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Anordnung zur Linearisierung der Kennlinie von mit Druck- bzw.
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Zugkraft belasteten Meßfederkörpern Die Erfindung bezieht sich auf
eine Anordnung zur Linearisierung der Kennlinie von mit Druck- bzw. Zugkraft belasteten,
mit Dehnungsrneßstreifen in Brückenschaltung versehenen Neßfederkörpern.
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Derartige Meßfederkörper sind allgemein bekannt. Als einfach herzustellende
Werkstücke sind Zug- oder Druckkraftstäbe bzw. -sternpel oder auf Zug oder Druck
beanspruchte Elohlzylinder üblich. Die Meßeigenschaften derartiger geometrisch einfacher
Körper sind gut beherrschbar. Bei sehr genauen Messungen stört jedoch eine systematische
Unlinearität der Kennlinie dieser Meßfederkörper. Bei mit einer Druckkraft belasteten
Federkörpern macht sich die Nichtlinearität in einer positiven, bei mit Zugkraft
belasteten Federkörpern in einer negativen Krümmung der Kennlinie bemerkbar.
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Bei sorgfältig entworfenen und hergestellten Meßfederkörpern verläuft
die Krümmung der Kennlinie monoton und mit guter Annäherung nach einer quadratischen
Funktion.
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Die Kennlinienkrümmungen sind nur zu einem geringen Teil durch eine
unsymmetrische Verstimmung der Dehnungsmeßstreifen-Brückenschaltungen zu erklären,
die dadurch hervorgerufen wird, daß üblicherweise an dem Federkörper längs- und
querliegende Dehnungsmeßstreifen zu einer Brückenschaltung vereinigt sind. Ein weiterer
geringer Teil der KennlinienkrUmmung beruht auf den elasti-
scnen
Querschnittsveränderungen der Meßfedern bei de%'D%iaYsug.
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Der res-tliche Anteil 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 Iwaftmeßur"-ormern
nachgeschalteten elektronischen Verstärkern auf elektrische weise kompensiert werden.
Dies sind jedoch ziemlich aufwendige Naßnahmen, 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 Biege federn sind weitgehend frei von
Krümmungen. Für große Kräfte, etwa zb 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 mit Druck- bzw. Zugkraft belasteten Neßfederkörpern durch eine Kombination von
mechanischen und einfachen elek-trischen Maßnahmen zu erreichen.
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Eine eingangs beschriebene Anordnung für diesen Zweck ist gemäß der
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Zug- bzw.
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Druckkraft belasteter, kräftemäßig mit dem Meßfederkörper in Reihe
liegender Kraftübertragungsfederkörper mindestens einen zusätzlichen Dehnungsmeßstreifen
trägt, welcher der Speisediagonalen der Brückenschaltung parallelgeschaltet ist.
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Eine zweite Anordnung zur Linearisierung der Kennlinie von mit Druck-
bzw. Zugkraft belasteten, mit Dehnungsmeßstreifen in Brükkenschaltung versehenen
Neßfederkörpern ist dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Zug- bzw. Druckkraft belasteter,
kräftemäßig mit dem Meßfederkörper in Reihe liegender Kraftübertragungsfederkörper
mindestens einen ersten zusätzlichen Dehnungsmeßstreifen trägt, der zusammen mit
mindestens einem zweiten zusätzlich auf dem Meßfederkörper angeordneten, gegenüber
dem ersten Dehnungsmeßstreifen entgegengesetzt beanspruchten Dehnungsmeßstreifen
als Spannungsteiler der Meßdiagonalen der Brückenschaltung parallelgeschaltet ist.
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Die Wirkung der ersten, oben beschriebenen Anog Linearisierung der
Kennlinie kann anschaulich dadurch erklärt werden, daß ein beispielsweise auf einen
mit Zugkraft belasteten Kraftubertragungsfederkörper geklebter Dehnungsmeßstreifen
mit zunehmender Meßkraft mehr und mehr gedehnt wird. Sein Widerstand erhöht sich
deshalb. Damit wird die Stromverteilung zwischen der Brückenschaltung und dem Parallelwiderstand
zur Speisediagonalen zugunsten der Brücke verschoben. Die Empfindlichkeit der Brücke
wird durch den Anstieg des Brückenstromes proportional der Meßkraft erhöht. Nun
ist das aus der Brücke entnehmbare Meßsignal ein Produkt aus zwei Faktoren, nämlich
der Verstimmung der Dehnungsmeßstreifenbrücke und dem Brückenstrom. Die Meßkraft
wirkt im vorliegenden Fall sowohl auf die Brückenverstimmung als auch auf den Speisestrom
proportional ein. Es entsteht dadurch eine zusätzliche, schwache quadratische Krümmung
der Kennlinie, durch welche die systematische Krümmung ausgeglichen werden kann.
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Die Wirkung der in der zweiten Anordnung zur Linearisierung der Kennlinie
getroffenen Maßnahme kann durch die Vorstellung veranschaulicht werden, daß proportional
zur zunehmenden Meßkraft der parallel zur Meßdiagonalen der Brückenschaltung liegende
Spannungsteiler analog einem Potentiometer weiter aufgedreht wird.
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Die Empfindlichkeit am Spannungsteilerausgang wird also proportional
der Meßkraft erhöht. Dadurch ergeben sich mit der ebenfalls meßkraftproportionalen
Brückenverstimmung zwei meßkraftproportionale Faktoren, deren Produkt, das Ausgangssignal,
also auch in diesem Fall einen quadratischen Anteil besitzt, der bei entsprechender
Dimensionierung die ursprüngliche Kennlinie begradigt.
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Zweckmäßig bestehen Meßfederkörper und KraftUbertragungsfederkörper
aus dem gleichen Werkstoff.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung mit sieben Figuren näher
erläutert.
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Die Figuren 1 und 2 stellen Kennlinien von mit Druck- bzw. Zugkraft
belasteten Federkörpern dar.
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Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach Anspruch 1 der Erfindung.
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In Figur 4 ist eine resultierende Kennlinie eines Meßfederkörpers
dargestellt.
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Figur 5 zeigt eine Schaltung nach Anspruch 2.
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In Figur o ist die wirkung der Schaltung nach Figur 5 anhand eines
Kennliniendiagramms dargestellt.
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Figur 7 stell-t zu eInem Kraftmeßumformer vereinigte M.eß- und KraftübertraQunfrsfederkurper
in einem Längs schnitt dar.
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In den Diagrammen der Figuren 1 und 2 sind aul der X-Achse die Meßkraft
und auf der Y-Achse das iießsignal aufgetragen. Die im Diagramm eingezeichnete Kennlinie
entspricht in der Figur 1 der eines von einer Druckkraft beanspruchten Federkörpers
und in der Figur 2 der einer von einer Zugkraft beanspruch-ten Meßfeder. Im-Beispiel
der Figur 1 ist die Krümmung positiv, im Beispiel der Figur 2 negativ. Der maximale
Abstand n zwischen einer den jewelligen Kennlinien angenäherten Geraden und der
Kennlinie beträgt bei üblichen Meßfederkörpern ungef'Jhr 0,7 ois 1 % vol; Meßsignal
bei Höchstlast.
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In Figur 3 is-t eine Brückenschaltung aus vier Dehnungsmeßstreifen
DMS1, DMS2, DMS3 und DMS4 zu erkennen. Über Anschlußpunkte 1 und 2 wird die Brückenschaltung
gespeist. Parallel zu diesen Anschlußpunkten liegt ein zusätzlicher Dehnungsmeßstreifen
DMS5.
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Der Speise strom I teilt sich deshalb in den eigentlichen Brükkenstrom
1B und den Strom 1N durch den Dehnungsmeßstreifen DMS5.
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Die Signalauswertung der Brückenverstimmung wird über ein Meßgerät
3 vorgenommen, das an Anschlußpunkten 4 und 5 der Brücke angeschlossen is-t. Die
Dehnungsmeßstreifen DMS1, D1u£2, DMSD und DDIS4 sind auf einem nicht dargestellten
Meßfederkörper angebracht; der Dehnungsmeßstreifen DMS5 ist an einem ebenfalls nicht
dargestellten Kraftübertragungsfederkörper befestigt, der mit dem Meßfederkörper
kräftemäßig in Reine geschaltet ist und bezüglich diesem gegensätzlich beansprucht
ist. An den Dehnungsmeßstreifen der Figur ist die jeweilige Beanspruchung angescilrieben,
wobei £ die Dehnung und /u die Querkontraktionszahl bedeutet. In Figur 3 ist vorausgesetzt,
daß der Meßfederkörper auf Druckkraft und der Kraftübertragungsfederkörper auf Zugkraft
beansprucht wird. Der zusätzliche Dehnungsmeßstreifen DMS5 wird also gedehnt. Die
erforderliche Dehnungsbeanspruchung des Kraft-
übertragungsfederkörpers
läßt sich angenähert nach folgender Formel berechnen:
Dabei bedeuten ENmax die erforderliche Dehnung des itraftübertragungsfederkörpers
bei Nennlast, g der sogenannte Gagefaktor, der für alle Dehnungsmeßstreifen üblicherweise
gleich ist, Rro is-t der Brückenwiderstand in der Speisediagonalen bei der Meßkraft
Null, und RNo ist der Widerstand des zusätzlichen Dehnungsmeßstreifens DMS5, der
auch in mehrere Meßstreifen unterteilt sein kann. n ist die maximale Kennlinienabweichung
von einer Geraden als Relativwert, /u ist die für Meßfederkörper und Kraftübertragungsfederkörper
gleich angenommene Querkontraktionszahl und max die Längsstauchung des von einer
Druckkraft beanspruchten Meßfederkörpers bei Nennlast.
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Die Linearisierungsmaßnahmen nach Figur 3 wirken sich aus wie im Diagramm
nach Figur 4 dargestellt. Auf der X-Achse ist die Meßkraft angetragen, auf der Y-Achse
das Meßsignal. Die ohne die Linearisierungsmaßnahmen vorhandene Kennlinie bei konstantem
Brückenstrom ist voll ausgezogen. Die Wirkung auf die Kennlinie durch die mit dem
zusätzlichen Dehnungsmeßstreifen DMS5 hervorgerufene Stromerhöhung des Speisestroms
der Brücke ist in einer negativ gekrümmten, gestrichelten Kurve dargestellt. Die
resultierende Kennlinie stellt eine ausgezogene Gerade dar.
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In Figur 5 sind die Schåltungsmaßnahmen nach Anspruch 2 dargestellt.
Wieder sind vier Dehnungsmeßstreifen DMS1', DMS2', DMS3' und DMS4' zu einer Brücke
verschaltet. Die Brücke wird über die Anschlußpunkte 1' und 2' mit einem Strom I
gespeist. An der Meßdiagonalen, deren Endpunkte mit 4' und 5' bezeichnet sind, ist
ein aus zusätzlichen Dehnungsmeßstreifen DMS6 und DMS7 bestehender Spannungsteiler
angeschlossen. Das Meßsignal wird am Punkt 5'
und der Verbindung
zwischen den Dehnungsmeßstreifen DM56 und DMS7 abgenommen und mit einem Meßgerät
9 gemessen. Der Charakter der Dehnungen ist an den Dehnungsmeßstreifen angrezeicrlr.et
durch ein E bzw. das Produkt von 8 mit der QuerkonLraktionszahl mit dem jeweils
herrschenden Vorzeichen. Die zusätzlichen Dehnungsmeßstreifen DMS6 und DMS7 sind
unterschiedlich beansprucht, wobei der gestauchte Dehnungsreßstreifen DM.S7 auf
einem durch Druckkraft beanspruchten Meßfederkörper sitzt, während der gedehnte
Dehnungsmeßstreifen DM56 aui einem Kraftübertragungsfederkörper angeordnet ist.
Die erforderliche Dehnung 8 NMax des Kraftübertragungsfederkörpers bei Nennlast
läßt sich angenähert mit der folgenden Formel berechnen:
wobei die schon oben erläuterten Bezeichnungen gelten. Die Wiaerstandswerte der
Dehnungsmeßstreifen DM56 und DMS7 müssen bei fehlender Belastung annähernd gleich
groß sein.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Figur 5 ist im Diagramm der Figur
6 dargestellt. Wieder weist - wie in Figur 4 - die ursprüngliche Kennlinie eine
positive Krümmung auf, die von der Wirkung des Spannungsteilers aus den zusätzlichen
Dehnungsmeßstreifen DMS6 und DMS7, als negativ gekrümmte, gestrichelte Kurve zu
erkennen, kompensiert wird. Es ergibt sich eine als ausgezogene Gerade dargestellte
Kennlinie.
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In Figur 7 ist eine zu einem Kraftmeßumformer kombinierte Anordnung
eines als Hohlzylinder 23 ausgebildeten Meßfederkörpers und eines als becherförmiger
Zylinder 26 ausgebildeten Kraftübertragungsfederkörpers dargestellt. Der Hohlzylinder
23 sitzt auf dem Boden 20 eines von einem Deckel 21 abgeschlossenen Gehäuses 22
auf. Mi' seiner oberen ringförmigen Stirnfläche 24 stützt er einen Rand 25 des becherförmigen
Zylinders 26 ab. 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 ei-
ner Kraf-teinlei tungsstelze
30. Zum Schutz gegen Verschmutzung cler Berührungsflächen der Stelze 30 des Druckstückes
29 weist as Druckstück einen Rand 31 auf, in den eine Ringnut 32 einger:tst ist,
die zur Aufnahme einer Dichtung 33 dient. Die Dichtung 33 liegt an der Mantel fläche
der Stelze 30 und zentriert so gleichzeitig die Krafteinleitungsstelze 30 im Druckstück
29.
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Der Becher 26 und der Jtohlzylinder 23 bilden beide ein Sys-tem, die
kräftemäßig hintereinandergeschaltet sind, wobei der Becher 26 auf Zug und der Hohlzylinder
23 auf Druck beansprucht sind.
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An den Mantelflächen des als Meßfederkörper dienenden Hohlzylinders
23 sind bei der Anordnung nach Figur 3 die Dehnungsmeßstreifen DMS1, DMS2, DMS3
und DMS4 angeordnet. Der zusätzliche Dehnungsmeßstreifen DMS5 befindet sich an der
Mantelfläche des als becherförmiger Zylinder 26 gestalteten Kraftübertragungsfederkörpers.
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Bei der Linearisierungsanordnung nach Figur 5 befinden sich die Dehnungsmeßstreifen
DMS1', DMS2', DMS3' und DMS4' sowei der Dehnungsmeßstreifen DMS7 ebenfalls am als
Meßfederkörper dienenden Hohlzylinder 23, während der Dehnungsmeßstreifen DMSo auf
dem becherförmigen Zylinder 26 angeordnet ist.
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Die Aufgaben des Meßfederkörpers und des Kraftübertragungsfederkörpers
können auch vertauscht werden. Die Anbringung der Dehnungsmeßstreifen ist dann entsprechend
zu ändern.