DE3021734A1

DE3021734A1 - Einrichtung zur messung kleiner gewichte

Info

Publication number: DE3021734A1
Application number: DE19803021734
Authority: DE
Inventors: Sandor Prof. Dr. Budapest Kovacs
Original assignee: Vasipari Kutato Intezet
Current assignee: Vasipari Kutato Intezet
Priority date: 1979-11-06
Filing date: 1980-06-10
Publication date: 1981-05-14
Also published as: GB2063495B; GB2063495A; JPS6216368B2; SU1336953A3; AT383679B; DD151808A1; HU180975B; FR2468891A1; DE3021734C2; FR2468891B1; US4344495A; JPS5667727A; ATA300380A

Description

Einrichtung zur Messung kleiner Gewichte

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Messung kleiner Gewichte. Die Gewichtsmessung ist eine der am meisten verbreiteten Meßaufgaben. Zu ihrer Lösung wurden im Verlaufe der Zeiten die verschiedensten Konstruktionen entwickelt. Eine der ältesten Waagenbauarten benutzt das Prinzip des gleicharmigen bzw. ungleicharmigen Hebels. Bei diesen Waagen wird das Gleichgewicht durch das Auflegen oder Abnehmen von Gewichten hergestellt. Der Meßwert der gemessenen Masse wird durch Abzählen der aufgelegten Gewichte oder aufgrund ihrer Verschiebung bestimmt.

In heutiger Zeit werden zahlreiche neuere physikalische Eigenschaften zur Gewichtsmessung benutzt. So werden unter anderen die durch elastische Deformation verursachte Dehnung oder Torsion, weiterhin die durch Krafteinwirkung auftretenden Änderungen der mechanischen, elektrischen, magnetischen, optischen und dergleichen Kennwerte verwendet .

Mit der Verbreitung der Elektronik werden weitläufig auf dem Prinzip der Elektrizität beruhende Meßmethoden angewandt, deren physikalische Grundlage durch die piezoresistive Erscheinung geliefert wird. Die auf dieser Grundlage angefertigten Dehnungsmeßstreifen eignen sich zur Messung des Gewichtes und sonstiger Kräfte in einem Bereich von einigen Milligramm bis zu mehreren hundert Tonnen.

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Zur Verwirklichung sämtlicher der angeführten Meßprinzipien ist jedoch eine mechanische Konstruktion erforderlich, mit deren Hilfe ein Gleichgewicht zwischen der zu messenden Kraft und dem zur Messung benutzten Parameter herbeigeführt werden kann.

Bei der Schaffung des Gleichgewichtes weicht jedoch die Wirkungslinie der zu messenden Kraft meistens von der Wirkungslinie der mit ihr das Gleichgewicht haltenden Kraft ab. Das ist zum Beispiel der Fall bei den auf der Anwendung von Hebelarmen beruhenden Waagen. Muß jedoch zur Herbeiführung des Gleichgewichtes in irgendeinem zur Konstruktion gehörenden Teil ein innerer mechanischer Spannungsraum geschaffen werden, d.h. daß der Meßwert durch die Materialkennwerte erhalten wird, so müssen das zu messende Gewicht und der bis zum Gleichgewicht entstandene Spannungsraum bis zur Wirkungslinie seiner von einer bestimmten Fläche genommenen Resultante zusammenfallen.

Es ist auch eine Lösung bekannt, bei der sich die Wirkungslinien gegenseitig schneiden. Ein solcher Fall entsteht, wenn in dem Hebelmechanismus die beiden Angriffspunkte und der Abstützpunkt nicht in eine Ebene fallen, oder z.B. bei der Verwendung eines Pendels. Bei diesen Konstruktionen wird die Messung durch die bekannten geometrischen Verhältnisse und die das bekannte Gleichgewicht zustandebringenden Kräfte ermöglicht. Zur Messung wird jedoch stets nur eine einzige Kraft verwendet.

Weiterhin gibt es Meßaufgaben, bei deren Lösung der Meßwert der zu messenden Kraft aus zwei oder mehreren bekannten Kräften bestimmt wird. Ein solcher Vorgang ist z.B. die mit Hilfe eines einfach aufliegenden Balkens vorgenommene Messung.

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Die beschriebenen Meßprinzipien von praktischen Lösungen ermöglichen auch die Messung von kleinen Kräften. Mit der Weiterentwicklung der Technik tritt jedoch die Forderung auf, unter Anwendung mechanischer und elektrischer Methoden auch die genaue Messung kleinster Kräfte zu ermöglichen.

Der weiteren Durchsetzung der elektrischen Methoden sind dadurch Schranken gesetzt, daß das zur Verfugung stehende kleine Gewicht keine ausreichende mechanische Spannung zustandebringen kann, um eine meßbare Deformation oder Änderung eines Materialkennwertes herbeizuführen. Aus diesem Grunde ist die Entwicklung einer Konstruktion erforderlich, die eine Verstärkung der zur Verfügung stehenden zu messenden Kraft bewirkt. Derartige Ausführungsformen bewirken in der Meßeinrichtung gleich einem Transformator eine Verstärkung des zu messenden Gewichtes. Eine derartige Konstruktion ist z.B. der ungleicharmige Hebel, der die zu messende Kraft im Verhältnis der Hebelarme erhöht. Dies bedeutet, daß man die Länge des Hebelarmes bis zur gegebenen Grenzlinie um so viel Mal kleiner wählen muß, um wieviel Mal größer die Kraft sein soll.

Bei derartigen Ausführungsformen setzen die Fertigungstoleranzen der erreichbaren Genauigkeit Grenzen, und so ist in gewissen Maßbereichen bereits eine genaue Messung nicht mehr möglich. Hierbei kommt es bei der Verwendung derartiger Konstruktionen auch zu einer ungünstigen Veränderung der Zeitkonstanten und sonstiger Kennwerte des Systems·

Ziel vorliegender Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zur Messung von kleinen Gewichten, mit der eine

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etwa 5-100-fache Erhöhung der zu messenden Kräfte verwirklicht werden kann, die Fertigungsmaßsteuerung die Messung im wesentlichen nicht beeinflußt und mit der in dieser Weise genaue Messungen vorgenommen werden können.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß die Einrichtung aus zwei mindestens je drei Meßarme enthaltenden Einheiten besteht, wobei die Verbindungspunkte der Meßarme der Einheiten mittels einer Spannstange verbunden sind und die freien Enden der Meßarme in einer Weise an ein einziges starres Element angeschlossen sind, daß die Verbindungspunkte der Meßarme in den Einheiten außerhalb der durch die an das starre Element angeschlossenen Enden bestimmten Ebenen liegen.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung sind die Meßarme und die Spannstange vorzugsweise als Zugstäbe ausgebildet.

Die Meßarme können symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet sein. Im Falle einer symmetrischen Anordnung sind die Meßarme der oberen Einheit im Vergleich zu den Meßarmen der unteren Einheit bevorzugt um 180° verdreht angeordnet.

Die Angriffslinie der zu messenden Kraft fällt vorteilhaft mit der geometrischen Achse der Spannstange zusammen, um so die Summierung einfacher vornehmen zu können.

Bei der Einrichtung sind bevorzugt die Meßarme und auch die Spannstange mit einem Verstellmechanismus versehen, um im Interesse der Beseitigung von Ungenauigkeiten eine Vorspannung herbeiführen zu können.

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In die Meßarme können Kraftmeßglieder, vorzugsweise Widerstands-Dehnungsmesser (Dehnungsmeßstreifen), eingebaut sein. Die Widerstands-Dehnungsmesser sind in eine halbe oder vollständige Brücke eingeschaltet und so erhält man ein zu der zu messenden Kraft proportionales Ausgangssignal.

Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung sind aus einer Ausführungszeichnung ersichtlich und werden nachfolgend erläutert. In der Zeichnung ist

Fig. 1 die den Grundgedanken der Erfindung beschreibende Skizze,

Fig. 2 die Zeichnung des bekannten Bockgestells,

Fig. 3 das Prinzipschema einer zweckdienlichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 4 ein Detail einer konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 5 die Darstellung der Anordnung der Meßwiderstände und

Fig. 6 das Meßschema im Falle der Verwendung von Meßwiderständen .

Der Erfindung liegt folgender Gedankengang zugrunde. Bekannt aus der Praxis der Mechanik ist, daß zum waagerechten Ausspannen eines Seiles endlose Kräfte erforderlich sind. Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß zu der in Punkt D des in den Punkten A und B eingespannten Seiles senkrecht wirkenden Kraft F in Abhängigkeit vom Winkel oC ziem-

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lieh große Reaktionskräfte R und R, gehören können. Die Punkte A, B und D liegen in einer Ebene und die Kraft F bringt eine stabile Lage des Seils zustande. Die in mechanischen Systemen stets vorhandenen Schwingungen können jedoch den Punkt D leicht aus seiner stabilen Lage bewegen und das Systems dadurch instabil machen.

Dies kann dadurch verhindert werden, daß man den Punkt D an den in der von der Richtung AB abweichenden Richtung CE liegenden Punkten C und E anbindet. In dieser Weise kann diese leicht umkippbare stabile Lage mit Hilfe der in der Richtung CD und DE wirkenden Kräfte aufrechterhalten werden. Die Konstruktion ist jedoch auch so statisch unbestimmt.

Eine statisch bestimmte Lage kann man durch ein an den Punkten A, B und C abgestütztes System gewährleisten, das einen gemeinsamen Punkt D besitzt und in dem in den Richtungen AD, BD und CD Stäbe oder Seile vorgesehen sind. Diese Konstruktion ist in der Mechanik unter dem Namen Bockgestell seit langem bekannt (s. Fig. 2). In dieser Weise kann durch Vereinigung des Seilzugprinzips und des Bockgestells eine Konstruktion zustandegebracht werden, die die Bestimmung einer tatsächlich wirkenden Kraft durch Messung der Stabkräfte in Kenntnis der geometrischen Verhältnisse der Konstruktion ermöglicht.

Die Gleichgewichtsverhältnisse bei dem aus Fig. 2 ersichtlichen Bockgestells können in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Knotenpunktes D und der Punkte A, B, C untersucht werden. Durch eine Verbindung von zwei derartigen Bockgestellen in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise kann die erfindungsgemäße Einrichtung hergestellt

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werden. Bei der aus Fig. 3 ersichtlichen Ausführungsform ist die Einrichtung eine aus Gelenken und Stäben bestehende Konstruktion, bei der die in den Punkten A, B, C befindlichen Gelenke des einen Blockgestells in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind. In ähnlicher Weise sind auch die in den Punkten L, M und N befindlichen Gelenke des anderen Blockgestells entlang eines Kreisbogens angeordnet. Die freien Enden der Blockgestellstäbe sind in den Punkten S. bzw. S_ miteinander verbunden. Die Punkte S. und S„ sind durch eine Spannstange (Spreize) verbunden. Wirkt nunmehr auf dieses im Gleichgewicht befindliche System die in der Figur dargestellte Kraft, das Gewicht G ein, so verschieben sich die an den Enden der Spannstange befindlichen Punkte S₁ und S„ um den Wert Ä>L, d.h. die Stäbe der oberen Einheit werden gedehnt und die Stäbe der unteren Einheit zusammengedrückt. Nach der Deformation gelangt das System erneut ins Gleichgewicht.

Sind daher die Parameter des Systems (Geometrie, Größe der Stabkräfte) vor der Einwirkung des Gewichtes G bekannt, so kann die unbekannte Größe des Gewichtes G aus der veränderten Größe der Stabkräfte bestimmt werden. In der Praxis ist die Größe der in den Stäben entstehenden Kräfte vorzugsweise mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen zu bestimmen. Ein derartiges Dehnungsmeßstreifen verwendendes System ist in Fig. 4 dargestellt. Hier sind der Einfachheit halber lediglich je ein als Meßarm ausgeführter Stab dargestellt. Aus der Zeichnung ist zu ersehen, daß in die Meßarme Kraftmeßglieder 1 eingebaut sind. Darüberhinausgehend sind sämtliche Meßarme mit Stellvorrichtungen 2 versehen, um die Vorspannung des Systems verwirklichen zu können. Wegen der Unsicherheit durch Ferti-

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gungstoleranzen, Passungsspiele sowie der Wirkungslinien der zu messenden Kräfte ist im System vorzugsweise eine gewisse Vorspannung vorzusehen, um dadurch die Beseitigung der vorgenannten Unsicherheiten herbeizuführen. Bei der dargestellten Ausfuhrungsform sind die Meßarme der einzelnen Einheiten an Gelenke 3 angeschlossen, deren Stellung mittels der Gewindestellvorrichtung 2 in Stablängsrichtung verändert werden kann, wobei in den die beiden Einheiten verbindenden Stab ebenfalls eine Gewindestellvorrichtung 2 eingebaut ist.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird die Messung in der Weise vorgenommen, daß man nach Verwirklichung der entsprechenden Vorspannung bei den Kraftmeßgliedern 1 den Zustand P=O einstellt und hiernach die Belastung G auf das System einwirken läßt. Hierbei kommt es zu einer Verlängerung bzw. Verkürzung der Stäbe der Einrichtung und in den zu ihnen gehörenden Gelenken entstehen Reaktionskräfte, mit denen die in den Kraftmeßgliedern 1 gemessenen Kräfte das Gleichgewicht halten. Aufgrund der vektoriellen Summierung der abgelesenen Werte kann die unbekannte Belastungskraft G einfach bestimmt werden.

Die Einrichtung ist vorzugsweise so zu gestalten, daß die Wirkungslinie der zu messenden Belastungskraft G mit der geometrischen Achse des Spannstabes zusammenfällt, da die Berechnung in diesem Falle am einfachsten vorgenommen werden kann. Natürlich kann die Summierung auch in jedem anderen Falle durchgeführt werden.

Unter Berücksichtigung des Umstandes, daß bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der Gleichgewichtszustand zwischen Kraftvektoren zustandekommt, bedeutet die Messung

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im wesentlichen eine vektorielle Addition bzw. Subtraktion. Dies kann außerordentlich einfach als Addition von elektrischen Spannungen gelöst werden, wobei ein direkt zur Belastung proportionales Ausgangssignal hergestellt werden kann.

Vorzugsweise sind in den einzelnen Kraftmeßgliedern zur Ausbildung einer vollständigen oder einer halben Meßbrücke ausreichende Widerstandsdehnungsmesser zu verwenden. In Fig. 5 ist die Anordnung der in den einzelnen Kraftmeßgliedern vorgesehenen Widerstände R dargestellt, wobei aus den angeordneten Widerständen eine vollständige Meßbrücke aufgebaut werden kann. Die Forderung nach einer Kraftmessung mit hoher Genauigkeit kann in der Weise erfüllt werden, daß die einzelnen Kraftkomponenten P_Ä, P , P„ bzw. P_r, P_M und P^. mit selbständigen Kraftmeßgliedern gemessen werden. Dazu wird aus den bei den einzelnen Kraftmeßgliedern befindlichen vier Widerständen R₁ , R~, R_. und R₄ gemäß Fig. 6 eine vollständige Meßbrücke aufgebaut. Die Meßzellen sowohl der ersten als auch der zweiten Einheit werden parallel geschaltet und die beiden Ausgangssignale werden summiert. So erhält man das zu der zu messenden Kraft proportionale Ausgangssignal.

Aus vorstehenden Ausführungen ist zu ersehen, daß die erfindungsgemäße Lösung eine im beliebigen Ausmaße erfolgende Hochtransformierung und dadurch genaue Messung von sehr kleinen Kräften ermöglichen. Obwohl in dem dargestellten Beispiel die einzelnen Einheiten jeweils drei Stäbe enthalten, kann die Einrichtung auch unter Verwendung von mehr als drei Meßarmen pro Einheit ausgeführt werden. Es entspricht einer eine unendliche Zahl von

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Meßarmen enthaltenden Ausführungsform, wenn bei der Einrichtung als an die Spannstange (Spreize) angeschlossene Einheiten Membranen verwendet werden. Die Messung bzw. die Berechnung kann auch mit einer Einrichtung vorgenommen werden, bei der die Stangen nicht symmetrisch angeordnet sind. Die Meßeinrichtung kann auch so aufgebaut werden, daß anstelle von angelenkten Stäben eingespannte Träger verwendet werden, wobei in diesem Falle die auftretenden Momente berücksichtigt werden müssen. Im Falle einer derartigen Lösung sind vorzugsweise Stäbe gleicher Festigkeit zu verwenden .

Die erfindungsgemäße Waage ist somit entsprechend Fig. 3 aus zwei über eine Kupplungsstange miteinander gekuppelten Meßeinheiten aufgebaut, die jeweils aus wenigstens drei Meßarmen bestehen, welche an einem gemeinsamen Knotenpunkt S₁ bzw. S„ miteinander verbunden sind und mit ihren dem Knotenpunktende abgewendeten Enden A, B. C bzw. L, M, N, die vorzugsweise in einer gemeinsamen horizontalen Ebene liegen, an einem starren Verbxndungskorper der beiden Meßeinheiten befestigt sind. Der Knotenpunkt S₁ bzw. S₃ jeder der Meßeinheiten liegt außerhalb der die Befestigungsenden A, B, C bzw,. L, M, N der Meßarme enthaltenden Ebene. Durch die Kupplungsstange werden die Knotenpunkte S₁ und S„ der Meßeinheiten starr verbunden. Der Winkel zwischen der die Befestigungsenden der Meßarme enthaltenden Ebene und der Achse jedes Meßarmes ist vorzugsweise möglichst klein.

Die Ebene, in welcher die Befestigungsenden der Meßarme der einen Meßeinheit liegen, verläuft vorzugsweise parallel zu der die Befestigungsenden der Meßarme der anderen Meßeinheit enthaltenden Ebene. Zu diesen Ebenen verläuft

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die Kupplungsstange vorzugsweise senkrecht. Wenngleich es möglich ist, den Knotenpunkt S. der einen Meßeinheit gegenüber der die Befestigungsenden ihrer Meßarme enthaltenden Ebene in dieselbe Richtung wie den Knotenpunkt S- der anderen Meßeinheit zu versetzen, wird eine Ausfuhrungsform entsprechend Fig. 3 bevorzugt, bei welcher die Knotenpunkte S₁ und S„ zwischen der die Befestigungsenden A, B, C der Meßarme der einen Meßeinheit, und der die Befestigungsenden L, M, N der Meßarme der anderen Meßeinheit enthaltenden Ebene liegen.

Die Meßarme bzw. Meßstäbe beider Meßeinheiten sind vorzugsweise gleich lang und schließen miteinander gleiche Winkel ein, so daß sie die Seitenkanten einer gedachten, von ihnen eingeschlossenen regulären Pyramide bilden.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE

VIERING & JENTSCHURA

zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt w U A I / ν H

Dipl.-Ing. Hans-Martin Viering · Dipl.-Ing. Rolf Jentschura · Steinsdorfstraße 6 · D-8000 München

Anwaltsakte 3693 10. Juni 1980

Vasipari Kutato Intezet,
Budapest / UNGARN

Einrichtung zur Messung kleiner Gewichte

PATENTANSPRÜCHE

Einrichtung zur Messung kleiner Gewichte, dadurch
gekennzeichnet, daß sie aus zwei mindestens je drei miteinander in einem Punkt verbundene Meßarme enthaltenden Einheiten besteht, wobei die Verbindungspunkte (S₁, S_?) der Meßarme der einzelnen Einheiten durch eine Spannstange (Spreize) verbunden sind und die freien Enden der Meßarme an ein einziges starres Element in der Weise angeschlossen sind, daß in den Einheiten die Verbindungspunkte der Meßarme außerhalb der durch die an das starre Element angeschlossenen Enden der Meßarme bestimmten Ebenen liegen.

I/w -2-

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Steinsdorfstraße 6 Telex: S 212 306 jopa d Postscheck München 3067 20-801

D-BOOO München 22 Telegramm: Steinpat München Bayerische Vereinsbank München 567 895

Telefon: (0 89) 29 34 13 Telekopierer: (0 89) 222 066 Raiffeisenbank München 0321818

(0 89) 29 3414 (Siemens CCITT Norm Gruppe 2) Deutsche Bank München 2 711 687

ORIGINAL INSPECTED
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßarme als Zugstäbe ausgeführt sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannstab (Spreize) als Zugstab ausgeführt ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßarme an das starre Element angelenkt sind.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßarme an das starre Element, als eingespannte Träger angeschlossen sind.
6. Ausführungsform der Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßarme als Elemente gleicher Festigkeit ausgeführt sind.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßarme symmetrisch angeordnet sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßarme der oberen Einheit im Vergleich zu den Meßarmen der unteren Einheit in einer um 180° versetzten Stellung angeordnet sind.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßarme asymmetrisch angeordnet sind.

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10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die eine Einheit mit Meßarmen unendlicher Zahl als Membrane ausgeführt ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkungsline der zu messenden Kraft (G) mit der geometrischen Achse des Spannstabes (der Spreize) zusammenfällt.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßarme mit einer Stellvorrichtung (2) versehen sind.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannstab (die Spreize) mit einer Stellvorrichtung (2) versehen ist.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in die Meßarme Kraftmeßglieder (2) eingebaut sind.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßglieder (2) Widerstands-Dehnungsmesser sind.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands-Dehnungsmesser zu einer halben Meßbrücke zusammengeschaltet sind.
17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands-Dehnungsmesser zu einer vollständigen Meßbrücke zusammengeschaltet sind.

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