LU84072A1 - Messwandler fuer einen kraftmesser - Google Patents

Description

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Mett1er Instrumente AG, Greifensee (Schweiz) n

Messwandler für einen Kraftmesser

Die Erfindung betrifft einen Messwandler für einen Kraftmesser, umfassend einen auf Zug beanspruchten Messkörper.

Für die Messkörper solcher Messwandler wurden bisher konventionelle Metallegierungen verwendet (beispielsweise ge-5 mäss der deutschen Offenlegungsschrift 23 49 281). Damit verbunden war eine Reihe von Problemen, die sich aus den Materialeigenschaften ergaben. Temperatureinflüsse, insbesondere temperaturabhängige Aenderungen des Elastizitätsmoduls oder der Länge, ferner Kriech- und Hystereseeffekte 10 konnten die Messungen verfälschen.

Die vorliegende Erfindung entstand aus der Aufgabenstellung, einen Messwandler bereitzustellen, bei welchem bei hoher mechanischer Belastbarkeit Kriech- und Hystereseeffekte weitgehend entfallen und die Unabhängigkeit der 15 Messungen von Temperatureinflüssen verbessert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass bei einem Messwandler der eingangs genannten Art der Mess- - 2 - körper ein bandförmiges Substrat aus amorphem Metall umfasst, auf welchem Sensoren für die lastabhängige Dehnung angeordnet sind. Als amorphes Metall (auch metallisches Glas genannt) kommen in bekannter Weise (z.B. US-Patent-5 schrift 4,298,382) hergestellte Legierungen in Betracht, die beispielsweise die allgemeine Formel FexByCrz aufweisen. Derartige amorphe Metalle haben einen sehr niedrigen Längenausdehnungskoeffizienten mit der Temperatur (er kann sogar im praktisch interessierenden Temperaturbereich 10 bei Null liegen), sie sind sehr reissfest und neigen kaum zu Kriech- und Hystereseeffekten. Welche spezielle Zusam-' mensetzung für den jeweiligen Anwendungsfall die günstig- ! ste ist, kann z. B. durch Versuche ermittelt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch 15 gekennzeichnet, dass das bandförmige Substrat eine Einschnürung aufweist, in deren Bereich Dehungsmessstreifen angeordnet sind. Diese Ausbildung ermöglich eine sehr kompakte Bauweise (niedrige Bauhöhe), wobei insbesondere der Messkörper selbst nur wenig Material benötigt.

20 Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform verfügt das bandförmige Substrat über zwei in Zugrichtung hintereinander liegende Einschnürungen, in deren Bereich Dehnungsmessstreifen angeordnet sind, wobei die Einleitung der Messkraft zwischen den beiden Einschnürungen erfolgt. In 25 diesem Fall ergeben sich zusätzlich die an sich bekannten Vorteile einer Reihenschaltung der Sensoren, beispielsweise eine bessere Nullpunktstabilität und Linearität des Messwandlers.

In beiden genannten Ausführungsformen sind die Dehnungs-30 messstreifen vorzugsweise paarweise symmetrisch angeordnet .

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Zweckmässigerweise sind die Dehnungsmessstreifen einseitig auf das Substrat aufgedampft oder aufgesputtert (aufgestäubt) . Diese Massnahme bedeutet eine besonders wirtschaftliche Herstellung des Messwandlers und garantiert 5 eine gute Haftung der Dehnmessstreifen auf dem Substrat.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. In den nicht massstäbli-chen Zeichnungen zeigt

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, 10 Figur 2 die entsprechende Brückenschaltung,

Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel, und Figur 4 die Brückenschaltung zu Figur 3.

Das erste Beispiel zeigt einen Messkörper 10, der mit seinem ortsfesten Ende 12 in eine nicht näher ausgeführte Kon-15 sole 14 des Kraftmessers eingespannt ist. Sein freies Ende 16 ist mit einem Kraftaufnehmer 18 verbunden.

Symmetrisch zu den beiden Enden 12, 16 ist eine Einschnürung 20 mit gerundeten Uebergängen zu erkennen. Im Bereich der Einschnürung 20 sind auf einer Seite des Messkörpers 20 10 zwei Widerstände R-j_ und R3 angeordnet. Symmetrisch da zu, jedoch um 90° gedreht, sind ausserhalb des Bereichs der Einschnürung 20 zwei weitere Widerstände R2 und R4 vorgesehen (Referenzwiderstände). Leitungen 22 verbinden die Enden der vier Widerstände mit Kontakten 24, an welche die 25 Zuleitungsdrähte angelötet sind (nicht dargestellt).

Der Messkörper hat beispielsweise folgende Dimensionen: Freie Länge zwischen den Einspannungen: 20 mm, Breite der Enden 12, 16: 10 mm, Breite der Einschnürung 20: 5 mm, Dicke: 0,05 mm. Diese Dimensionen erlauben, bei einer 30 Reisskraft von ca. 100 kg, je nach dem gewählten Sicherheitsfaktor auf die Elastizitätsgrenze die Messung einer s - 4 -

Zugkraft F von mehreren kg.

Die Herstellung des Messkörpers 10 kann seriemässig so erfolgen: · - Ausstanzen der Rohlinge 5 - Provisorische Befestigung auf einem Träger - Planschleifen der Rohlinge - Aufbringen der Widerstände, der Leitungen und der Kontaktstellen mit einem der bekannten fotolithografischen Verfahren, 10 wobei die Bearbeitung jeweils mehrerer Stücke gleichzeitig erfolgt.

Bei Belastung des Messkörpers 10 mit· der Messkraft F werden die Widerstände R^ und R3 auf Zug belastet. Entsprechend wird die von der Spannung Ug gespeiste Brücke der 15 Auswerteschaltung (vgl. Figur 2) verstimmt und liefert in bekannter Weise ein Auswertesignal U^.

Das zweite Beispiel (Figuren 3 und 4) zeigt einen Messkörper 30, der wiederum oben ortsfest eingespannt ist (Ende 32, Konsole 34). Sein unteres Ende 36 ist über eine 20 Vorspannfeder 38 ebenfalls mit der Konsole 34 verbunden, wobei die Vorspannfeder 38 weicher ist als der Messkörper 30, das heisst eine kleinere Federkonstante hat als dieser.

Der Messkörper 30 weist zwei Einschnürungen 40, 42 auf, in 25 deren Bereich je ein Widerstand Rx bzw. Ry aufgebracht, beispielsweise aufgedampft ist, einschliesslich Kontakten 44 für Zuleitungen 46. Im Mittelteil 48 des Messkörpers 30 ist eine Bohrung 50 zu erkennen. Sie dient zur Befestigung eines Koppelgliedes zur Einleitung der Messkraft 30 (nicht gezeichnet), die wiederum nach unten gerichtet ist und sich somit, unter Berücksichtigung der Vorspannung - 5 - - durch die Feder 38, in einer Erhöhung der Zugkraft im obe ren Bereich 40 (Rx) auswirkt. Aus dieser Anordnung resultiert eine verbesserte Stabilität, da sich beispielsweise Temperaturschwankungen gleichermassen auf beide Wider-5 stände (Rx und Ry) auswirken.

Figur 4 zeigt die entsprechende Brückenschaltung zur Auswertung (ähnlich Figur 2 zum ersten Beispiel).

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Analog zum 1. Beispiel könnten auch hier in beiden Ein-Schnürungen 40, 42 die Widerstände paarweise angeordnet 10 sein, um eine Vergrösserung des Signalhubs (Empfindlichkeit der Auswerteschaltung) zu erreichen. Die Brückenschaltung wäre dann entsprechend zu modifizieren.

Wird für die Vorspannfeder 38 eine sehr viel grössere Federkonstante gewählt als für den Messkörper 30, so re-15 sultiert neben einer besseren Linearität zwischen Messkraft und Messsignal eine Verdoppelung des Messsignals:

Im gleichen Masse, wie sich unter der Messkraft der Widerstand 40 (Rx) in der einen Richtung ändert, ändert sich der Widerstand 42 (Ry) in der Gegenrichtung.

20 Die genannten Beispiele können auf mancherlei Art im Rahmen des Konzepts der Erfindung modifiziert werden. So kann im Falle des ersten Ausführungsbeispiels die Messung prinzipiell auch mit nur einem oder zwei Widerständen erfolgen. Dies ist dann allerdings mit dem Nachteil ver-25 knüpft, dass ein kleineres Messsignal vorliegt und die Kompensation von Störeinflüssen (z.B. TemperaturSchwankungen) nicht automatisch geschieht.

Claims (5)

1. Messwandler für einen Kraftmesser, umfassend einen auf Zug beanspruchten Messkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (10; 30) ein bandförmiges Substrat aus amorphem Metall umfasst, auf welchem Sensoren (R^..

5. R^; Rx, Ry) für die lastabhängige. Dehnung angeordnet sind.

« 2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bandförmige Substrat eine Einschnürung (20) aufweist, in deren Bereich Dehnungsmessstreifen (R]_,

10 R3) angeordnet sind.

3. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bandförmige Substrat über zwei in Zugrichtung hintereinander liegende Einschnürungen (40, 42) verfügt, in deren Bereich Dehnungsmessstreifen (Rx, Ry) 15 angeordnet sind, wobei die Einleitung der Messkraft zwischen den beiden Einschnürungen erfolgt.

4. Messwandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen paarweise symmetrisch angeordnet sind.

5. Messwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch * gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (R^...R4; Rx» Ry) einseitig auf das Substrat aufgedampft oder aufgesputtert sind.