DE2234025A1 - Kraftmesseinrichtung - Google Patents

Description

• Kraf tmeßeinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmeßeinrichtung, die im wesentlichen aus einem Meßkörper besteht, dessen von der Meßgröße verursachte elastische Deformation mit Hilfe von Debnungsmeßfühlern in eine elektrische Größe umwandelbar ist, wobei die zu messende Kraft über mindestens ein Druckstück in den Meßkörper eingeleitet wird.
• Es sind EraftmeßeinriclltungenS sogenannte Kraftmeßdosen, bekannt, bei denen die Dehnungsmeßfühler, beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, auf dem aus Federstahl hergestellten Meßkörper, der häufig als Zylinder oder Hohlzylinder ausgebildet ist, angeordnet sind. Die Delm wlgsmeBstreifen sind elektrisch zu einer Widerstandsbrücke zusammengeschaltet. Die in der Meßdiagonale dieser Brücke auftretende Spannung ist ein Maß für die Oberflächenverformung des Meßkörpers unter der auf ihn ein.wirkenden Kraft.
• Die bekannten. Meßkörper aus Stahl zeigen jedoch eine bei Präzisionsmessungen nicht zu vernachlässigende Hysterese und Relaxation. Auch ist der Zusammenhang zwischen einwirkender Kraft und auftretender Dehnung in den Oberflächenbereichen nicht linear, was bei Präzisionamessungen ebenfalls berücksichtigt werden bzw. elektrisch kompensiert werden muß.
• Weitere Schwierigkeiten ergeben sich bei der Anbringung der Dehnungsmeßstreifen. Zur elektrischen Isolation der Dehnungsmeßstreifen ist es notwendig, beim Aufbringen auf den leitenden Meßkörper ein isolierendes Zwischenmittel in entsprechender Dicke vorzusehen. Häufig ist dieses Zwischenmittel gleichzeitig das Klebemittel, beispielsweise ein Epoxyd-Harz. Bei Einwirkung von feuchter Luft und bei Temperaturerhöhung können derartige Zischenmittel ihren Isolationswiderstand um mehrere Zehnerpotenzen verringern, überdies treten Kriecherscheinungen auf, welche eine einwandfreie Übertragung der Oberflächendehnung des Meßkörpers auf den aktiven Teil des Dehnungsmeßstreifens in unkontrollierbarer Weise verfälschen.
• Infolge des relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffi--6 von Federstahl (11 zu10 -6/°C) entstehen bei zienten von Federstahl (11 10 6/°C) entstehen bei raschen Temperaturänderungen im Meßkörpers insbesondere bei einseitiger Erwärmung Eigenspannungen, die nicht von der Meßkraft hervorgerufene Oberflächendehnungen hervorrufen.
• Es besteht demgemäß die Aufgabe, eine Kraftmeßeinrichtung zu schaffen, deren Meßkörper die vorgenannten Nachteile der bekannten Meßkörper aus Federstahl nicht oder in weitaus geringerem Maße aufweist.
• Als Lösung dieser Aufgabe wird eine Kraftmeßeinrichtung der eingangs genannten Art angegeben, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Meßkörper aus einem nichtmetallischen, elektrisch nichtleitenden, elastisch verformbaren Werkstoff besteht. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Meßkörper aus Glas, vorzugsweise aus Quarzglas, herzustellen. Bei derartigen Meßkörpern sind Hysterese'und Relaxation sowie die Krümmung der Kraft-Dehnungs-Kennlinie erheblich geringer als bei den bekannten Meßkörpern aus Federstahl. Ihr elektrischer Isolationswiderstand ist hoch und über lange Zeit konstant, so daß Dehnungsmeßstreifen ohne isolierendes Zwischenmittel angebracht werden können, wodurch die die Meßgenauigkeit beeinträchtigenden Kriecherscheinungen verhindert bzw'.
• stark vermindert werden können. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist bei Quarzglas um etwa den Faktor 20 geringer als bei Federstahl (0,5 10-6/°C).
• Neben Glas bzw. Quarzglas sind auch noch kristalline oder teilkristalline Werkstoffe zur Herstellung des Meßkörpers brauchbar.- Dabei kann der Meßkörper entweder aus einem einzigen Kristall bzw. Kristallschnitt bestehen oder aus Keramik bzw. Glaskeramik.
• Je nach Anwendungsfall kann der Meßkörper, wie in den bereits genannten Eriaftmeßdosen, als Stauchkörper ausgebildet sein, der zwischen zwei Druckstücken zur Einleitung der Meßkraft gehalten ist, oder als Biegebalken, der an einem Ende fest eingespannt ist und auf dessen anderes Ende die Meßkraft wirkt, wie beispielsweise bei Drucmeßumformern anwendet.
• Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein Ausführungsbeispiel dargestellt und im folgenden beschrieben.
• Die Figur zeigt eine Kraftmeßdose, die im wesentlichen aus einem Gehäuse 1 besteht, in welchem der Meßkörper 2 zwischen zsei Druckatücken 3, 3' angeordnet ist und das an seiner offenen Seite mit der schlaffen Membran 4 abgeschlossen ist.
• Auf das Lagerstück 5 wirkt die zu messende Kraft P, wird auf das koaxial zu dem Lagerstück 5 unterhalb der Membran 4 angeordnete Druckstück 3 übertragen und in den Meßkörper 2 eingeleitet. Der Meßkörper 2 ist von zylindrischer Form und besteht aus Quarzglas. Seine Stirnflächen 6 und 6' sind als Kugelflächenausschnitte ausgebildet; die diese berührenden Flächen der Druckstücke 3 und 3' sind ursprünglich Planflächen. Die Druckstücke 3 und 3' sind aus einem Material, das derart auf das Material des Meßkörpers 2 und auf die auftretenden Meßkräfte abgestimmt ist, daß bei der erstmaligen Belastung die Stirnflächen 6 und 6' des Meßkörpers 2 sich in die planen Gegenflächen der Druckstücke 3 und 3' eindrücken und eine plastische Verformung bewirken, derart, daß neben dem Kraftschluß ein wenigstens teilweiser Formschluß entsteht und die Hertz'sche Flächenpressung so weit herabgesetzt wird, daß bei den folgenden Belastungen keine weiteren Verformungen der Berührungsflächen mehr stattfinden. In Kombination mit einem Meßkörper 2 aus Quarzglas haben sich Druckstücke 3, 3' aus Kupfer bewährt.
• Die in den Meßkörper 2 eingeleitete, zu messende Kraft P bewirkt eine Stauchung desselben, die dabei auftretenden sehr geringfügigen Formänderungen in der Oberfläche seines Zylindermantels werden mit Hilfe von aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen 7 in bekannter und hier nicht dargestellter Weise in ein der zu messenden Kraft P proportionales elektrisches Signal umgewandelt. Die Dehnungsmeßstreifen 7 sind ohne die üblichen isolierenden Zwischenmittel nur mit einer sehr dünnen Klebstoffschicht direkt auf die Oberfläche des Meßkörpers 2 aufgeklebt, wodurch meßwertverfälschende Kriecherscheinungen weitgehend vermindert werden.
• 9 Patentansprüche 1 Figur

Claims (9)

1. PatentansprUche 1.Kraftmeßeinrichtung, im wesentlichen bestehend aus einem Meßkörper, dessen von der Meßgröße verursachte elastische Deformation mit IIilfevon Dehnungsmeßfühlern in eine elektrische Größe umwandelbar ist und aus mindestens einem Druckstück zur Einleitung derzu messenden Kraft in den Meßkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (2) aus einem nichtmetallischen, elektrisch nichtleitenden, elastischverformbaren Werkstoff besteht.
2. 2. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (2) aus Glas ist.
3. 3. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (2) aus Quarzglas ist.
4. 4. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (2) aus kristallinem oder teilkristallinem Werkstoff besteht.
5. 5. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßfühler, vorzugsweise Dehnungsmeßstreifen (7), auf dem Meßkörper (2) ohne Zwischenmittel angebracht sind.
6. 6. Eraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (2) als Biegebalken ausgebildet ist.
7. j. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (2) als Stauchkörper ausgebildet ist.
8. 8. EraftmeßeinrichXtung nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (6, 6') des Meßkörpers (2) als Kugelflächenausschnitteausgebildet sind und daß die sie berührenden Flächen der Druckstücke (3, 3') entsprechend derart ausgebildet sind, daß neben dem Kraftschluß wenigstens teilweise Formschluß auftritt.
9. 9. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstücke (3, 3') aus Kupfer sind.