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Die
vorliegende Erfindung hat einen Messwertaufnehmer des Typs zum Gegenstand,
der einen monolithischen Prüfkörper umfasst,
der mit Dehnungsmessstreifen versehen ist, die auf diesem Prüfkörper in
zumindest einem seiner Bereiche befestigt sind, die sich unter der
Wirkung einer an diesen Prüfkörper angelegten
Belastung elastisch verformen.
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Allgemein
wird der Prüfkörper aus
einem verformbaren monolithischen Balken gebildet, der die Gestalt
eines verformbaren Parallelogramms aufweisen kann, dessen eines
Ende an einem feststehenden Rahmen angebracht und dessen anderes
Ende so eingerichtet ist, dass es die zu messende Last aufnimmt.
Solche Aufnehmer werden zum Beispiel in den Dokumenten
US 4 150 729 ,
US 4 546 838 oder
US 4 107 985 beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung zielt auf die Realisierung eines solchen Aufnehmers
ab, der in einer rauen bzw. korrosiven Umgebung, Salzwasser, Chlorwasser
oder Säure
usw. eingesetzt werden kann, was gebietet, die Dehnungsmessstreifen
zu schützen,
um Schäden
daran zu verhindern.
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Allgemein
werden die Dehnungsmessstreifen durch einen Anstrich oder eine Schicht
aus einem Material geschützt,
das gegenüber
korrosiven Medien beständig
ist. Die Erfahrung lehrt aber, dass immer zuerst dieser Schutz angegriffen
wird, wodurch es erforderlich wird, den Aufnehmer zu ersetzen, obwohl
sein mechanischer Teil, nämlich
der Prüfkörper noch
einwandfrei ist.
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Aufnehmer
sind vorgeschlagen worden, in denen die Dehnungsmessstreifen in
dichten Hohlräumen
eingeschlossen sind, wie dies zum Beispiel in den Dokumenten
US 4 488 611 oder
US 5 220 971 beschrieben
wird. In diesen Realisierungen ist es dennoch erforderlich, Deckel
oder Schutzelemente aus Metall in unmittelbarer Nachbarschaft zu
den sich verformenden Bereichen des Prüfkörpers auf diesen aufzuschweissen,
um die Dehnungsmessstreifen dicht zu verkapseln. Diese Vorgehensweise liefert
einen dauerhaften Schutz der Dehnungsmessstreifen, aber setzt die
Messgenauigkeit und -sicherheit herab. Wenn nämlich diese Deckel oder Schutzelemente
in unmittelbarer Nachbarschaft zu den sich verformenden Bereichen
des Prüfkörpers aufgeschweisst
werden, so führt
dies zu strukturellen Veränderungen
des den Prüfkörper bildenden
Werkstoffs in diesen Bereichen, die insbesondere dessen elastische
Eigenschaften verändern
und eine Quelle von Mess ungenauigkeiten bzw. Messfehlern darstellen,
die elektrisch nicht leicht korrigiert werden können. Eine weitere Realisierung
eines Aufnehmers, bei dem die Dehnungsmessstreifen in einem dichten Hohlraum
eingeschlossen sind, ist aus dem Dokument EP-A-1 451 538 bekannt.
Dieses Dokument ist aber kraft des Artikels 54(3) und (4) EPÜ nur in
seiner Eigenschaft als Neuheit zu berücksichtigen.
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Die
vorliegende Erfindung hat das Ziel, einen Aufnehmer zu realisieren,
der einen monolithischen Prüfkörper sowie
verkapselte und daher vor der Umgebung geschützte Dehnungsmessstreifen aufweist, der
die genannten Nachteile vermeidet, d.h. widerstandsfähig ist,
und bei dem der Schutz der Messstreifen die Messeigenschaften nicht
beeinflusst.
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Die
vorliegende Erfindung hat einen Messwertaufnehmer zum Gegenstand,
der einen mit Dehnungsmessstreifen versehenen monolithischen Prüfkörper umfasst,
der sich durch die im unabhängigen Anspruch
1 aufgezählten
Merkmale auszeichnet. Die besonderen Ausführungsformen der Erfindung
werden in den abhängigen
Ansprüchen
2 bis 11 definiert.
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Die
beigefügte
Zeichnung veranschaulicht schematisch und beispielhaft vier Ausführungsformen
des erfindungsgemässen
Aufnehmers.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des Aufnehmers.
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2 ist
ein Aufriss des Aufnehmers der 1.
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3 ist
ein Schnitt entlang der Linie A-A der 2.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Aufnehmers.
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5 ist
ein Aufriss des in 4 veranschaulichten Aufnehmers.
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6 ist
ein Schnitt entlang der Linie B-B der 5.
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7 ist
eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform des Aufnehmers.
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8 ist
ein Aufriss des in 7 veranschaulichten Aufnehmers.
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9 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie C-C der 8.
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10 ist
eine Ansicht der Oberseite des Aufnehmers.
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11 veranschaulicht
in einem Seitenriss eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemässen Aufnehmers.
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Der
Messwertaufnehmer gemäss
vorliegender Erfindung umfasst einen monolithischen Prüfkörper, der
ein verformbares Parallelogramm aus Stahl, rostfreiem Stahl oder
deren Legierungen, Aluminium oder einem anderen elastischen Material
bildet, dessen eines Ende dafür
bestimmt ist, an einem Rahmen befestigt zu werden, während das
andere dafür
ausgerüstet
ist, eine zu messende Last oder Kraft aufzunehmen. Dieser Prüfkörper wird
quer von zwei Hohlräumen
durchquert, die einesteils Bereiche verringerter Dicke definieren,
die die Gelenke des verformbaren Parallelogramms bilden, und die
andererseits einen Hauptbalken definieren. Dieser Hauptbalken ist über seine
Enden einerseits direkt mit einem ersten, nicht verformbaren Abschnitt
des Prüfkörpers und andererseits über einen
Messbalken mit einem zweiten, nicht verformbaren Abschnitt des Prüfkörpers verbunden.
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Dieser
Messbalken ist mit diesem zweiten, nicht verformbaren Abschnitt
des Prüfkörpers seitlich durch
dünne Membranen
in der Weise verbunden, dass sich dieser Messbalken verformen kann,
ohne eine Verformung an den zweiten, nicht verformbaren Abschnitt
des Prüfkörpers zu übertragen.
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Ausserdem
umfasst der Prüfkörper noch
einen Hohlraum in seinem zweiten, nicht verformbaren Abschnitt,
dessen eine Wand zumindest teilweise durch die Membranen und den
Messbalken gebildet wird. Dieser Hohlraum ist dafür bestimmt,
die Dehnungsmessstreifen und zumindest einen Teil des elektrischen
Messkreises aufzunehmen, steht mit der Aussenseite des Prüfkörpers über eine
Drahtdurchführung
in Verbindung und kann durch Verschweissen, Kleben oder dichte Befestigung
von Deckeln dicht verschlossen werden, wobei die Befestigung sich
auf dem nicht verformbaren Abschnitt des Prüfkörpers befindet und die elastischen
Eigenschaften der Messbalken in keiner Weise beeinflusst.
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In
der ersten Ausführungsform
umfasst der Messwertaufnehmer einen monolithischen Prüfkörper 1,
zum Beispiel aus rostfreiem Stahl, mit einem ersten, nicht verformbaren
Abschnitt 2 an einem seiner Enden und einem zweiten, nicht
verformbaren Abschnitt 3 an seinem anderen Ende.
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Der
erste, nicht verformbare Abschnitt 2 des Prüfkörpers 1 weist
Befestigungsorgane auf, hier Gewinde, die es gestatten, ihn an ein
Organ anzukoppeln, das eine Last aufnimmt oder eine zu messende Kraf überträgt, während der
zweite, nicht verformbare Abschnitt 3 des Prüfkörpers Gewinde
aufweist, die es gestatten, ihn an einem feststehenden Rahmen zu befestigen.
Dieser zweite, nicht verformbare Abschnitt 3 des Prüfkörpers 1 weist
einen Hohlraum 4 auf, der an zumindest einer Seite des
Prüfkörpers offen
ist und über
eine Kabeldurchführung 5 mit
einer seiner Seitenflächen
verbunden ist.
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Der
mittlere, elastisch verformbare Abschnitt des Prüfkörpers 1 weist zwei
durchgehende Öffnungen 6, 7 auf,
die zusammen mit der Oberseite 8 und Unterseite 9 des
Prüfkörpers 1 Scharniere
bzw. biegsame Ausdünnungen
definieren, die es dem Prüfkörper ermöglichen,
sich wie ein verformbares Parallelogramm zu verformen.
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Diese Öffnungen 6, 7 definieren
zwischen sich einen Hauptbalken 10, der über ein
dünnes
Verbindungsstück 11 mit
dem ersten, nicht verformbaren Abschnitt 2 des Prüfkörpers 1 verbunden
und über eine
Einspannung 13 fest mit einem Messbalken 12 verbunden
ist. Der Messbalken 12 befindet sich zwischen zwei Ausfräsungen 14,
die so wirken, dass dieser Messbalken 12 seitlich über zwei
feine Membranen 15 mit dem zweiten, nicht verformbaren
Abschnitt 3 des Prüfkörpers 1 verbunden
ist, und zwar in der Weise, dass sich dieser Messbalken 12 elastisch
verformen kann, ohne dass diese Verformung an diesen zweiten, nicht
verformbaren Abschnitt 3 übertragen wird.
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Die
feinen Membranen 15 mit einer Dicke von 0,1 bis 1,5 mm
und bevorzugt von 0,1 bis 0,7 mm trennen die Öffnungen 6, 7 des
Hohlraumes 4 und entkoppeln den Messbalken 12 vom
zweiten, nicht verformbaren Abschnitt 3 des Prüfkörpers 1.
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Im
veranschaulichten Beispiel sind Durchgänge 16 vorgesehen,
um die Starrheit der Ausdünnungen
zu verringern, die die Scharniere des verformbaren Parallelogramms
bilden, das den Prüfkörper 1 darstellt.
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Dehnungsmessstreifen 17 sind
auf der Längsseite
des Messbalkens 12 angebracht, der sich im Inneren des
Hohlraumes 4 zwischen den Membranen 15 befindet,
und mit einem elektrischen Messkreis verbunden, der sich entweder
ausserhalb des Prüfkörpers 1 oder
zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums 4 des Prüfkörpers befindet.
Diese Dehnungsmessstreifen 17 und/oder der innerhalb des Hohlraums 4 befindliche
Teil des elektrischen Messkreises sind über ein (nicht veranschaulichtes)
Kabel verbunden, dass dicht durch die Durchführung 5 hindurchgeht,
um ausserhalb des Prüfkörpers 1 an
die Messgeräte
angeschlossen zu werden.
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Der
Hohlraum 4 des Prüfkörpers 1 wird
dann mit zwei (nicht veranschaulichten) Deckeln verschlossen und
versiegelt, die so auf die Seiten des Prüfkörpers 1 aufgesetzt
werden, dass sie die Öffnungen
des Hohlraumes 4 verschliessen. Diese Deckel werden auf
den nicht verformbaren Abschnitt 3 des Prüfkörpers 1 aufgeschweisst,
aufgeklebt oder dicht darauf befestigt.
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Bei
einer solchen Ausführung
beeinträchtigen
die Schweissstellen, Klebstellen oder dichten Befestigungen, die
um Öffnungen
des Hohlraumes 4 herum angebracht werden, um die Deckel
zu befestigen, die diesen Hohlraum 4 verschliessen, in
keiner Weise die Balken 10 und 12 des Prüfkörpers, deren Verformung
gemessen wird. Diese Befestigungen beeinträchtigen daher in keiner Weise
die Messgenauigkeit oder -sicherheit.
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Somit
ist ein Aufnehmer realisiert worden, der mit einem monolithischen
Prüfkörper ausgerüstet ist,
dessen Dehnungsmessstreifen und eventuell ein Teil oder der ganze
elektrische Messkreis in dichter Weise in einem Hohlraum des Prüfkörpers 1 verkapselt
sind. Die Verkapselung der Dehnungsmessstreifen im Prüfkörper erfolgt
durch Schweissen, Kleben oder dichte Befestigung von Deckeln auf
einem Abschnitt des Prüfkörpers, der
nicht an der Verformung teil hat, die der Messung dient. Somit ist
ein dichter, zuverlässiger,
unveränderlicher
und genauer Aufnehmer realisiert worden.
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In
der in 4 bis 6 veranschaulichten Ausführungsform
weist der Prüfkörper 1 die
Gestalt eines monolithischen Balkens 18 auf, der wie in
der ersten Ausführungsform
zwei nicht verformbare Endabschnitte 2, 3 und
einen mittleren Abschnitt umfasst, der Öffnungen 6 und 7,
den Hauptbalken 10 und die als Scharniere wirkenden Ausdünnungen aufweist.
Man hat also wiederum ein verformbares Parallelogramm mit einem
zentralen Hauptbalken.
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Der
Hauptbalken 10 ist über
ein Verbindungsstück 11 mit
dem nicht verformbaren Abschnitt 2 des Prüfkörpers verbunden,
während
sein anderes Ende in den Messbalken 12 eingespannt ist,
der fest mit dem nicht verformbaren Abschnitt 3 des Prüfkörpers 18 verbunden
ist. Dieser Messbalken 12 ist wie in der ersten Ausführungsform
durch seitliche Ausfräsungen 14 mechanisch
vom nicht verformbaren Abschnitt 3 abgekoppelt.
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In
dieser zweiten Ausführungsform öffnet sich
der Hohlraum 4 zur Vorderseite 19 des nicht verformbaren
Abschnitts 3 des Prüfkörpers 18 hin
und weist eine Kabeldurchführung 5 auf,
die auf einer Seitenfläche
des Prüfkörpers 18 mündet.
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Nachdem
die Dehnungsmessstreifen 17 eingesetzt und angeschlossen
worden sind, wird der Hohlraum 4 durch Schweissen, Kleben
oder dichte Befestigung einer Verschlussplatte 20 auf der
Vorderseite 19 des nicht verformbaren Abschnitts 3 des Prüfkörpers 18 dicht
versiegelt.
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Wiederum
findet man hier die gleichen Vorteile wie beim Aufnehmer gemäss der ersten
Ausführungsform,
nämlich
eine vollkommene, wirksame und unveränderliche Dichtheit der Kammer,
die die Dehnungsmessstreifen 17 und den ganzen oder einen Teil
des elektrischen Messkreises beherbergt, während vermieden wird, die Eigenschaften
des Werkstoffs des Prüfkörpers in
Nachbarschaft zu seinen verformbaren Abschnitten zu verändern, die
der Messung dienen.
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Diese
zweite Ausführungsform
ermöglicht
einen Zugang zum Hohlraum 4 über ein Ende des Prüfkörpers, während in
der ersten Ausführungsform
der Zugang zu diesem Hohlraum über
eine oder beide Seitenflächen
des Prüfkörpers erfolgt.
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In
der in 7 bis 10 veranschaulichten dritten
Ausführungsform
liegt der Prüfkörper 1 in
Gestalt einer monolithischen, rechteckigen Platte vor, die ebenfalls
zwei nicht verformbare Bereiche 2, 3 aufweist
und durch die in ihrem zentralen Bereich angebrachten Öffnungen 6, 7 ein
verformbares Parallelogramm darstellt. In dieser Ausführungsform
ist der Hauptbalken 10 gekrümmt, über ein Verbindungsstück 11 an
einem Ende mit dem nicht verformbaren Abschnitt 2 verbunden
und an seinem anderen Ende in einem Messbalken 12 eingespannt,
der fest mit dem nicht verformbaren Abschnitt 3 des Prüfkörpers verbunden,
aber von diesem durch seitliche Membranen 15 abgekoppelt
ist, die zusammen mit der Oberseite des Messbalkens 12 den
Boden eines ersten Hohlraumes 22 bilden, der sich zur Oberseite 8 des Prüfkörpers hin öffnet. Ein
zweiter Hohlraum 23, der im nicht verformbaren Abschnitt 3 des
Prüfkörpers ausgebildet
ist, mündet
auf der vorderen Seitenfläche
dieses Prüfkörpers. Ein
Durchgang 24 verbindet den ersten Hohlraum 22 mit
dem zweiten Hohlraum 23, während eine Kabeldurchführung 5 den
zweiten Hohlraum 23 mit der Endfläche des nicht verformbaren
Abschnitts 3 des Prüfkörpers verbindet.
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In
dieser Ausführungsform
sind (nicht veranschaulichte) Deckel auf die Öffnungen der Hohlräume 22 und 23 aufgesetzt
und auf den nicht verformbaren Abschnitt 3 des Prüfkörpers aufgeschweisst, aufgeklebt
oder dicht darauf befestigt.
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Da
hier der erste Hohlraum 22 ein geringes Volumen besitzt,
beherbergt er nur die Dehnungsmessstreifen 17, während der
elektrische Messkreis im zweiten Hohlraum 23 untergebracht
ist.
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In
der in 11 veranschaulichten vierten Ausführungsform
liegt der Prüfkörper 1 in
Gestalt eines monolithischen Balkens von rechteckigem oder quadratischem
Querschnitt vor, der ebenfalls zwei nicht verformbare Bereiche 2, 3 aufweist
und durch die in seinen zentralen Abschnitt eingelassenen Öffnungen 6, 7 ein
verformbares Parallelogramm darstellt. In dieser Ausführungsform
weist der Hauptbalken 10 einen kreuzförmigen Querschnitt auf und
ist an beiden Enden in je einen Messbalken 12, 12' eingespannt,
der fest mit dem jeweiligen, nicht verformbaren Abschnitt 3 und 2 verbunden
ist. Diese Messbalken 12, 12' sind von den betreffenden, nicht
verformbaren Abschnitten 2, 3 durch Membranen 15, 15' abgekoppelt,
die zusammen mit der Rückseite
der Messbalken 12, 12' den Boden von zwei Hohlräumen 4, 4' bilden, die
sich zu zumindest einer der Seitenflächen des Prüfkörpers 1 hin öffnen. Ein
den Kern des Hauptbalkens 10 durchquerender Durchgang 26 verbindet
diese beiden Hohlräume 4, 4'. Der Hohlraum 4' ist über eine
Kabeldurchführung 5 mit
der Enfläche des
nicht verformbaren Abschnitts 3 verbunden.
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In
dieser Ausführungsform
sind (nicht veranschaulichte) Deckel auf die Öffnungen der Hohlräume 4 und 4' aufgesetzt
und auf die nicht verformbaren Abschnitte 2, 3 des
Prüfkörpers 1 aufgeschweisst,
aufgeklebt oder dicht darauf befestigt.
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Die
Hohlräume 4 und 4' brauchen nicht
auf der gleichen Seitenfläche
des Prüfkörpers 1 zu
münden
oder können
im Gegenteil auf seinen beiden Seiten münden. Der Hauptbalken kann
einen Querschnitt anderer Gestalt aufweisen, zum Beispiel quadratisch
oder rechtwinklig.
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Wie
man sieht, weist der monolithische Prüfkörper also in allen Ausführungsformen
zwei nicht verformbare Bereiche oder Abschnitte 2, 3,
die seine Enden bilden, sowie einen zentralen Bereich oder Abschnitt
auf, der ein verformbares Parallelogramm bildet. Ein Hauptbalken 10 ist
mit zumindest einem seiner Enden am oder im zentralen Abschnitt
eines Messbalkens 12 eingespannt, der einen Teil eines oder
beider nicht verformbarer Abschnitte 2, 3 des Prüfkörpers 1 darstellt,
aber durch Ausfräsungen 14 und
Membranen 15 mechanisch davon abgekoppelt ist. Diese Membranen 15 und
die Vorderseite des Messbalkens 12, der fest mit einem
nicht verformbaren Abschnitt 2, 3 des Prüfkörpers verbunden
ist, stellen eine Wand von zumindest einem Hohlraum dar, der in
den oder die nicht verformbaren Abschnitte 2, 3 des
Prüfkörpers eingelassen
ist, wobei diese Hohlräume
sich zu einer freien Seite dieses nicht verformbaren Abschnitts
des Prüfkörpers hin öffnen. Ein oder
mehrere auf den oder die nicht verformbaren Abschnitte des Prüfkörpers aufgeschweisste,
aufgeklebte oder dicht darauf befestigte Deckel verschliessen in
dichter und unveränderlicher
Weise die Hohlräume.
So gewinnt man einen monolithischen, dichten Aufnehmer ohne Befestigungen
in Nachbarschaft zu den verformbaren Abschnitten des Prüfkörpers, so
dass diese nicht verändert
werden und die Zuverlässigkeit
und Genauigkeit des Aufnehmers optimal sind.