DE2237826A1 - Belastungswandler - Google Patents

Description

Belästungswandler

Die Erfindung betrifft einen Belastungswandler zur Umwandlung einer auferlegten Belastung oder eines auferlegten Druckes in ein elektrisches Ausgangssignal. Gewöhnlich ist ein Belasbungswandler mit einem flexiblen Teil versehen, das durch die zu messende Belastung zusammen mit Dehnungsmeßstreifen aus Draht oder einem Halbleiter, die auf die Oberfläche des flexiblen Teiles geklebt sind, verbogen wird· Bei einem herkömmlichen Belastungswandler wird ein metallisches, zylindrisches Teil als flexibles Teil verwandt, auf das die Belastung in axialer Richtung übertragen wird und der Dehnungsmeßstreifen ist gewöhnlich auf die Innen- oder Außenfläche des zylindrischen Teiles geklebt. An dieser Oberfläche v/erden drei Spannungsarten, eine Druck-, Zug- und Schubspannung _t die der Druck- oder Zugbelastung am zylindrischen Teil entsprechen, erzeugt. Wenn daher der Dehnungsmeßstreifen auf die zylindrische Oberfläche geklebt wird, müssen die Richtung und der Abschnitt, auf den der Dehnungsmeßstreifen geklebt wird, sorgfältig ausgewählt sein, wobei die Spannungsverteilung an einer zylindrischen Ober-

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fläche in Betracht gezogen werden muß, um die Belastung mit einer hohen Genauigkeit zu messen.

Wenn allerdings zum Beispiel ein von einer schrägen Belastung oder ähnlichem erzeugtes Biegemoment auf das zylindrische Teil wirkt, werden an seiner zylindrischen Oberfläche unvermeidlich unerwünschte Zug- oder Druckspannungen erzeugt. Dementsprechend ist es bei einem herkömmlichen Belastungswandler schwierig, die lineare Beziehung zwischen der Änderung des elektrischen Widerstandes des Dehnungsmeßstreifens und der angelegten Belastung über einen weiten Belastungsbereich aufrechtzuerhalten.

Wenn darüber hinaus, wie bisher, Dehnungsmeßstreifen aus einem Halbleitermaterial für einen extrem kleinen Belastungswandler verwandt werden, ist es schwierig, die Dehnungsmeßstreifen genau auf einen bestimmten Abschnitt der inneren oder äußeren zylindrischen Oberfläche des zylindrischen Teiles zu kleben. Dieses führt unvermeidlich zu einer Verringerung der Meßgenauigkeit und dazu, daß die Herstellung von Belastungswandlern mit einer einheitlichen Empfindlichkeit, das heißt mit einheitlichen Eingangs-Ausgangs-Charakteristiken schwierig ist.

Zusätzlich hat es sich in der Metallverdichtungstechnik als schwierig erwiesen, den Verdichtungsdruck mit großer Genauigkeit zu messen und einen solchen Belastungswandler zu entwickeln, der das obengenannte Problem löst, da die in den zu verdichtenden Metallteilen erzeugte Verdichtungsspannung sehr groß ist und über einen breiten Bereich variiert, die Verdichtungsteile ohne Unebenheiten erzeugt werden müssen und der Belastungswandler eine geringe Größe aufweisen sollte, wenn die Verdichtungsteile klein sind.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, einen Belastungswandler zu entwickeln, mit dem Belastungen über einen weiten Variationsbereich mit hoher Genauigkeit gemessen werden können.

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Der erfindungsgemäße Belastungswandler soll die Belastung mit hoher Genauigkeit unter Vermeidung des Einflusses eines Biegemomentes infolge einer schiefen Belastung messen, einheitliche Charakteristiken aufweisen, insbesondere von geringer Größe und hoher Genauigkeit und leicht herausteilen sein, und in einem "bestimmten Maße einen hohen Druck sowie eine kleine Belastung genau messeno

Darüber hinaus soll der erfindungsgemäße Belastungswandler dazu geeignet sein, die Dichte eines Metallverdichtungsteiles als Verdichtungsspannung zu messen, die in dem Verdictitungsteil während des Yerdiohtungsprozesses erzeugt wird.

Dazu umfaßt der erfindungsgemäße Belastungswandler ein Gehäuse, eine an einem Ende des Gehäuses angebrachte und mit einer axialen Aussparung versehene Dehnungssäule, einen ersten Dehnungsmeßstreifen, der radial am anderen axialen Ende der Dehnungssäule quer über der axialen Aussparung befestigt ist, eine Belastungsaufnahmekappe, die am anderen JEnde der Dehnungssäule zur axialen Übertragung der Belastung auf die Dehnungssäule angebracht ist und eine elektrische' Brückenschaltung, in die der Dehnungsmeßstreifen als Teil des elektrischen Widerstandes eingesetzt ist.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung eine beispielsweise, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert :

Pig. 1 ist eine Vorderansieht eines Belastungswandlers, der an einer teilweise in Schnittansieht gezeigten Pulververdichtungspresse befestigt ist.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht des wesentlichen Teiles des in Pig. 1 gezeigten Belastungswandlers.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansieht längs der Linie III-III

in Pig. 2. ■

Pig. 4 ist ein Sehaltbild einer elektrischen Brückensehaltung zur Abgabe der Belastung in.Form eines elektrischen Ausgangssignales.

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In Fig. 1 ist ein Belastungswandler 10 gezeigt, der an einer -Pulververdichtungspresse angebracht ist, die einen unteren ' ₍ Stempel 1, einen äußeren Druckzylinder 2, eine Zentralstange 3 und einen oberen Stempel 4 aufweist. Das Metallpulver wird in einen ringförmigen Hohlraum eingefüllt, der durch den unteren Stempel 1, den äußeren Druckzylinder 2 und die Zentralstange 3 gebildet wird und durch den oberen Stempel 4 zusammengedrückt,um den verdichteten Teil 5 zu formen.

Bei diesem Metallverdichtungsverfahren ist es notwendig, den Verdichtungsdruck zu messen, der im Metallpulver erzeugt wird, um verdichtete Teile gleicher Qualität zu bekommen·

Der Verdichtungsdruck wird durch den Belastungswandler 10 gemessen, der an dem unteren Stempel 1 durch ein Innengewinde 1a, das in dem unteren Stempel 1 ausgebildet ist, und ein Außengewinde 11a befestigt ist,das an dem äußeren Teil des Gehäuses eines Belastungswandlers 10 ausgebildet ist. Darüber hinaus steht eine Gegenmutter 6 mit dem Außengewinde 11a des Gehäuses 11 in Eingriff und dient dazu, den Belastungswandler 10 in einer geeigneten axialen Lage im Hinblick auf den unteren Stempel 1 festzulegen.

Dieser Belastungswandler 10 umfaßt, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Gehäuse 11, eine Dehnungssäule 12, eine Belastungsaufnahmekappe 13 und Dehnungsmeßstreifen G1, G2 aus Halbleitermaterial. Das Gehäuse 11 weist eine axiale Aussparung 11b auf, in der der untere Endabschnitt 12a der Dehnungssäule 12 fest eingepaßt ist. Die Dehnungssäule weist koaxial abgestufte Aussparungen 12b, 12c und 12d mit der Reihe nach ansteigendem Durchmesser und ein Schulterteil 12e auf, das zwischen der ersten Aussparung 12c und der zweiten Aussparung 12d ausgebildet ist. Der Dehnungsmeßstreifen G1 aus Halbleitermaterial ist radial an dem Schulterteil 12e quer über der axialen Aussparung 12c befestigt. Eine erste ringförmige Aussparung 12f ist an der äußeren Zylinderfläche der Dehnungssäule 12 ausgebildet, um an der Stelle eine größere Belastung zu erhalten. Der Dehnungsmeßstreifen G2 aus Halbleitermaterial ist axial auf die Innenfläche der Dehnungsßäule 12 an einer Stelle, die der ersten ringförmigen Aussparung 12f ent-

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spricht, geheftet. Eine zweite ringförmige Aussparung 12g ist an der äußeren Zylinderfläche an einer Stelle zwischen dem unteren Endabschnitt 12a und der ersten ringförmigen Aussparung 12f ausgebildet, um eine durch eine Biegemoment erzeugte unerwünschte Druck- oder Zugbelastung an der inneren oder äußeren zylindrischen Fläche im oberen Teil der Dehnungssäule 12 zu vermeiden. Das Biegemoment, das auf die Dehnungssäule 12 wirkt, wird, hauptsächlich durch eine Neigung der Belastung und der Richtung der aufgebrachten Belastung verursacht, da die Dehnungssäule 12 als eine Art Hebelarm wirkt. Bei der gezeigten Ausbildung wird das Biegemoment größtenteils durch die zweite ringförmige Aussparung 12g absorbiert und der Einfluß des Biegemomentes auf den Dehnungsmeßstreifen G2 wird vernachlässigbar klein. Zusätzlich ist ein Steg oder ein sich ausdehnender Teil 12h zwischen der ersten und der zweiten Aussparung 12f und 12g ausgebildet, um eine unerwünschte Deformation,zum Beispiel ein Hinterdrehen der Dehnungssäule 12,zu vermeiden.

Am oberen Teil der Dehnungssäule 12 ist eine Belastungsaufnahmekappe 13 angebracht. Die Unterfläche 13a der Belastungsaufnahmekappe 13 steht im engen Kontakt mit der oberen Endfläche 12i der Belastungssäule 12 und die Oberfläche 13b ist in Form eines Teiles einer Kugel geringer Krümmung ausgebildet. Die zu messende Belastung wird axial an der Mitte der Oberfläche 13b angelegt. Darüber hinaus ist die Belastungsaufnahmekappe 13 mit einer ausreichenden Dicke ausgebildet, um ihre Verformung zu vermeiden und die Belastung zuverlässig auf die Dehnungssäule 12 zu übertragen.

Die Dehnungsmeßstreifen G1 und G2 sind mit den Leitungsdrähten 11, 12 und 13 verbunden und zusammen mit den in Fig. 4· gezeigten Widerstandskomponenten R1, R2 und R3 in eine elektrische Brückenschaltung eingebaut. Von einer elektrischen Energiequelle E wird eine konstante Eingangsgleichspannung der Brückenschal.tung durch Schließen des normalerweise offenen Kontaktes S geliefert und die Ausgangsspannung, die sich entsprechend der Änderung des

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Widerstandes der Dehnungsmeßstreifen G1 und G2 ändert, wird zwischen den Klemmen 01 und 02 abgenommen. Die elektrischen Widerstände der Dehnungsmeßstreifen G1 und G2 ändern sich proportional mit der Änderung der angelegten Belastung· In dieser Brückenschaltung wird eine variable elektrische Widerstandskomponente R3 verwandt, um die anfängliche Ausgangsspannung auf Null einzustellen.

Wenn die Dehnungssäule 12 durch eine Belastung über die Belastungsaufnahmekappe 13 zusammengedrückt wird, nimmt der Dehnungsmeßstreifen G1 eine Zugspannung auf, die der radialen Dehnung der Dehnungssäule 12 entsprechend der Poissonschen Zahl entspricht„ Andererseits wird der Dehnungsmeßstreifen G2 durch die der Belastung proportionale axiale Verformung zusammengedrückt. Aus diesem Grunde wird die Ausgangsspannung der Brückenschaltung verglichen mit dem Fall, in dem lediglich ein Dehnungsmeßstreifen verwandt wird, verdoppelt.

Da bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Dehnungsmeßstreifen G2 infolge des dünnen Teiles oder der Spannungskonzentration an der ringförmigen Aussparung 12f starke Stauchungen aufnimmt und durch das auf die Dehnungssäule I2 infolge der zweiten ringförmigen Aussparung 12g v/irkende Biegemoment nicht beeinflußt wird, kann eine hohe Genauigkeit und eine große Empfindlichkeit der Messung erzielt werden.

Zur Messung des im Metallverdichtungspulver erzeugten Druckes wird der Belastungsübertragungsstab 20 verwandt. Der Belastungsübertragungsstab 20 ist im unteren Stempel 1 angebracht und axial verschiebbar. Die obere Endfläche 20a dieses Stabes 20 liegt zum Metallpulver frei und das untere Ende 20b steht mit dem Mittelpunkt der oberen Fläche 13b der Belastungsaufnahmeeinrichtung in Berührung. Der Durchmesser der oberen Endfläche 20a ist so klein gewählt, daß sie für große Drucke im Metallpulver sowie für kleine Belastungen im gewünschten Maßstab empfindlich ist. Darüber hinaus sind an der äußeren zylindrischen -Fläche des Belastungsübertragungsstabes 20 ringförmige Aussparungen 20c ausgebildet, um die Reibungskraft

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zwischen dem unteren Stempel 1 und seiner Außenfläche zu verringern und um für eine genaue Übertragung der axialen Belastung auf den Belastungswandler 10 zu sorgen.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   1· Belastungswandler mit einer durch die zu messende Belastung verformbaren Dehnungssäule und an die Dehnungssäule gehefteten Dehnungsmeßstreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungssäule (12) eine axiale Aussparung (12c) aufweist und in einem Gehäuse (11) an einem Ende (12a) angebracht ist, daß ein erster Dehnungsmeßstreifen (G1) am anderen Ende (I2e) der Dehnungssäule (12) radial quer über der axialen Aussparung (12c) befestigt ist und daß die Dehnungseäule (12) die zu messende axiale Belastung aufnimmt.
2. 2. Belastungswandler nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß ein zweiter Dehnungsmeßstreifen (G2) an der zylindrischen Oberfläche der Dehnungssäule (12) axial befestigt ist, und daß eine zweite ringförmige Aussparung (12g) an der Umfangsfläche der Dehnungssäule (12) an einer Stelle zwischen dem einen Ende (12a) und dem Teil ausgebildet ist, an dem der zweite Dehnungsmeßstreifen (G2) befestigt ist.
3. 3. Belastungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste ringförmige Aussparung an der Umfangsfläche der Dehnungssäule an einer Stelle ausgebildet ist, die der Stelle entspricht, an der der zweite Dehnungsmeßstreifen (G2) befestigt ist.
4. 4. Belastungswandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Belastungsübertragungsstab (20), der an einem Ende eine Druckaufnahmefläche (20a) aufweist, um einen Druck, zum Beispiel eine Belastung, von einem Gebiet, an das ein Druck gelegt ist, aufzunehmen, und der die Belastung axial an die Dehnungssäule (12) weiterleitet«,

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