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Vorrichtung zur elektrischen Messung mechanischer Kräfte
Für die Messung
von Druck- und Zugkräften sind magnetoelastische und kapazitive Druckmeßdosen bekannt.
Es ist ein Nachteil dieser bekannten Meßdosen, daß einerseits der Meßbereich beschränkt
ist und daß andererseits, namentlich was die kapazitiven Meßdosen angeht, die Herstellung
eine erhebliche Präzision verlangt und sehr teuer ist.
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Die Erfindung betrifft eine Druck- und Zugrnessung, die auf der Abhängigkeit
der Dielektrizitätskonstante gewisser Dielektrika von der mechanischen Belastung
beruht. Es ist z. B. Bariumtitanat ein Dielektrikum, dessen Dielektrizitätskonstante
von der mechanischen Beanspruchung sehr stark abhängig ist. Da außerdem Bariumtitanat
eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante besitzt, ist dieser Stoff als Dielektrikum
für eine elektrostatische Druckmeßdose hervorragend geeignet; denn bei gleicher
Flächengröße der Meßdose ist ihre Kapazität mit Bariumtitanat als Dielektrikum etwa
dreißigmal so groß wie die der bisher üblichen Blechdosen mit Luft als Dielektrikum.
Daraus ergibt sich eine entsprechend höhere Empfindlichkeit einer Meßdose mit Bariumtitanat
oder einem anderen Dielektrikum ähnlicher oder noch darüber hinausgehender Größe
der Konstante.
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Der Kondensator mit einem Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante
kann beispielsweise ein ebenflächiger Kondensator sein für die Messung von Drucken
senkrecht zu den Kondensatorbelegungen.
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Es gibt aber auch andere Ausführungsformen für eine Meßeinrichtung
nach der Erfindung: der Kondensator mit dem druckempfindlichen Dielektrikum ist
beispielsweise als Zylinderkondensator gestaltet und kann sowohl einem äußeren wie
auch einem inneren Druck in radialer Richtung ausgesetzt werden. In dieser Form
eignet er sich z. B. für die Messungen von Überdruck oder Unterdruck in einem flüssigen
oder
gasförmigen Medium. Die Meßeinrichtung kann auch Stabform haben
mit in Achsrichtung aufeinanderfolgenden Kapazitätselementen, und zwar gleichzeitig
von Elementen, die beispielsweise oberhalb und unterhalb der neutralen Zone bei
lotrechter Biegungsbeanspruchung angeordnet sind, so daß bei der Biegung die oberhalb
liegenden Kondensatorelemente mit dem angegebenen Dielektrikum auf Zug, die unterhalb
angeordneten Kondensatorelemente dagegen auf Druck beansprucht werden. Die Kondensatorelemente
der oberen und der unteren Hälfte des Stabes können untereinander zusammengeschaltet
werden, während die obere Gruppe von der unteren Gruppe getrennt bleibt. Bei einer
Biegungsbeanspruchung ändern sich dann die beiden Kondensatorgruppen gegenläufig,
so daß ihre Wirkungen in einer Meßschaltung, entsprechend der Größe ihrer Summe,
erfaßt werden.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit oder Anwendungsmöglichkeit. für
eine Meßeinrichtung nach der Erfindung besteht z. B. darin, daß eine Meßdose einen
in sich geschlossenen Hohlraum im Innern aufweist und beispielsweise mit einem gasförmigen
oder flüssigen Medium gefüllt ist und in den die zu bestimmende Meßgröße einen Tauchkolben
hineindrücken kann. Der dadurch gesteigerte Innendruck überträgt sich auf die Wandung
des Hohlraumes, welche die eine Belegung eines Kondensators nach der Erfindung darstellt.
Auf diese Weise ist z. B. eine Drehmomentmessung, eine Gewichtsmessung, ein Strömungsdruck
u. dgl. mit den Mitteln der Erfindung leicht durchführbar. Grundsätzlich sind alle
Messungen mit Hilfe einer Meßdose gemäß der Erfindung ausführbar, bei denen es sich
um mechanische Kräfte oder beliebige andere Meßgrößen handelt, die sich in eine
mechanische Kraft umwandeln lassen.
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Zur Erläuterung der Erfindung dienen zwei Abbildungen.
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Abb. I zeigt die grundsätzliche Anordnung einer Druckmeßdose nach
der Erfindung. Zwischen zwei Stahlplatten I und 2 befindet sich eine Scheibe 3 aus
Bariumtitanat. Die Anordnung I, 2, 3 bildet einen Kondensator. Dieser ist in der
Richtung senkrecht zu der Schicht 3 belastbar, wobei das Dielektrikurn 3 seine Dielektrizitätskonstante
ändert. Die Stahlplatten I und 2 sind durch je eine isolierende Zwischenlage 4 und
5, vorzugsweise durch eine Glimmerschicht, elektrisch von der übrigen Meßeinrichtung
bzw. dem Teil der Anlage, durch den ein Druck auf das Dielektrikum 3 übertragen
wird, getrennt. Als Widerlager für die von außen wirkende Druckkraft ist eine Platte
6 auf der einen Seite und eine Platte 7 auf der anderen Seite vorgesehen. Die zwischen
den beiden Kondensatorbelegungen I und 2 bestehende druckabhängige Kapazität wird
über zwei Meßleitungen 8 einer Kapazitätsmeßeinrichtung zugeleitet, beispielsweise
einer Brückenschaltung oder einer Schaltung, welche die Resonanzfrequenz eines Schwingungskreises
feststellt, dem die Kapazität zwischen den Belegen I und 2 angehört. Es können auch
Kippresonanzschaltungen oder Blinkschaltungen angewendet werden, wobei deren Arbeitsfrequenz
durch die zu messende Kapazität der Meßdose beeinflußt wird.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. 2 schematisch
angedeutet. In einem Halter g ist ein stabförmiger Hohlkörper IO fest eingespannt.
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Der Hohlkörper wird durch eine zu messende Kraft ii auf Biegung beansprucht.
Der Stab ist aus einer Reihe von Kondensatorelementen zusammengesetzt.
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In grober Übertreibung sind die dielektrischen Schichten 12 und' I3
sehr breit gezeichnet, zwischen denen schmaler die metallischen Belegungen hervortreten.
In der für die Biegungsbeanspruchung neutralen Zone 14 sind die metallischen Belegungen
15 und I6 unterbrochen, so daß also oberhalb und unterhalb der neutralen Ebene getrennte
Kondensatorenreihen vorhanden sind. Durch die Belastung II wird der Stab Io nach
unten gebogen, wodurch die dielektrischen Schichten oberhalb der neutralen Ebene
gedehnt, die unteren dagegen zusammengedrückt werden. Daraus ergeben sich entgegengesetzt
gleiche Kapazitätsänderungen für die beiden Kondensatorgruppen, und die Wirkung
dieser Änderungen kann in einer Meßschaltung summiert werden. Diese Anordnung hat
gleichzeitig den Vorteil, daß sie ermöglicht, einen Temperatureinfluß auf die Dielektrizitätskonstante
des verwendeten Materials auszuschalten, weil beide Kondensatorgruppen den gleichen
Erwärmungsgrad haben.