DE3635787C2 - Einrichtung zur Messung einer physikalischen Größe und insbesondere zur Messung von Abständen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung einer physikalischen Größe und insbesondere zur Messung von Abständen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus der DE-PS 32 05 705 bekannt. Bei dieser bekannten Einrichtung wird zur Messung einer physikalischen Größe, beispielsweise zur Messung einer Kraft, eines Drucks, einer Beschleunigung oder eines Drehmoments eine Schraubenfeder verwendet, deren Induktivitätsänderung aufgrund der durch die zu messende physikalische Größe verursachten Längenänderung gemessen wird.

In dieser Patentschrift - auf die im übrigen hinsichtlich aller nicht erläuterten Einzelheiten ausdrücklich Bezug genommen wird - stehen die Eigenschaft des Federwerkstoffs im Vordergrund, die die Induktivitätsmessung bzw. die Messung der Änderungen der Induktivität verbessern. Störgrößen, wie beispielsweise zusätzliche Kräfte, die senkrecht zu der zu messenden Kraft wirken, und ebenfalls eine Formänderung der Feder verursachen, die zu einer Induktivitätsänderung führt, wird in dieser Patentschrift keine Aufmerksamkeit geschenkt.

Aus der DE-OS 32 18 913 ist ein Verfahren zur Umformung einer Bewegung in eine analoge oder digitale Größe und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Aus dieser Druckschrift ist der prinzipielle Einsatz von Meßfederelementen zur Erfassung von Bewegungsvorgängen zu entnehmen. Eine vorzugsweise aus elektrisch leitendem Material gefertigte Schraubenfeder wirkt als aktiver induktiver Meßwiderstand in einer elektrischen Meßbrücke. Durch entsprechende Auslenkung der Schraubenfeder aus ihrer Normallage wird aufgrund der Deformation der Schraubenfeder der induktive Widerstand des Meßfederelementes, das Teil einer Trägerfrequenzmeßbrücke ist, verändert. Angaben bezüglich der Optimierung des Meßsignals beziehen sich einzig und allein auf die spezielle Ausgestaltung der Wicklungsform des Meßfederelementes im Ganzen, das gemäß den Ansprüchen 21 bis 23 auszugestalten ist. So ist beispielsweise das Meßfederelement gemäß Anspruch 23 spiralförmig zu wickeln.

In dieser Druckschrift bleibt jedoch unbeachtet, daß Deformationen, die senkrecht zur Federachse auf das Meßfederelement einwirken, zu ungewollten Meßungenauigkeiten führen können, die das Meßergebnis verfälschen und somit unbrauchbar machen.

In der DE 31 37 222 A1 wird zwar eine Spiralspule mit jeweils rechteckförmigen "Spiralspulendraht" vorgeschlagen, doch dient diese Spule lediglich als Sensorspule bei einem Wirbelstromverfahren, wobei die Spule selbst keine Formveränderung erfährt.

In der DE-OS 22 11 359 ist eine Vorrichtung zur elektrischen Erfassung mechanischer Größen beschrieben. So werden in allen vier Ausführungsformen gemäß den Abb. 1 bis 4 der Druckschrift ausschließlich Federn verwandt, deren Federdrähte kreisrunde Querschnitte aufweisen. Auf Seite 3, 3. Absatz der Druckschrift geht hervor, daß die Federn auf ihrer Längserstreckung unterschiedliche Durchmesser aufweisen können. So kann sich der kreisrunde Federdurchmesser verjüngen oder entsprechend erweitern.

In der DD 237 371 A1 ist eine induktive Meßeinrichtung beschrieben, mit der Kraft- und Wegmessungen vorgenommen werden können und die im wesentlichen einen Wegaufnehmer vorsieht, der gemäß den in der Druckschrift dargestellten Ausführungsbeispielen als Kegelstumpffeder 3, Faltenbalg 21 mit innenliegender Schraubenfeder 9 sowie als gummiartiges Band 23 ausgebildet sein kann. Zusätzlich zu dem Wegaufnehmer ist eine Spule 4 vorgesehen, die mittels einer hüllenartigen Schutzisolierung 5 mit dem Wegaufnehmer verbunden ist. Somit dient der Wegaufnehmer, beispielsweise in Gestalt einer Feder nicht unmittelbar als Meßaufnehmer, dessen Induktivitätsänderungen erfaßt werden, sondern vielmehr als Meßträger für die extra vorgesehene Spule 4 deren Spuleninduktivität erfaßt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung einer physikalischen Größe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß der Einfluß von störenden Größen, wie senkrecht zur messenden Größe wirkenden Kräften etc., auf die Form und damit die Induktivität der Feder minimiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Federmaterial verwendet, das - im Gegensatz zu Schraubenfedern mit herkömmlichem Aufbau, wie sie beispielsweise in der DE-PS 32 05 705 in Betracht gezogen werden - keine kreisförmige Querschnittsform hat. Dadurch, daß erfindungsgemäß die längere Querschnittsabmessung des Federmaterials senkrecht zur bevorzugten Formänderung liegt, wird die Feder "steif" in Richtung senkrecht zu der Richtung, in der sie ihre Form aufgrund der zu messenden physikalischen Größe ändert. Damit ist der Einfluß von Störgrößen senkrecht zur messenden Größe auf die Form der Feder und damit die Induktivität der Feder gering.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Grundgedanke ist sowohl bei Federn, mit denen Drehvorgänge oder Drehmomente gemessen werden sollen (Anspruch 2) als auch bei Federn, mit denen Längenänderungen gemessen werden sollen (Anspruch 3), anwendbar.

Bei Federn, die zur Messung von Längenänderungen dienen sollen, ist es besonders bevorzugt, wenn die Außenkontur der Schraubenfeder nicht zylindrisch und insbesondere konisch ist und die einzelnen Windungen so bemessen sind, daß sie beim Zusammendrücken der Feder ineinander zu liegen kommen. Hierdurch kann eine außergewöhnlich große Längenänderung der Feder realisiert werden (Anspruch 4).

Gemäß Anspruch 5 ist die längere Querschnittsabmessung und/oder der Wicklungsabstand über die Federlänge ungleichmäßig. Hierdurch kann beispielsweise bei konischen Federn erreicht werden, daß alle Windungen in etwa gleichmäßig gedehnt werden.

Durch die Verwendung von mehr als einer Feder (Anspruch 6) kann beispielsweise die Steifigkeit der Einrichtung gegen Kippmomente erhöht und/oder erreicht werden, daß die Anschlüsse für die Induktivitätsmessung auf einer Seite herausgeführt werden können (Anspruch 7).

Der erfindungsgemäß von der Kreisform abweichende Querschnitt des Federmaterials kann prinzipiell eine beliebige Form haben, und beispielsweise rechteckig sein. Auch kann die Querschnittsform durch "Plattwalzen" eines Drahtes mit kreisförmigem Querschnitt erhalten werden.

Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn gemäß Anspruch 8 als Federmaterial ein im wesentlichen bandförmiges Material verwendet wird.

Als Federmaterial können selbstverständlich alle üblicherweise verwendeten Materialien, beispielsweise Federstähle, CuBe-Legierungen etc. verwendet werden. Ferner ist es nach Anspruch 9 auch möglich, nichtleitende oder schlechtleitende Federwerkstoffe, beispielsweise Kunststoffe zu verwenden, die zur Induktivitätsmessung mit einem leitenden Material beschichtet sind. Für hochgenaue Kraft- oder Druck- oder Drehmomentaufnehmer ist die Verwendung einer Quarzwendel oder -spirale angebracht, die aus einem Rohr gefertigt ist und deren Wände (innen und/oder außen) mit leitfähigem Material beschichtet sind, oder die mit einer leitfähigen Flüssigkeit (z. B. Quecksilber) gefüllt ist (Anspruch 10).

Andererseits ist es aber auch möglich, in bestimmten Einsatzfällen - beispielsweise bei Messungen in leitenden Fluiden - gut leitende Federn mit einem isolierenden Material zu beschichten (Anspruch 10).

Beschichtungsmaterialien können auch - ausschließlich oder zusätzlich - zur Schwingungsdämpfung dienen (Anspruch 11).

Die erfindungsgemäße Einrichtung zeichnet sich in jedem Falle dadurch aus, daß ihre Empfindlichkeit in "Meßrichtung" sehr groß, ihre Empfindlichkeit gegen Störungen senkrecht zur Meßrichtung jedoch äußerst gering ist. Trotzdem ist es selbstverständlich möglich, zusätzliche Stabilisierungselemente zu verwenden, sofern es der Einsatzfall - beispielsweise Messungen in Kraftfahrzeugfedern - erforderlich macht. Verschiedene Möglichkeiten sind in den Ansprüchen 12 bis 15 gekennzeichnet. Die Führungsplatten und/oder -rohre können darüberhinaus zum mechanischen Schutz und zur mechanischen Führung sowie zur elektromagnetischen Abschirmung dienen.

Die gemäß Anspruch 15 an den Federn angebrachten Stabilisierungselemente können beispielsweise Gummielemente sein, die an einer Windung oder an der Einspannung befestigt sind, und an denen die anderen Windungen anliegen.

In den Ansprüchen 16 bis 20 sind bevorzugte Möglichkeiten zur Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Federn gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäß verwendeten Federn haben gegenüber Federn aus Drähten mit einem kreisförmigen Querschnitt, die üblicherweise bei der Herstellung auf einen Dorn gewickelt werden, zusätzlich zu den vorstehend genannten Vorteilen den weiteren Vorteil, daß sie mit anderen Herstellverfahren herstellbar sind, die zu wesentlich reproduzierbarem Ergebnissen als das Wickeln auf einen Dorn führen.

Insbesondere ist es gemäß den Ansprüchen 16 bzw. 17 möglich, die Federn aus einem platten- oder rohrförmigen Material herauszuarbeiten. Hierdurch lassen sich beliebige Federkennlinien realisieren. Darüberhinaus ist eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Federkennlinie sichergestellt.

Im Anspruch 18 sind verschiedene, nicht abschließende Möglichkeiten der Herausarbeitung aufgezählt.

Selbstverständlich ist es möglich, die Feder aus einem gehärteten Rohr bzw. einer Platte derart herauszuarbeiten, daß die "Härtung nicht verloren geht". Darüberhinaus ist es aber auch möglich, das Federmaterial erst nach dem Herauszuarbeiten zu härten, ohne daß die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften bei der Großserienherstellung leidet (Anspruch 19).

Ferner ist es gemäß Anspruch 20 möglich, die Feder insbesondere bei Herstellung aus einem Kunststoffmaterial zu gießen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:

Fig. 1 perspektivisch eine erfindungsgemäß verwendete Schraubenfeder, und

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäß verwendete Feder mit nicht zylindrischer Außenkontur.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäß verwendete Schraubenfeder. Die Schraubenfeder kann beispielsweise in nicht dargestellter Weise an ihren gegenüberliegenden Enden 3 bzw. 4 eingespannt sein. Durch Messung ihrer Induktivität ist es dann möglich, den Abstand zwischen den Einspannungen zu ermitteln. Hinsichtlich des Meßverfahrens sowie aller weiterer Einzelheiten wird auf die DE-PS 32 05 705 verwiesen, auf die im übrigen hinsichtlich aller hier nicht beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich Bezug genommen wird.

Die Windungen bestehen aus einem im wesentlichen bandförmigen Material 1, dessen längere Querschnittsabmessung im wesentlichen senkrecht zur Achse 2 der Schraubenfeder liegt. Durch diese Ausbildung ist die erfindungsgemäße Feder zwar ausreichend weich in Richtung ihrer Achse 2, so daß sie beispielsweise eine Bewegung ihrer Einspannungen nicht "hemmt", aber vergleichsweise steif in der zu der Achse 2 senkrechten Ebene, so daß in dieser Ebene wirkende Kräfte, die an der Feder angreifen, die Feder nicht so stark deformieren und damit ihre Induktivität ändern.

Die in Fig. 1 gezeigte Feder kann beispielsweise durch Herausarbeiten, beispielsweise mittels eines spannabhebenden, funkenerosiven oder Ätzverfahrens oder auch durch Wasserschneiden aus einem Rohr hergestellt werden. Mittels dieser Herstellverfahren können die Federn im Vergleich zum Wickeln wesentlich reproduzierbarer hergestellt werden.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder in Aufsicht. Die Windungen der Feder bestehen wiederum aus einem bandförmigen Material 1, dessen größere Querschnittsabmessung senkrecht zur Achse 2 der Feder (senkrecht zur Zeichenebene) liegt. Der Windungsdurchmesser der einzelnen Windungen nimmt jedoch im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Feder kontinuierlich vom einem Ende 4 der Feder zum anderen Ende 3 ab, so daß die Außenkontur der Feder im auseinandergezogenen Zustand nicht zylindrisch, sondern bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel konisch ist.

Um dennoch eine in etwa gleichmäßige Dehnung der einzelnen Windungen zu erhalten, nimmt die größere Querschnittsabmessung des bandförmigen Materials kontinuierlich vom Ende 4 zum Ende 3 hin ab, lediglich im Bereich der Federteile 3' bzw. 4', mit denen die Feder eingespannt ist, nimmt die Querschnittsabmessung wieder zu.

Dieses Ausführungsbeispiel hat eine Reihe von Vorteilen:

• - Aufgrund der Außenkontur kann ein großes Dehnungsverhältnis der Feder realisiert werden, da die Feder völlig flach zusammengedrückt werden kann.
• - Die Feder kann leicht aus einem Blech etc. beispielsweise durch Ätzen hergestellt werden, so daß sich reproduzierbare Federeigenschaften und Induktivitäten ergeben.

Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens sowie der erfindungsgemäß realisierbaren Weiterbildungen beschrieben worden, wie sie sich aus dem Anspruch 1 bzw. den weiteren Ansprüchen ergeben. Diese Ausbildung führt zu einer Reihe von Vorteilen. Insbesondere sind die erfindungsgemäß ausgebildeten Federn und damit das Meßergebnis unempfindlich gegen "Störungen" senkrecht zu der zu messenden physikalischen Größe. Darüberhinaus können die erfindungsgemäß ausgebildeten Federn reproduzierbarer hergestellt werden als Federn, die aus einem Material mit kreisförmigen Querschnitt gewickelt werden.

Claims (20)

1. Einrichtung zur Messung einer physikalischen Größe und insbesondere zur Messung von Abständen, mit mindestens einer Feder, deren Form sich entsprechend der zu messenden Größe ändert, und deren Induktivität als Maß für die Formänderung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder aus einem Material (1) mit einer nicht kreisförmigen Querschnittsform besteht und daß die längere Querschnittsabmessung des Federmaterials senkrecht zur bevorzugten Formänderung (2) liegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung von Drehvorgängen die Feder eine Spiralfeder ist, und daß die längere Querschnittsabmessung des Federmaterials parallel zur Wicklungsachse liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder eine Schraubenfeder (Fig. 1) ist, und daß die längere Querschnittsabmessung des Federmaterials (1) senkrecht zur Schraubenrichtung (2) liegt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur der Feder nicht zylindrisch ist, und die einzelnen Wicklungen so bemessen sind, daß sie beim Zusammendrücken der Feder ineinander zu liegen kommen.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsabstand und/oder die längere Querschnittsabmessung des Materials ungleichmäßig sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Federn vorgesehen sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn gleiche Wicklungsachsen haben.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmaterial ein bandförmiges Material ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder bzw. Federn aus einem nichtleitenden oder schlechtleitenden Material und insbesondere aus einem Kunststoff bestehen, und mit einem leitenden Material ummantelt sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn aus einem nichtleitenden Material, beispielsweise Quarz bestehen, in das ein leitendes Material, beispielsweise Quecksilber eingebracht, oder das mit einem leitfähigen Material beschichtet ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder bzw. Federn mit einem schwingungsdämpfenden und/oder einem isolierenden Material beschichtet sind.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in die Feder bzw. Federn ein Führungsstab eingesetzt ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder bzw. Federn in ein Führungsrohr eingesetzt sind.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder bzw. Federn zwischen Führungsplatten eingesetzt sind.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der bzw. den Federn Stabilisierungselemente angebracht sind.

16. Verfahren zur Herstellung einer Feder nach Anspruch 3 oder 4 mit zylindrischer Außenkontur, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder aus einem Rohr herausgearbeitet wird.

17. Verfahren zur Herstellung einer Feder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder aus einer Platte herausgearbeitet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Herausarbeiten durch ein spannabhebendes, ein funkenerosives Verfahren, ein Ätzverfahren, Stanzen oder durch Wasserstrahlschneiden erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmaterial nach dem Herausarbeiten gehärtet wird.

20. Verfahren zur Herstellung einer Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmaterial in eine Form gegossen wird.