LU84071A1 - Messwandler fuer einen kraftmesser - Google Patents

Description

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Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Messwandler für einen Kraftmesser

Die Erfindung bezieht sich auf einen Messwandler für einen Kraftmesser, umfassend einen auf Zug beanspruchten Messkörper, dessen lastabhängige Dehnung ein elektrisches Signal liefert.

5 Ein solcher Messwandler ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 23 49 281 bekannt.

Aufgabe der Erfindung war es, den bekannten Messwandler in bezug auf seine mechanischen Eigenschaften (z.B. seine Belastbarkeit), aber auch seine Empfindlichkeit gegen Tem-, 10 peraturSchwankungen spürbar zu verbessern und trotzdem in

Aufbau und Herstellung einfach zu gestalten.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der bandförmig ausgebildete Messkörper aus einem amorphen Metall besteht. Das amorphe Metall (auch métal-15 lisches Glas genannt) kann beispielsweise von der Zusammensetzung NixSiyBz oder Ni^i^BçjFe^ oder auch FexCryBz sein. Solche Legierungen erlauben eine Zugbelastung von bei- - 2 - spielsweise gegen 40 kg/mm^ im elastischen Bereich. Ihre Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls wie auch des elektrischen Widerstandes lassen sich durch geeignete, an sich bekannte Legierungszusätze unabhängig von-5 einander auf wenigstens angenähert Null reduzieren, was für die praktischen Messeigenschaften sehr bedeutsam ist. Ferner sind die Kriechfestigkeit wie auch die kleine Hysterese amorpher Metalle besonders vorteilhaft.

Vorzugsweise verfügt der Messwandler über eine Einschnü-10 rung, deren lastabhängige WiderStandsänderung das Messsignal liefert. Eine solche Ausbildung hat den Vorteil, dass die für die Messung ausgenützte Zone des Messwandlers eindeutig definiert ist und zudem von Randstelleneffekten (z.B. aus der Einspannung) praktisch frei ist.

15 In einer anderen bevorzugten Ausführungsform steht der

Messkörper unter einer mechanischen Vorspannung und verfügt er über zwei Einschnürungen, deren lastabhängige Wi-erstandsänderungen gemessen werden, wobei die Messkraft zwischen den beiden Einschnürungen eingeleitet wird. Eine 20 derartige Ausbildung weist besondere Vorzüge auf bezüglich der Stabilität auch gegenüber TemperaturSchwankungen und bezüglich der Linearität und erlaubt zudem bei geeigneter Dimensionierung eine Erhöhung des Messsignals.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an-25 hand der Zeichnung erläutert. In der nicht massstäblichen Zeichnung ist

Figur 1 die Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels,·

Figur 2 die entsprechende Brückenschaltung, 30 Figur 3 die Darstellung eines zweiten Ausführungs- beispiels, und

Figur 4 die Brückenschaltung zu Figur 3.

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Im ersten Ausführungsbeispiel umfasst der Messkörper 10 ein schmales Band 12 aus metallischem Glas, das an seinem einen Ende im Gestell 14 des Messgerätes eingespannt ist. Am freien Ende ist eine Bohrung 16 zur Aufnahme eines 5 üebertragungselementes für die Messkraft F vorgesehen.

Zwei Löt- oder Schweisspunkte 18, 20 zwischen Einspannung (14) und Bohrung 16 dienen dem Anschluss elektrischer Zuleitungen.

Der Bereich zwischen den beiden Lötpunkten 18 und 20 bil-10 det den eigentlichen Messwandler. Bei Belastung mit der Messkraft F wird das Band 12 gedehnt, und es ändert sich der elektrische Widerstand Rx. Diese Widerstandsänderung wird in bekannter Weise mittels einer Brückenschaltung gemäss Figur 2 verarbeitet: Eine Spannung üs speist die 15 bei Messkraft F = 0 abgeglichene Brücke mit den festen Präzisionswiderständen R^, R2 und R3. Bei Belastung mit der Messkraft F wird die Brücke verstimmt, es ergibt sich das Messsignal 1¾. Zweckmässigerweise sind dabei die Widerstände Ri und Rx einerseits, R2 und R3 andererseits 20 paarweise abgeglichen auch hinsichtlich der Temperaturkoef-fizienten des Widerstandes.

Eine typische Dimensionierung des Bandes 12 ist folgende: Wirksame Länge 100 mm, Breite 2 mm, Dicke 0,05 mm. Aus dem O .

Querschnitt von 0,1 mm und einer Reissfestigkeit von ca. 25 400 kg/mm2 ergibt sich eine Reisskraft von 40 kg und eine zuverlässige Messkraft von ca. 4 kg innerhalb des Elastizitätsbereiches. Bei einem Gesamtwiderstand der wirksamen Bandlänge von 1.3 Ohm ergibt sich für eine Dehnung von 2 Promille eine .Widerstandsänderung von 2,6 mOhm, die sich 30 bei Anwendung geeigneter Messmethoden (z.B. mittels Wechselstrom) ohne weiteres in Messschritte von 2,6 yOhm auf-lösen lässt, was einer Auflösung von 1000 Punkten entspricht.

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Sowohl die Einspannung des Bandes 12 als auch die Krafteinleitung ist durch Verwendung geeigneter Materialien elektrisch zu isolieren (in der Zeichnung nicht dargestellt) .

5 Die Herstellung des Materials für das Band 12 kann in bekannter Weise erfolgen (beispielsweise gemäss der US-Pa-tentschrift 4,298,382).

Der hier in seiner einfachsten Form gezeigte Messkörper kann gemäss den eingangs gegebenen Erläuterungen noch 10 verfeinert werden, indem man den wirksamen Bereich des Bandes 12 (zwischen den Lötpunkten 18 und 20) schmaler wählt als die beiden Enden (ähnlich einer Hälfte des unten beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiels). Die gewünschte Formgebung kann aus dem Rohmaterial beispiels-• 15 weise durch Stanzen bewirkt werden.

Firgur 3 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel. Der Messkörper 22 besteht wiederum aus einem Band von 100 mm Länge und 0,05 mm Dicke, das mit seinem oberen Ende 23 im Gestell 24 (elektrisch isoliert) ortsfest eingespannt 20 ist. Das Band weist hier zwei Einschnürungen 26 und 28 von 2 mm Breite auf, welche die wirksamen Längen der Widerstände Rx und Ry definieren. Elektrische Anschlüsse 30 für die Zuleitungen 32 sind durch Punktschweissung auf dem Band angebracht.

25 In der Mitte zwischen den beiden Einschnürungen 26, 28 dient eine Bohrung 34 zur Aufnahme eines Organs zur Kraftübertragung; die wiederum nach unten gerichtete Messkraft F wird hier also zwischen den beiden Messwiderständen Rx und Ry eingeleitet. Das untere Ende 36 des Messkörpers 22 30 ist über eine Vorspannfeder 38 mit dem Gestell 24 verbunden. Bei geeigneter Abstimmung der Federkonstanten von Messkörper und Vorspannfeder 38 sowie der Vorspannkraft - 5 - ; .. lässt sich mit dieser Anordnung neben einer besseren Li nearität eine Erhöhung des Messsignals erzielen, da sich die Widerstände Rx und Ry in gegenläufigem Sinne ändern. Ferner ist infolge der gleichartigen Auswirkung von Tem-5 peraturschwankungen auf beide Widerstände eine weitgehende Kompensation solcher Einflüsse gegeben.

Die Auswerteschaltung der Figur 4 zeigt eine der möglichen Anordnungen der Messwiderstände Rx und Ry sowie der festen Widerstände R^ und Rg.

10 Mancherlei Variationen im Rahmen der Erfindung sind denkbar. Beispielsweise kann die Vorspannkraft im zweiten Ausführungsbeispiel statt durch eine. Feder auch durch eine Masse erzeugt werden.

Der erfindungsgemässe Messwandler wirkt einerseits als 15 Dehnungsmessstreifen, andererseits als Feder. Er liefert also sowohl das Messsignal als auch die Rückstellkraft. Durch die Verwendung von amorphem Metall wird eine Kombination guter Feder- mit guten Widerstandseigenschaften möglich, was mit konventionellen Widerstandsmaterialien 20 aufgrund von deren unbefriedigenden Federeigenschaften nicht erreichbar ist.

Claims (3)

1. Messwandler für einen Kraftmesser, umfassend einen auf Zug beanspruchten Messkörper, dessen lastabhängige Dehnung ein elektrisches Signal liefert, dadurch gekennzeichnet, dass der bandförmig ausgebildete Mess-5 Körper (10; 22) aus einem amorphen Metall besteht. • 2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper über eine Einschnürung verfügt, deren lastabhängige Widerstandsänderung das Messsignal * liefert.

3. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (22) unter einer mechanischen Vorspannung steht und über zwei Einschnürungen (26, 28) verfügt, deren lastabhängige Widerstandsänderungen gemessen werden, wobei die Messkraft zwischen den beiden

15 Einschnürungen eingeleitet wird.