messung von Druck- und Beschleunigungskräften dienen.
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Bei den bekannten AusfUhrungen werden federnde Körper mit Biegebalken
verwendet, auf denen die Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind. Diese verhältnismäßig
einfachen Meßkrper weisen jedoch eine nichtlineare Abhängigkeit des Signals von
der zu messenden Kraft auf, wobei zur Unterdrückung der Einflüsse von Queri:räften
komplizierte Konstruktionen zur Erafteinleitung
vorgesehen werden
müssen. Zur Erzielung einer auch nur annähernd linearen Charakteristik ist bei den
bekannten Biegefedern ein erheblicher Herstellungsaufwand erforderlich, wobei diese
außerdem kompliziert und nur wenig robust sind.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Meßwertwandler
dieser Bauart mit linearer Charakteristik zu schaffen, der unempfindlich gegen Querkräfte
und billig in der Herstellung ist. Weiterhin soll der erfindungsgemäße Meßwertwandler
auch für den Bau flacher Kraftmeßdosen und anderer Meßkörper geeignet sein, und
es soll ferner ein möglichst einfacher und wirksamer trberlastschutz vorgesehen
werden können.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Meßalken
an ihren freien Enden mit den anderen Teilen des Wandlers durch elastische Torsionsgelenke
mit niedriger Torsionssteifigkeit und hoher Biegesteifigkeit in der Kraftrichtung
verbunden-sind. Es handelt sich dabei um einen einfachen Meßkörper verhältnismäßig
flacher Bauart, der zur Achse der Erafteinleitung symmetrisch-gestaltet und zu dieser
senkrecht orientiert ist. Die freien Enden der Meßbalken stehen vorsugsweise über
Yerbindungsbalken miteinander in Verbindung, an denen sie über die Torsionsgelenke
angelenkt sind.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Meßbalken,
das biegesteife Mittelstück und allfällige Verbindungsbalken aus einem Körper aus
federndem Werkstoff, z.B.
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aus Stahl, welcher mit Bohrungen, Schlitzen u.dgl. Auanehmungen versehen
ist, herausgeformt. Die Torsionsgelenke sind dabei aus schmalen Stegen des Körpers
gebildet. Es können auf diese Weise Meßkörper mit zwei oder mehreren, aus dem biegesteifen
Mittelstück strahlenförmi ausgehende Meßbalken hergestellt werden. Dabei ist es
unschwer möglich, durch Wahl der Größe und Anzahl der Aussparungen die Meßbalken
im Bereich der aktiven Länge der Dehnungsmeßstreifen derart zu gestalten, daß bei
der Krafteinwirkung die Biegespannungen der Oberfläche in diesem Bereich konstant
oder annähernd konstant sind, wobei die übrige, für Dehnungsmeßstreifen trei fen
notwendige Tänge wesentlich niedrigere Spannungen aufweist, was die gesamte Meßkörpersteifigkeit
begünstigt.
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Das Mittelstück zwischen den Meßbalken sowie wenigstens die MittelstUcke
der Verbindungsbalken haben eine relativ hohe Biegesteifigkeit in Bezug auf den
Meßbalken und dienen zur Krafteinleitung bzw. zur Auflagerung des Meßkörpers. Die
Auflagestellen der Meßbalken und der Verbindungsbalken können durch biegesteife
Beilagen gebildet sein. Die Auflagerung kann ferner in vorteilhafter Weise so gestaltet
sein, daß - je nach der Richtung der zu messenden Kraft - die eine oder die andere
Oberfläche des MittelstAckes bei einer vorher festgelegten Kraft auf eine feste
QmschlagflEche auftrifft, z.B. auf Teile des Meßdosengehäuses, wodurch die'auf die
Meßbalken einwirkende Kraft begrenzt wird.
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Der lastangriffspunkt beschreibt bei der erfindungsgemäßen Anordnung
unter der Krafteinwirkung einen geradlinigen Weg, wobei der durch die Biegung verursachten,
zu der aftrichtung senkrechten Verschiebung der freien Enden der Meßbalken nur ein
relativ sehr geringer und für die beiden Kraftrichtungen gleicher Widerstand der
Torsionsgelenke gegenübersteht, was mit der symmetrischen Gestalt des Meßkörpers
eine lineare und für beide Richtungen der zu messenden Kraft gleiche Charakteristik
des Meßwertwandlers ergibt. Dabei weisen die Neßbalken einen einseitig eingespannten
Balken ähnliche einfache Biegungen auf, was zu einer Verkleinerung der Abiaessungen
gegenüber den bekannten Formen flacher Meßkörper mit beidseitig eingespannten Doppelbiegebalken
führt. Dank der flachen und syametrischen Anordnung ist der erfindungsgeinäße Meßwertwandler
unempfindlich gegen Querbelastung und exzentrische Belast.ng.
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In der nachfolgenden Beschreibung ist die Erfindung anhand von Zeichnungen
näher erklärt und einer bekannten AusfUhrungsform mit Doppelbiegebalken gegenübergestellt.
Bs seiten: Fig. 1 ein Ausftihrungsbeispiel des erfindungßger.äßen Meßwertwandlers
im Grundriß, Fig. 2 einen Querschnitt duich den in Fig. 1 dargestellten Meßwertwandler
nach der Linie II-II, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel im Grundriß, Fig. 4
ein weiteres Ausführungsbeispiel in Schrägansicht von oben,
Fig.
5 das Schema einer bekannten Ausfiihrun, wobei eine schematische Seitenansicht (5a),
der Biegemomentve71auf (5b) und der Spannungsverlauf (5c) dargestellt sind, Fig.
6 eine erfindungsgemäße Ausführungsforn in Gegenüberstellung zur bekannten Ausführung
nach Fig. 5 mit chematischer Seitenßnsicht (6a), Biegeinomentverlauf (6b) und Spannungsverlauf
(6c), und Fig. 7 einen Querschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Meßwertwandler
nach der Linie VII-VII in Fig. 1.
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Gemäß den Fig. 1 und 2 besteht der Meßwertwandler aus einem verhältnismäßig
flachen körper, in dem durch Bohrungen 1 Meßbalken 2 gebildet sind, an deren freien
Enden Torsionsgelenke 3 anschließen, die an einer Seite durch die Bohrungen 1 begrenzt
sind. Auf beiden Oberflächen der Meßbalken 2 sind Dehnungsmeßstreifen 4 befestigt.
Im Zentrum des Meßkörpers befindet sich ein verhältnismäßig biegesteifes MittelstUck
mit einer Bohrung 5, die zur Befestigung eines Bolzens oder einer Achse für die
Krafteinleitung dient. Zur Auflagerung des Ileßkörpers mittels einer Verschraubung
sind Bohrungen 6 vorgesehen, die in Verbindungsbalken 7 angeordnet sind, welche
an die Torsionsgelenke 3 anschlieBen und die freien Enden der Meßbalken 2 miteinander
verbinden. Zwischen den biegesteifen Mittelstück und den Verbindungsbalken 7 sind
schlitze 8 vorgesehen, die jeweils zwischen zwei Bohrungen 1 durchelien.
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Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel weist vier symmetrisch
angeordnete Meßbalken 2 auf, die sternförmig von dem mit der zentralen Bohrung 5
versehenen biegesteifen gittelstück ausgehen. Die Meßbalken 2 sind hier durch längliche,
abgewinkelt verlaufende Ausnehmungen 1 gebildet. In den vier Ecken sind Befestigungsbohrungen
6 vorhanden.
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Beim dritten Ausfiihrungsbeispiel nach Fig. 4 besteht der Meßkörper
aus einem an den Enden abgewinkelten und vorzugsweise noch verdünnten Federblech,
in dem Meßbalken 2 und Verbindungsbalken 7 ausgeschnitten sind. Die Mittelstücke
dieser Balken sind durch Beilagen 9 bzw. 10 versteift. Die Torsionsgelenke
3
sind von den abgewinkelten Endteilen des Federbleches gebildet.
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Die in Fig. 5 veranschaulichte bekannte Ausführung besteht aus einem
flachen Federkörper mit vier Doppelbiegebalten 16, wie aus der mit 5a beMeiclmeten
Seitenansicht hervorgeht.
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Auf den Biegebalken 16 sind jeweils mehrere Dehnungsmeßstreifen 4
angeordnet, was notwendig ist, um die deformierte Oberfläche der Balken ausreichend
auszunützen. Der Meßweg ist bei dieser Ausführung zweimal so groß wie bei nur einem
Balkenpaar. Es handelt sich somit um eine verhältnismäßig komplizierte und entsprechend
teure Ausführung. Der Verlauf des Biegemomentes ist aus dem Schema 5b zu entnehmen,
und der Spannungsverlauf ergibt sich aus dem Diagramm 5c.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung, deren Schema in Fig. 6 dargestellt
ist, sind die freien Enden der beiden MeB-balken 2 über zwei elastische Torsionsgelenke
17 mit dem zweiten Balkenpaar 18 verbunden, welchee von Verbindungsbalken gebildet
und relativ biegesteif sein kann, weil die Torsionsgelenke 17 der durch die Biegung
verursachten Verschiebung b der Enden der Meßbalken 2 leicht nachgeben können. Das
Diagramm 6b zeigt den Verlauf des Biegemomentes und aus dem Diagramm 6c ist der
Spannungsverlauf bei geeigneter Dimensionierung der Biegebalken zu entnehmen. Aus
einem Vergleich deS beiden, in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführungen ist klar
zu entnehmen, daß bei der erfindungsgemäßen Ausführung nach Fig. 6 die Meßbalken
2 und damit auch das ganze Meßglied bei derselben aktiven Länge von Dehnungsmeßstreifen
4 kürzer als bei der bekannten Ausfuehrung nach Fig. 5 ist, und daß auch der Meßweg
wesentlich kleiner ist, wobei die deformierte Oberfläche schon mit vier Dehnungsmeßstreifen
gut ausgenützt ist.
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Fig. 7 zeigt schließlich einen Schnitt nach der Linie VII-VII durch
den Meßkdrper nach Fig. 1, wobei die Biegebalken 2 durch Bohren und Fräsen relativ
dünn ausgebildet sind und kraftbegrensende Ansohlagflächen aufweisen. Das relativ
biegesteife
Mittelstück 15 ist mit einem Krafteinleitungsbolzen
11 versehen, der mit ihm und dem Meßkörper aus einem Stück gebildet ist. Der Meßkörper
ist mittels zweier Schrauben 12 und einer Anschlagplatte 13 an dem nur teilweise
dargestellten Gehäuseboden 14 des Meßwertwandlers befestigt, wobei zwischen dem
Gehäuseboden 14 und der Anschlagplatte 13 Spalte a bzw. b verbleiben. Die Anschlagplatte
13 und der Gehäuseboden 14 bilden somit feste Anschlagflächen, welche die maximale
Durchbiegung des Meßkörpers begrenzen. Die Spalte a und b entsprechen der Durchbiegung
des Meßkörpers bei einer festgelegten Druckkraft bzw. Zugkraft.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann nicht nur als Eraftmeßdose Anwendung
finden, wie dies in den Zeichnungen gezeigt ist, sondern es können nach dem gleichen
Prinzip auch Kraftmeßwandler für die Messung von Druck- oder Beschleunigungskräften
hergestellt werden, wobei sich praktisch die gleichen Vorteile ergeben.
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Fatentansrüche: