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Komplexes Meßelemen t mit Dehnungsmeßstreifen
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für eine Kraftmeßzelle Die Erfindung betrifft ein komplexes Meßelement
mit Dehnungsmeßstreifen für eine Kraftmeßzelle, wobei das Meßelement mindestens
vier Dehnungsmeßstreifen enthält, deren Signale dann durch Einschalten der Meßstreifen
in eine Wheatstonsche-Brücke weiterverarbeitet werden können.
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Meßelemente mit Dehnungsmeßstreifen bzw. Kraftmeßzellen, die diese
Meßelemente enthalten, sind im allgemeinen für Meßbereiche von 5N -lOMN vorgesehen
und so hergestellt, daß die erreichbare Meßgenauigkeit 0,03 - 0,5-ist. Kraftmeßzellen
der erwähnten Art werden in breitem Maße in aller Welt hergestellt. In den letzten
3ahrzehnten sind aber die Ansprüche an eine genauere Messung größer geworden, was
auf eine wirtschaftliche Produktion, die Automatisierung bzw. auf die Entwicklung
der Regelungstechnik zurückgeführt werden kann, was natürlich sinngemäß den Bedarf
an genaueren Meßumformern mit sich brachte. Leider können diese an die erhöhte Genauigkeit
gestellten Forderungen nur mit recht wenigen Kraftmeßzellen erfüllt werden; auch
diese sind nur in dem Mittelbereich des Meßbereichs verwendbar. Der Grund dafür
liegt darin, daß die bekannten Kraftmeßzellen so ausgestaltet sind, daß die Stelle,
an der unter der Kraftwirkung die größte Spannung hervorgerufen wird, gleichzeitig
die Stelle ist, die auch der größten Belastung ausgesetzt ist.
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Es ist wohlbekannt, daß die Kraftmeßzellen viel bessere relative Parameter
zeigen als die angegebene Spezification (so z.B. Linearität, Wiederholungsfehler),
wenn nur ein Teil des Meßbereiches ausgenutzt wird.
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Die Erklärung dieser Erscheinung kann auf zwei Ursachen zurückgeführt
werden. Einerseits ist dann das Material wesentlich geringer beansprucht als an
der Elastizitätsgrenze und anderseits stellt sich, wenn die Kraftmeßzelle einer
starken mechanischen Belastung ausgesetzt ist, oft eine Deformation ein, die auf
die Beanspruchung zurückwirkt, bzw. weist die Zelle irgendeinen eigenartigen, sich
aus der Gestaltung ergebenden tendenziösen Fehler auf. In solchen Fällen kann die
Fehlerkurve eigentlich als regelmäßig betrachtet werden, d.h. sie weist keinen Infiexionspunkt
auf.
Wird nun ein Teil davon verwendet, kann man verhältnismäßig genauer messen. Da aber
in dem letzteren Fall nur kleinere Ausgangssignale gemessen werden können, müssen
höchstpräzise signalverarbeitende elektronische Schaltungen angewandt werden.
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Kraftmeßzellen weisen auch ständige Fehler auf. Als solche sollen
z.B.
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der Null fehler oder die Temperaturabhängigkeit erwähnt werden. Bei
einem kleinen Signal erscheinen diese Fehler als größere relative Fehler, was ebenfalls
recht nachteilig ist. Der durch die Hysterese der Kraftmeßzelle hervorgerufene Fehler
kann ein relativer oder absoluter Fehler sein, und zwar abhängig davon, ob er aus
der inneren Reibung des Materials oder aus der Reibung von miteinander im Kontakt
stehenden (z.B.
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kraftzuführenden) Elementen resultiert. Demnach sind die gegenwärtig
bekannten Kraftmeßzellen so gestaltet, daß nach einer möglichst geringen Belastung,
gleichzeitig aber nach einem möglichst großen erreichbaren Ausgangssignal gestrebt
wird. Die Ausgestaltung einer Meßzelle ist Immer ein Erfolg eines Kompromisses zwischen
den beiden erwähnten Parametern.
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Die Zielsetzung der Erfindung besteht darin, ein komplexes Meßelement
für Kraftmeßzellen zu entwickeln, mit dem die erwähnten Mangelhaftigkelten so eliminiert
werden, daß die Messung an der Stelle der höchsten Spannung durchgeführt wird, und
zwar derart, daß die beiden einander im wesentlichen widersprechenden obenerwähnten
Forderungen miteinander verknüpft werden, indem in dem lasttragenden Hauptelement
des Meßelements die mechanische Spannung niedrig gehalten wird und das hohe Ausgangssignal
durch eine hohe mechanische Spannung erreicht wird, die In einem an das lasttragende
Hauptelement angeschlossenen, wesentlich kleineren, zwangsdeformierten Meßsteg entsteht.
Auf diese Weise ist die Deformation des lasttragenden Hauptelements linear und weitgehend
stabil, die dann dem wesentlich kleineren Meßsteg aufgezwungen wird, auf dem auch
die Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind. Diese Lösung, die vollständig im Gegensatz
zu den üblichen, auf minimale Abmessungen gerichteten Planungsbestrebungen steht,
wurde im Interesse einer erhöhten Genauigkeit entwickelt.
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Demnach bezieht sich die Erfindung auf ein komplexes Meßelement mit
Dehnungsmeßstreifen für eine Kraftmeßzelle, das einen Grundkörper und mindestens
vier daran befestigte Dehnungsmeßstreifen enthält und das dadurch gekennzeichnet
werden kann, daß in den parallelen Wänden des hohlen Grundkörpers axialsymmetrisch
vier Stützstege ausgebildet sind, die an eine zu der Ebene des Grundkörpers parallel
verlaufende Kraftangriffs fläche angeschlossen sind, welcher ein in der Achse des
Meßelements angeordneter, in den Hohlraum des Grundkörpers hineinragender Klotz
zugeordnet ist, daß zwischen dem Klotz und der Innenseite der Bodenwandung des Grundkörpers
ein Spalt ausgebildet ist und daß zwischen dem Klotz und den beiden parallelen Innenseiten
der den Hohlraum des Grundkörpers begrenzenden Seitenwandungen je ein den Klotz
mit den Seitenwandungen verbindender, die höchste Spannung aufnehmender, aber der
Last nicht unmittelbar a usgesetzter, zwangsdeformierter Meßsteg ausgebildet ist,
an dessen beiden Seiten wenigstens je ein Dehnungsmeßstreifen in der Spannungsrichtung
angeordnet ist, so daß insgesamt mindestens vier Dehnungsmeßstreifen vorhanden sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen komplexen
Meßelements ist zwischen den Stützstegen und der Kraftangriffsfläche eine geeignet
dicke parallele Flach platte angeordnet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen komplexen
Meßelements kann dadurch gekennzeichnet werden, daß der Grundkörper mit einem zum
Einspannen geeigneten Vorsprung versehen ist, wodurch Zug und Druck gleicherweise
gemessen werden können.
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So besteht gegenüber den bekannten Lösungen der Unterschied, daß die
Dehnungsmeßstreifen nicht auf das lasttragenden Hauptelement aufgeklebt sind, sondern
auf gesonderte, aber mit demselben in einer Zwangsdeformationsverbindung stehende
Meßstege aufgeklebt werden, in denen die mechanische Spannung dem Mehrfachen der
im lasttragenden Hauptelement entstehenden Spannung entspricht.
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Das erfindungsgemäße Meßelement wird anhand einiger vorteilhafter
Ausführungsbeispiele mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt: Fig. 1 ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei
dem im wesentlichen das Prinzip des erfindungsgemäßen komplexen Meßelements beobachtet
werden kann, Fig. 2 die Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das zweckmäßig
zur Messung einer Belastung unter 1 Tonne geeignet ist, Fig. 3 die Ansicht einer
weiteren Ausführungsform, Fig. 4 die Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung, das sowohl auf Zug wie auch auf Druck beansprucht werden kann, Fig. 5
den Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 4 und Fig. 6 den axialen Schnitt des Meßelements
aus Fig. 4.
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Aus Fig. 1 sind die wesentlichen Merkmale eines erfindungsgemäßen
Meßelementes wenigstens schematisch ersichtlich. Der Grundkörper 4 des Meßelementes
ist als hohles Rechteckprisma mit einer geschlossenen Bodenwandung, einer geschlossenen
Decken wandung und zwei parallelen Seltenwandungen ausgebildet. Die Decken wandung
hat an den den Seitenwandungen benachbarten Seitenrändern eine geringere Wandstärke
als dlejenige der Bodenwandung und geht an der Innenseite über abgerundete Hohikehlen
in die Seitenwandungen über. In Höhe dieser Hohikehlen ist in den Seitenwandungen
eine parallel zur Decken wandung verlaufende, lang-Iochförmige Aussparung mit abgerundeten
Enden ausgebildet. Dadurch entstehen in den der Deck en wandung benachbarten Enden
der Seitenränder der Seitenwandungen insgesamt vier zur Achse des Meßelementes,
die durch den geometrischen Mittelpunkt der reehteckigen Deckenwandung verläuft,
rotationssymmetrisch angeordnete Stützstege 1, über welche die Decken wan dung an
den Seitenandungen abgestützt ist.
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Am unteren Ende der Hohikehlen, das mit der unteren Begrenzungsfläche
der langlochartigen Aussparungen zusammenfällt, wird von den Seitenwandungen in
deren Mittelbereich ein nach innen ragender Ansatz gebildet, wobei die Innenflächen
8 der Ansätze parallel zueinander senkrecht zu der Deckenwand und der Bodenwand
des Grundkörpers 4 verlaufen.
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Von der Unterkante der Ansätze aus gehen die Seitenwände ebenfalls
über eine abgerundete Hohlkehle in die Bodenwandung über.
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In der Mitte der Oberseite der Decken wandung ist diese podestartig
verdickt, wobei die Seitenwangen der Verdickung über Abrundungen in die Oberseite
der den Seiten wandungen benachbarten Seitenränder der Decken wandung übergehen.
Von der Oberseite der Verdickung wird die Kraftangriffsfläche 6 gebildet, die senkrecht
zu der genannten Achse des Meßelementes verläuft. Es wird jedoch darauf hingewiesen,
daß die Verbindung zwischen den parallel zu der Richtung der auf die Kraftangriffsfläche
6 einwirkenden Kraft ausgerichteten Stützstegen 1 und der Kraftangriffsfläche 6
auch anders gestaltet sein kann, als am Beispiel der Fig.
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1 beschrieben.
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Unter der Kraftangriffsfläche 6 sitzt an der Unterseite der Deckenwandung
ein als Rechteckprisma ausgebildeter massiver Klotz 2, dessen vertikale Achse mit
der Achse des Meßelementes zusammenfällt und der über seitliche Hohikehlen in die
Decken wandung übergeht. Seine Seitenflächen verlaufen parallel zu den Innenflächen
8 der seitlichen Ansätze der Seitenwandungen. Zwischen der Unterseite des Klotzes
2, die parallel zu der Bodenwandung des Grundkörpers 4 verläuft, und der Bodenwandung
bzw. einem auf deren Oberseite ausgebildeten, nach oben ragenden Sockel ist ein
Spalt 7 ausgebildet. Die Weite des Spaltes 7 muß wenigstens so groß sein wie die
maximale Auslenkung der Kraftangriffsfläche 6 und daher die maximale Verschiebung
des Klotzes 2 unter Krafteinwirkung. Durch eine entsprechende Spaltweite kann die
maximale Verformung der Decken wandung zum Schutz gegen eine Zerstörung des Meßelementes
unter einer übermäßigen Krafteinwirkung auf einen zulässigen Wert begrenzt werden.
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Der Klotz 2 ist mit den Seitenwandungen des Grundkörpers 4 über jeweils
einen plattenförmigen Meßsteg 3 verbunden, der in der die Achse des Meßelementes
enthaltenden Ebene zwischen den Seitenflächen des Klotzes 2 und den Innen flächen
8 der Seitenwandungen angeordnet ist.
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Die beiden Meßstege 3, deren oberer und unterer Stirnrand ausgerundet
ist, dienen zur Übertragung der Verschiebungsgröße des Klotzes 2 aufgrund der auf
die Kraftangriffsfläche 6 einwirkenden Kraft über eine entsprechende, in den Meßstegen
3 erzeugte Spannung auf Dehnungsmeßstreifen. 3eweils ein Dehnungsmeßstreifen 5 (Fig.
3) ist auf jeder Seite der Meßstege 3 in der Hauptspannungsrichtung angeordnet,
so daß insgesamt vier Dehnungsmeßstreifen 5 vorhanden sind, die in an sich bekannter
Weise in eine Wheatstone-Brücke eingeschaltet werden. In der Meßbrücke wird das
Ausgangssignal des Meßelementes so umgeformt, daß das Ausgangssignal der Brücke
zu der Kraft bzw. Belastung proportional ist.
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Der Vorteil der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besteht darin,
daß das Meßelement - da die parallel zur Kraftrichtung angeordneten Stützstege 1
verhältnismäßig weit im Abstand voneinander angeordnet sind -, weitgehend stabil
und ziemlich richtungsunempfindlich ist.
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Die in Fig. 2 dargestellte Aus führungs form weist im wesentlichen
einen ähnlichen Aufbau wie die aus Fig. 1 auf; sie kann lediglich bei kleineren
Meßbereichen verwendet werden, da die Stützstege 1 auf eine wesentlich kleinere
Belastung dimensioniert und daher viel dünner sind.
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Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Bei dieser Ausführungsform
ist ein zylindrischer Grundkörper 4 vorgesehen; im übrigen stimmt sie jedoch mit
den vorerwähnten Ausführungsformen grundsätzlich überein.
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Aus den Fig. 4, 5 und 6 ist eine Ausführungsform ersichtlich, bei
welcher das Meßelement sowohl auf Zug als auch auf Druck beansprucht werden kann,
da sowohl an der Oberseite als auch der Unterseite des Grundkörpers 4 ein zum Einspannen
geeigneter Zapfen 9 ausgebildet ist. Ein der-
artiges Meßelement
kann z.B. in Zugprüfmaschinen- eingespannt werden, wo die Elemente sowohl auf Zug
als auch auf Druck geprüft werden können.
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Für die erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist aus der Zeichnung
eindeutig ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Meßelement so ausgebildet ist, daß
im Falle, daß einer oder beide Meßstege 3 infolge irgendwelches Schadhaftwerdens
zerreißt oder zerbricht, die Belastung des lasttragenden Hauptelementes 6 sich nicht
wesentlilch ändert. Hierin liegt eben eine grundsätzliche Eigenschaft des erfindungsgemäßen
Meßelementes.
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Eine solche Eigenschaft kann bei den bekannten Meßzellen nicht aufgefunden
werden, denn bei den bekannten Meßzellen kann eine vergleichbare Beschädigung auch
zum Verlust der lasttragenden Funktion führen.
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Die in weitem Abstand voneinander angeordneten Stützstege 1 gewährleisten
eine hochgradige Stabilität für das ganze System.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen komplexen Meßelements liegen daher
darin, daß es auch bei der dynamischen Belastung mit hoher Genauigkeit mißt, richtungsunempfindlich
ist, und bei ihnen keine Möglichkeit zur Überlastung gegeben ist, weil bei einem
eventuellen Bruch der Meßstege 3 sich die Belastung des lasttragenden Hauptelementes
6 kaum ändert.
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Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Meßelementes können die lasttragenden
Hauptelemente - innerhalb der Grenzen der technischen Möglichkeiten - überdimensioniert
werden, da nur ihre Deformation von Bedeutung ist. Daher kann auch bei großen Meßbereichen
der Schutz gegen Bruch realisiert werden, weil die als Fühler verwendeten Dehnungsmeßstreifen
zwar an der Stelle der höchsten Spannung, nicht aber an der Stelle der größten Belastung
angeordnet sind. Der Schutz wird durch die Gestaltung des Grundkörpers 4, der Stützstege
1, der Kraftangriffs fläche 6 und deren gegenseitigen Verbindung erreicht. Eine
weitere Garantie wird dadurch gewährleistet, daß zwischen den Stützstegen 1, der
Kraftangriffsfläche 6 und dem Grundkörper 4 eine Deformationsverbindung über die
dazwischen liegenden zwangsdeformierten Meßstege 3 besteht. Sogar dann, wenn der
Teil hoher mechanischer Spannung aus
dem Meßelement entfernt wird,
wird die Deformation sich nicht auf das Doppelte erhöhen und auch die Belastungsfähigkeit
wird nicht bedeutend abnehmen.
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