DE684307C - Mehrkomponentenwaage - Google Patents

Mehrkomponentenwaage

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DE684307C
DE684307C DEB177043D DEB0177043D DE684307C DE 684307 C DE684307 C DE 684307C DE B177043 D DEB177043 D DE B177043D DE B0177043 D DEB0177043 D DE B0177043D DE 684307 C DE684307 C DE 684307C
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DE
Germany
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cylinder
piston
scales
measuring
balance
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Expired
Application number
DEB177043D
Other languages
English (en)
Inventor
Dr Albert Betz
Dipl-Ing Otto Muehlhaeuser
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AERODYNAMISCHE VERSUCHSANSTALT
Original Assignee
AERODYNAMISCHE VERSUCHSANSTALT
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Filing date
Publication date
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Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Description

  • Mehrkomponentenwaage Auf besonderen Gebieten der messenden Technik werden Waagen benötigt, die in der Lage sein müssen, gleichzeitig Kräfte zu messen, die an verschiedenen Stellen eines Körpers angreifen und in den drei verschiedenen Raumrichtungen wirken. An sich sind solche Waagen bekannt und finden z. B. in der messenden Aerodynamik eine ausgedehnte Verwendung. Da es sich dabei vielfach um sehr große Kräfte handelt, welche eine starke Übersetzung der Kräfte auf eine bequeme Größenordnung erfordern, so liegt es nahe, für die Aufnahme dieser Kräfte hydraulische Kolben zu verwenden, welche sich zur Aufnahme großer Kräfte besonders gut eignen.
  • Da ein solcher Kolben nur zwei Freiheitsgrade hat, im allgemeinen aber sechs gebrauchlwerden, so sind besondereHilfseinrichtungen, z. B. Gelenke, nötig, um die fehlenden Freiheitsgrade zu schaffen. Durch die Anwendung dieser Hebel geht aber die Einfachheit der Kolbenwaage verloren.
  • Mit vorliegender Erfindung ist eine Anordnung gegeben, welche die erforderlichen Freiheitsgrade einer Mehrkomponentenwaage bei einer für die Praxis ausreichenden Empfindlichkeit und Meßgenauigkeit und einen verhältnismäßig einfachen Aufbau besitzt.
  • Die eigentlichen Waageelemente hierbei sind die an sich bekannten sogenannten hydraulischen Waagen, bei welchen durch die zu messende Kraft ein gewisser Flüssigkeitsdruck erzeugt wird, der seinerseits mit bekannten Mitteln gemessen werden kann. Als einzelne Waage läßt sich ein solcher Zylinder ohne weiteres in der bekannten Bauform verwenden. Sollen jedoch mehrere solcher Waagen unter oben gegebener Forderung, daß Kräfte in den drei Raumrichtungen gemessen werden können, zusammengebaut werden, so ist dies ohne weiteres nicht möglich, da ja die erwähnten hydraulischen Waagen nur zwei Freiheitsgrade besitzen, nämlich einen in n Richtung der zu messenden Kraft und einen : bezüglich der Drehung des Kolbens im Zylinder.
  • Erfindungsgemäß wird nun eine größere Zahl von Freiheitsgraden eines solchen Waagezylin.ders dadurch ierreicht, daß diesem die Möglichkeit gegeben wird, I. sich in einer Ebene senkrecht zur Richtung der Kraft bewegen zu können und 2. sich um Achsen drehen zu können, die irgendwie senkrecht zur Richtung der Kraft liegen oder, anders gesagt, um Achsen, die irgendwie parallel zur erstgenannten Ebene liegen.
  • Da in fast allen Fällen die hydraulischen Waagen mit Flüssigkeiten betrieben werden, welchen gewisse Schmiereigenschaften zukommen, werden weiterzerfindungsgemäß die Beweglichkeiten in den oben gegebenen Richtungen dadurch erzielt, daß die Waage, d. h. jeder einzelne Waagezylinder, auf Gleitflächen gesetzt wird, die mit der Betriebsflüssigkeit der Waage betrieben werden, wodurch ein praktisch verschwindender Widerstand gegen Verschiebung, also vollkommene Kräftefreiheit senkrecht mur Meßrichtung, erreicht wird.
  • An Hand der Abb. I wird näher erläutert, wie ein solcher Waagezylinder im besonderen aufgebaut werden muß. Mit I ist der Kolben, auf den dieKraftPdrüclçt, bezeichnet, 2 stellt den Zylinder der Waage dar, Ider an seinem unteren Ende nicht geschlossen ist, sondern in eine ringförmige Kugelfläche übergeht.
  • Diese Kugelfläche sitzt auf einer ihr entsprechenden Hohlkugeifläche, die die eine Begrenzung des Teiles 3 ist. Die andere Begrenzung dieses Teiles ist eine Ebene, die ihrerseits auf der ebenen Oberfläche des Teiles 4 sitzt. Teil 4 ist in dem Grundgestell der Waage 5 starr befestigt.
  • Die Anordnung der beiden Gleitflächen zueinander kann natürlich auch anders sein, so kann z. B. die ebene Gleitfläche oben und die gewölbte unten liegen. Die Wölbung kann auch im entgegengesetzten Sinne sein. Ferner können statt einer ebenen und einer gewölbten Fläche auch zwei gewölbte Flächen mit verschiedenem Krümmungsmittelpunkt vertvandt werden.
  • 6 ist das Zuleitungsrohr für dieMeßflüssigkeit, 7 das Rohr, welches den Meßdruck vom Zylinder zum Manometer fortleitet. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung in oben gefordertem Sinne allseitiger Beweglichkeit bzw. Kräftefreiheit ist dann die folgende: Wird der Kolben 1 mit einer Kraft belastet, so wird durch eine besondere selbsttätige Einrichtung, die in dieser Abbildung mit II bezeichnet ist, von der Rohileitung 6 die Druckflüssigkeit so unter den Kolben geleitet, daß dieser immer in der gleichen Höhenlage stehenbleibt. Die Steuerung II ist eine an sich bekannte Steuerung mit Hilfskolben, die durch die mit dem Kolben I verbundene nachgiebige Stoßstange 12 betätigt wird. Der Kolben hebt sich aib bis zu der vorbestimmten Nullage. In dem Zylinderraum besteht jetzt ein Flüssigkeitsdruck, der in bekanntem Verhältnis zur Kraft P steht. Durch diesen Flüssigkeitsdruck beginnt nunmehr durch die Spalte zwischen Zylinder und Kolben Flüssigkeit nach außen abzuströmen. Der Kolben wird also gewissermaßen durch die abströmende Flüssigkeit gedichtet und vermag sich daher vollkommen reibungsfrei zu bewegen. Damit der Kolben sich nicht an die Wand anlegen kann, sind in dem Spalt noch sogenannte Strömungsquellen angebracht.
  • Diese bestehen aus dem Sammelraum 8 und der Drossel 9. Die Anordnung solcher Quellen zum Abstützen durchströmter Spalte soll hier nicht näher behandelt werden, sie stellt den Gegenstand einer anderen Erfindung dar.
  • Durch die Anordnung mehrerer solcher Quellen an besonderen Stellen des Zylinderumfanges kann erreicht werden, daß der Kolben sich niemals an die Wand anlegen kann. Weiter beginnt durch denFlüssigkeitsdruck durch den flächenförmigen Spalt zwischen den Tei len 2 und 3 bzw. 3 und 4 Flüssigkeit zu stromen. Dabei entsteht in dem Spalt ein gewisser Druckabfall, dessen Flächenintegral groß genug sein muß, um einen Teil der Kraft P zu tragen. Der zu tragende Anteil ist in diesem Falle durch den Druck auf die Ringfläche gegeben, deren Erzeugende mit 10 bezeichnet ist. Da die Last auf die Ringfläche ebenso wie das Druddutegral iiber den Ringspalten 2, 3 bzw. 3, 4 nur von dem im Zylinder herrschenden Druck abhängig ist, läßt sich ohne weiteres erkennen, daß zwischen diesen beiden, d. h. zwischen Tragfähigkeit und Last, ein festes, baulich festzulegendes Verhältnis besteht. Dadurch, daß zwischen den tragenden Spalten 2, 3 und 3, 4 nunmehr Flüssigkeit strömt, ist eine mechanische Berührung der Flächen aufgehoben. Es ist das sogenannte hydrodynamische Tragen hergestellt, bei welchem bekanntlich die Verschiebekräfte in seitlicher Richtung bei kleinen Verschiebegeschwindigkeiten praktisch Null werden Damit nun diese Flächenspalte durch eine einseitige Belastung nicht zusammenbrechen können, sind ebenso wie in der Kolbenführung verschiedene sogenannte Stützquellen, oben Strömungsquellen genannt, angeordnet, für die genau das gleiche, wie schon gesagt, gilt.
  • Die Freiheitsgrade in den sechs Komponenten kommen folgendermaßen zustande: Durch den Spalt zwischen 3 und 4 ist eine Bewegung in zwei Richtungen, wir wollen sie X- und Y-Richtung nennen, möglich. Außerdem ist durch das Schwimmen Ides Kolbens auf dem 01 in dem Zylinder eine gewisse Beweglichkeit in der Vertikal- oder Z-Richtung gewährleistet. Das Schwimmen des Kolbens ermöglicht zugleich eine Drehung um die Z-Achse. Die Drehung um die X- und Y-Achse wird durch den Kugelspalt zwischen 2 und 3 ermöglicht.
  • In Abb. 2 wird eine Anordnung aus drei solcher Waageelemente beschrieben, welche gestattet, Kräfte, die in beliebiger Raumrichtung wirken, sofort in die drei Komponenten zu zerlegen. Es sind mit I3, 14 und 15 die Waagezylinder der einzelnen Komponenten bezeichnet. Mit P möge wiederum eine Kraft bezeichnet werden, die in beliebiger Raumrichtung auf die starre Verbindung 16 der einzelnen Kolben wirkt. Damit im Falle der Nichtbenutzung der Waage diese nicht auseinanderfällt - die Teile 2 und 3 der Abb. I liegen nur lose auf - sind gewisse bauliche Vorkehrungen zu treffen, die hier jedoch nicht erörtert zu werden brauchen.
  • Sollen weiterhin Kräfte gemessen werden, die wohl senkrecht wirken, deren Wirkungsort sich jedoch innerhalb gewisser räumlicher Grenzen verschiebt, so wird eine Anordnung nach Abb. 3 gewählt werden müssen.
  • Die Waagen sind mit I7, I8 und 19 bezeichnet. 20 ist ein starrer Rahmen, der die Kolben untereinander fest verbindet. Es sind Meßeinrichtungen bekannt, die unter Zwischenschaltung beweglicher Glieder mehrere Komponenten einer Kraft messen. Hier dagegen handelt es sich mn eine starre Verbindung der einzelnen Waagen. Anstatt des Gestänges 20 kann auch eine Platte o. dgl. Verwendung finden. Wirkt die Kraft wie im Falle der Abb. 3 nun nicht mehr in nur senkrechter Richtung, sondern ähnlich wie im Falle der Abb. 2 auch noch schräg, wobei. ihr Angriffsort nach Abb. 3 veränderlich ist, d. h. liegt der allgemeinste Fall der Lastrichtung vor, so sind 6 Waagen anzuwenden, die etwa nach dem Schema der Abb. 4 anzuordnen vor, so sind sechs Waagen anzuwenden, die etwa nach dem Schema der Abb. 4 anzuordnen wären. In dieser Abbildung bedeuten 2I bis 26 die einzelnen Waagen für die verschiedenen Komponenten der Kraft P und 27 den starren Rahmen, der die Kolben der Waage fest miteinander verbindet. Auch hier hat der Rahmen 27 nur schematische Bedeutung.
  • Die vertikale Komponente wird durch die Meßkolben 2I, 22, 23 gemessen, die beiden Horizontalen durch zwei Waagen 25 und 26 und durch eine Wange24, während die Momente um die vertikale Achse von den Waagen 25, 26, die Momente um die Längsachse von den Waagen 23 und 22 und die Momente um die Querachse von den Waagen 23, 22,21 aufgenommen werden. Es kommt dabei nur darauf an, daß jeder der sechs Freiheitsgrade von einer Waage aufgenommen wird. Die Anordnung der Waagen kann also bezüglich der Achsen zyklisch vertauscht werden.
  • Entsprechend den Verhältnissen bei jeder bekannten Helbelwaage bzw. Laufgewichtswaage müssen die Größen jeder der verschiedenen Komponenten immer größer als Null sein, damit diese gemessen werden können.
  • Es ist jedoch keine Schwierigkeit, durch geschickte Auswahl und Anordnung bezüglich der herrschenden Kraftrichtung diese Forderung jederzeit zu erfüllen.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE : I. Mehikomponentenwaagen, aufgebaut aus einzelnen hydraulischen Meßkolben, kurz als Flüssigkeitswaagen bezeichnet, die dadurch gekennzeichnet sind, daß jede sechs Freiheitsgrade hat, wobei die beiden horizontalen Verschiebungen durch Gleiten eines Teiles (3) auf einer Ebene (4), die vertikale durch die freie Verschieblichkeit des Kolbens im Zylinder gewährleistet ist, während die Drehungen um die horizontalen Achsen im Kugelspalt zwischen Zylinder (2) und Teil (3) und die Drehung um die vertikale Achse durch Drehung des Kolbens im Zylinder ermöglicht wird.
  2. 2. Flüssigkeitswaage nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmiermittel zum hydrodynamischen Tragen die zum Betrieb der Waage benützte Flüssigkeit Verwendung findet.
  3. 3. Meßanordnung zur Messung der Komponenten einer beliebig im Raum liegenden Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkolben nach Anspruch 1 durch einen starren Rahmen fest miteinander verbunden sind, wobei die Anordnung der einzelnen Meßzylinder so sein muß, daß eine für den jeweiligen Verwendungszweck angepaßte Auflösung in Einzelkräfte und Einzelmomente erfolgen kann.
DEB177043D 1937-01-20 1937-01-20 Mehrkomponentenwaage Expired DE684307C (de)

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DE (1) DE684307C (de)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2430702A (en) * 1944-01-12 1947-11-11 Toledo Scale Co Weighing scale
US2457655A (en) * 1943-09-25 1948-12-28 Robert A Gifford Hydraulic scale mechanism
DE2624647A1 (de) * 1976-06-02 1977-12-22 Pfister Waagen Gmbh Vorrichtung zum messen mehrerer kraftkomponenten
DE2736829A1 (de) * 1977-08-16 1979-02-22 Siemens Ag Anordnung zum erfassen von kraeften und momenten
DE2926213A1 (de) * 1979-06-29 1981-01-08 Schenck Ag Carl Pyramidenwaage zur ermittlung von kraeften und momenten, insbesondere in windkanaelen
FR2834065A1 (fr) * 2001-12-20 2003-06-27 Centre Nat Rech Scient Dispositif capteur, dispositif de mesure et dispositif d'analyse comportant un tel dispositif capteur

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WO2003054498A1 (fr) * 2001-12-20 2003-07-03 Centre National De La Recherche Scientifique Dispositif capteur, dispositif de mesure et dispositif d'analyse comportant un tel dispositif capteur

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