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Kraftmeßumformer
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Die Erfindung bezieht sich auf Kraftmeßumformer mit an den Oberflächen
von Federkörpern angebrachten Dehnungsmeßstreifen.
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Derartige Kraftmeßumformer sind allgemein bekannt. Einfach herzustellende
Meßfedern sind Zug- oder Druckkraftstäbe bzw.
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-stempel oder auf Zug oder Druck beanspruchte Hohlzylinder. Die Meßeigenschaften
derartiger geometrisch einfacher Körper sind gut beherrschbar. Bei sehr genauen
Messungen stört Jedoch eine systematische Unlinearität der Kennlinie dieser Kraftmeßumformer.
Bei Druckkraftmeßfedern macht sich die Nichtlinearität in einer positiven, bei Zugkraftmeßfedern
in einer negativen Krümmung der Kennlinie bemerkbar.
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Die Kennlinienkrümmungen sind nur zu einem geringen Teil durch eine
unsymmetrische Verstimmung der Dehnungsmeßstreifen-Brükkenschaltungen zu erklären,
die dadurch hervorgerufen wird, daß üblicherweise an dem Federkörper längs- und
querliegende Dehnungsmeßstreifen zu einer Brückenschaltung vereinigt sind.
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Ein weiterer geringer Teil der Kennlinienkrümmungberuht auf den elastischen
Querschnittsveränderungen der Meßfedern bei der Belastung. Der restliche Teil der
Nichtlinearität der Kennlinie muß in den Eigenschaften des üblicherweise für die
Meßfedern verwendeten Werkstoffes zu suchen sein.
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Die Nichtlinearität der Kennlinien kann in den Kraftmeßumformern nachgeschalteten
elektronischen Verstärkern auf elektrische Weise kompensiert werden. Dies sind Jedoch
ziemlich aufwendige Maßnahmen, weil Jede Schaltung individuell abgeglichen werden
muß.
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Für kleinere Meßkräfte kann auch eine auf Biegung beanspruchte Meßfeder
verwendet werden. Die Kennlinien derartiger Biegefedern sind weitgehend frei von
Krümmungen. F'ur große Kräfte, etwa ab einer Tonne, werden Biegefedern jedoch unförmig
und in der Herstellung teuer.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Linearisierung der Kennlinie
von Kraftmeßumformern durch in der Hauptsache mechanische und einfache, keinen Abgleich
benötigende elektrische Maßnahmen zu bewirken.
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Bei einem eingangs beschriebenen Kraftmeßumformer wird diese Aufgabe
gemäß der Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale gelöst: a) eine auf
Zug und eine auf Druck beanspruchte Meßfeder sind kräftemäßig hintereinandergeschaltet,
b) die Dehnungsmeßstreifen sind in einer Brückenschaltung so geschaltet, daß die
den einzelnen Meßfedern zugeordneten Dehnungsmeßstreifen jeweils in diagonal gegenüberliegenden
Brückenzweigen liegen.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß gegenläufig belastete
Zug- und Druckkörper nichtlineare Kennlinien mit entgegengesetzt verlaufender Krümmung
aufweisen. In der elektrischen Brückenschaltung gleichen sich diese Nichtlinearitäten
gegenseitig aus.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des Kraftmeßumformers nach der Erfindung
bestehen die kräftemäßig hintereinandergeschalteten Meßfedern aus zwei konzentrischen
Hohlzylindern, von denen der innere becherförmig gestaltet ist. Er stützt sich mit
einebiegesteifen Rand um sein offenes Ende auf einer Stirr-« Qhe des äußeren Hohlzylinders
ab, dessen andere Stirnfläch af einem
Widerlager ruht. Die Meßkraft
wirkt auf den Boden des becherförmigen Hohlzylinders ein.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt ein von
der Meßkraft auf Zug beanspruchter Stab mittels einer an seinem einen Ende angebrachten
biegesteifen Platte auf einer' Stirnfläche eines ihn koaxial umgebenden Hohlzylinders
auf. Die andere Stirnfläche des Hohlzylinders stützt sich auf ein Widerlager.
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Zweckmäßig wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Meßkraft auf
den Becherboden über eine Krafteinleitungsstelze eingeleitet.
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Die Erfindung wird an sechs Figuren näher erläutert.
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Die Figuren 1 und 2 stellen Diagramme der Kennlinien von druck-bzw.
zugkraftbelasteten Meßkörpern dar.
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In den Figuren 3 und 4 sind zwei verschiedene Ausführungsbeispiele
der Erfindung schematisch dargestellt.
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Figur 5 zeigt einen Längsschnitt durch einen nach dem Prinzip der
Figur 3 gestalteten Kraftmeßumformer.
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In Figur 6 ist eine elektrische Brückenschaltung der Dehnungsmeßstreifen
aus Figur 5 dargestellt.
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In den Figuren 1 und 2 sind an den Abszissen Jeweils die Meßkräfte
F angetragen. Die Ordinaten zeigen das Meßsignal U an.
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Bei Figur 1 ist die Kennlinie eines Druckkraftstempels oder eines
Druckkrafthohlzylinders als Kurve mit positiver Krümmung eingezeichnet.
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Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß die Kennlinie eines Zugkraftstabes
bzw. eines Zugkrafthohlzylinders eine negative Krümmung aufweist, In Figur 3 ist
schematisch die kräftemäßige Hintereinanderschaltung eines äußeren Druckkrafthohlzylinders
1 und eines inneren Zugkrafthohlzylinders 2 dargestellt. Dabei ist innere, zum äußeren
Druckkrafthohlzylinder 1 konzentrische Zugkrafthohlzylinder 2 becherförmig. Mit
einem an seinem offenen Ende angeordneten biegesteifen Rand 3 stützt er sich auf
die
obere Stirnfläche des Druckkrafthohlzylinders 1 ab. Die andere Stirnfläche des Druckkrafthohlzylinders
1 ruht auf einem Widerlager 4. In den Boden 5 des becherförmigen Zugkrafthohlzylinders
2 wird eine Meßkraft P eingeleitet. Auf die Mantelflächen der Hohlzylinder 1 und
2 können nicht dargestellte Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt werden, die dann zu einer
elektrischen Brückenschaltung verschaltet werden.
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Die in Figur 4 prinzipmäßig dargestellte Hintereinanderschaltung von
zwei Meßkörpern enthält einen äußeren Hohlzylinder 10, auf dessen oberer Stirnfläche
eine biegesteife Platte 11 aufliegt, an der, in das Innere des Hohlzylinders 10
hineinragend, ein Zugstab 12 angebracht ist. Der Zugstab 12 und der auf Druck beanspruchte
Hohlzylinder 10 sind gegenseitig koaxial. Am freien Ende des Zugstabes 12 greift
die Meßkraft P an. Die untere Stirnfläche des Hohlzylinders 10 stützt sich auf einem
Widerlager 13 ab.
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Die Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach dem Prinzip der Figur
3 im Längsschnitt. Auf dem Boden 20 eines von einem Dekkel 21 abgeschlossenen Gehäuses
22 sitzt ein Hohizylinder 23 auf, der mit einer oberen ringförmigen Stirnfläche
24 einen Rand 25 eines becherförmigen Hohlzylinders 26 abstützt. Der Becher 26 hängt
also konzentrisch im Hohlzylinder 23. Auf dem biegesteif ausgeführten Boden 27 des
Bechers 26 ist unter Zwischenlage einer Füllung 28 ein Druckstück 29 gelagert. Auf
einer ebenen Fläche des Druckstückes 29 ruht die untere gekrümmte Stirnfläche einer
Krafteinleitungsstelze 30. Zum Schutz gegen Verschmutzung der Berührungsflächen
der Stelze 30 und des Druckstückes 29 weist das Druckstück einen Rand 31 auf, in
den eine Ringnut 32 eingefräst ist, die zur Aufnahme einer Dichtung 33 dient. Die
Dichtung 33 liegt an der Mantelfläche der Stelze 30 und zentriert so gleichzeitig
die Krafteinleitungsstelze 30 im Druckstück 29. Der Becher 26 und der Hohlzylinder
23 bilden beide ein Meßfedersystem, die kräftemäßig hintereinandergeschaltet sind,
wobei der Becher 26 auf Zug und der Hohlzylinder 23 auf Druck beansprucht sind.
An den Mantelflächen dieser Meßfederkörper sind Dehnungsmeßstreifen 34, 35, 36 und
37 angebracht.
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Die Figur 6 zeigt eine Brückenschaltung der Dehnungsmeßstreifen 34,
35, 36 und 37. Es ist zu erkennen, daß die auf den beiden Hohlzylindern angebrachten
Dehnungsmeßstreifen in einander benachbarten Zweigen der Brückenschaltung liegen.