LU84072A1 - MESSWANDLER FUER EINEN KRAFTMESSER - Google Patents

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Hans R Dr Zulliger
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Mettler Instrumente Ag
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports

Description

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Mett1er Instrumente AG, Greifensee (Schweiz) nMett1er Instrumente AG, Greifensee (Switzerland) n

Messwandler für einen KraftmesserTransducer for a dynamometer

Die Erfindung betrifft einen Messwandler für einen Kraftmesser, umfassend einen auf Zug beanspruchten Messkörper.The invention relates to a transducer for a dynamometer, comprising a measuring body that is subjected to tension.

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.Conventional metal alloys have hitherto been used for the measuring bodies of such measuring transducers (for example in accordance with German Offenlegungsschrift 23 49 281). This involved a number of problems that arose from the material properties. Influences of temperature, in particular temperature-dependent changes in the modulus of elasticity or in length, and also creep and hysteresis effects 10 could falsify the measurements.

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.The present invention arose from the task of providing a measuring transducer in which creep and hysteresis effects are largely eliminated with high mechanical resilience and the independence of the 15 measurements from temperature influences is improved.

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.To achieve this object, the invention proposes that, in the case of a measuring transducer of the type mentioned at the outset, the measuring body comprises a band-shaped substrate made of amorphous metal, on which sensors for the load-dependent expansion are arranged. As amorphous metal (also called metallic glass), alloys produced in a known manner (e.g. US Pat. No. 5,298,382), which have, for example, the general formula FexByCrz, come into consideration. Such amorphous metals have a very low coefficient of linear expansion with temperature (it can even be zero in the practical temperature range 10), they are very tear-resistant and have little tendency to creep and hysteresis effects. What special composition for the respective application? ste is z. B. can be determined by experiments.

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.A preferred embodiment of the invention is characterized in that the band-shaped substrate has a constriction, in the area of which strain gauges are arranged. This design enables a very compact design (low overall height), the measuring body itself, in particular, requiring only little material.

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 another advantageous embodiment, the band-shaped substrate has two constrictions lying one behind the other in the pulling direction, in the area of which strain gauges are arranged, the measurement force being introduced between the two constrictions. In this case, the advantages of a series connection of the sensors known per se, for example better zero point stability and linearity of the measuring transducer, also result.

In beiden genannten Ausführungsformen sind die Dehnungs-30 messstreifen vorzugsweise paarweise symmetrisch angeordnet .In both of the above-mentioned embodiments, the strain gauges are preferably arranged symmetrically in pairs.

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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.The strain gauges are expediently vapor-deposited or sputtered onto one side of the substrate. This measure means a particularly economical manufacture of the transducer and guarantees 5 good adhesion of the strain gauges to the substrate.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. In den nicht massstäbli-chen Zeichnungen zeigtEmbodiments of the invention are explained below with reference to the drawings. The drawings are not to scale

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, 10 Figur 2 die entsprechende Brückenschaltung,1 shows a first exemplary embodiment, FIG. 2 shows the corresponding bridge circuit,

Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel, und Figur 4 die Brückenschaltung zu Figur 3.3 shows a second exemplary embodiment, and FIG. 4 shows the bridge circuit for FIG. 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.The first example shows a measuring body 10, which is clamped with its fixed end 12 into a bracket 14 of the dynamometer, which is not described in more detail. Its free end 16 is connected to a force transducer 18.

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).A constriction 20 with rounded transitions can be seen symmetrically to the two ends 12, 16. In the area of the constriction 20, two resistors R-j_ and R3 are arranged on one side of the measuring body 20 10. Symmetrically there too, but rotated by 90 °, two further resistors R2 and R4 are provided outside the region of the constriction 20 (reference resistors). Leads 22 connect the ends of the four resistors to contacts 24 to which the 25 lead wires are soldered (not shown).

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 -The measuring body has, for example, the following dimensions: free length between the clamps: 20 mm, width of the ends 12, 16: 10 mm, width of the constriction 20: 5 mm, thickness: 0.05 mm. With a tensile strength of approx. 100 kg, these dimensions allow the measurement of an s - 4 - depending on the selected safety factor on the elastic limit.

Zugkraft F von mehreren kg.Tensile force F of several 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.The production of the measuring body 10 can be carried out as follows: · - punching out the blanks 5 - provisional fastening on a carrier - surface grinding of the blanks - application of the resistors, the lines and the contact points using one of the known photolithographic methods, 10 whereby the processing of several pieces each done simultaneously.

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^.When the measuring body 10 is loaded with the measuring force F, the resistors R 1 and R 3 are loaded in tension. Correspondingly, the bridge of the evaluation circuit (cf. FIG. 2) fed by the voltage Ug is detuned and supplies an evaluation signal U ^ in a known manner.

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.The second example (FIGS. 3 and 4) shows a measuring body 30, which in turn is clamped in place at the top (end 32, bracket 34). Its lower end 36 is also connected to the bracket 34 via a biasing spring 38, the biasing spring 38 being softer than the measuring body 30, that is to say having a smaller spring constant than this.

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.The measuring body 30 has two constrictions 40, 42, in each of which a resistance Rx or Ry is applied, for example vapor-deposited, including contacts 44 for supply lines 46. A bore 50 can be seen in the central part 48 of the measuring body 30. It is used to attach a coupling member to introduce the measuring force 30 (not shown), which in turn is directed downwards and thus, taking into account the preload - 5 - - by the spring 38, an increase in the tensile force in the upper region 40 ( Rx) affects. This arrangement results in improved stability since, for example, temperature fluctuations have an equal effect on both resistances (Rx and Ry).

Figur 4 zeigt die entsprechende Brückenschaltung zur Auswertung (ähnlich Figur 2 zum ersten Beispiel).Figure 4 shows the corresponding bridge circuit for evaluation (similar to Figure 2 for the first example).

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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.Analogous to the first example, the resistors could also be arranged in pairs in both constrictions 40, 42 in order to increase the signal swing (sensitivity of the evaluation circuit). The bridge circuit would then have to be modified accordingly.

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:If a much larger spring constant is selected for the preload spring 38 than for the measuring body 30, in addition to a better linearity between measuring force and measuring signal, a doubling of the measuring signal results:

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.To the same extent that resistance 40 (Rx) changes in one direction under the measuring force, resistance 42 (Ry) changes in the opposite direction.

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.20 The examples mentioned can be modified in various ways within the scope of the concept of the invention. In the case of the first exemplary embodiment, the measurement can in principle also be carried out with only one or two resistors. However, this is then associated with the disadvantage that a smaller measurement signal is present and the compensation of interference (e.g. temperature fluctuations) does not happen automatically.

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^..1. Measuring transducer for a dynamometer, comprising a measuring body that is subjected to tension, characterized in that the measuring body (10; 30) comprises a band-shaped substrate made of amorphous metal, on which sensors (R ^ .. 5. R^; Rx, Ry) für die lastabhängige. Dehnung angeordnet sind.5. R ^; Rx, Ry) for the load-dependent. Stretch are arranged. « 2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bandförmige Substrat eine Einschnürung (20) aufweist, in deren Bereich Dehnungsmessstreifen (R]_,2. Measuring transducer according to claim 1, characterized in that the band-shaped substrate has a constriction (20), in the area of which strain gauges (R] _, 10 R3) angeordnet sind.10 R3) are arranged. 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.3. Transducer according to claim 1, characterized in that the band-shaped substrate has two constrictions (40, 42) one behind the other in the pulling direction, in the area of which strain gauges (Rx, Ry) 15 are arranged, the introduction of the measuring force between the two constrictions he follows. 4. Messwandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen paarweise symmetrisch angeordnet sind.4. Transducer according to claim 2 or 3, characterized in that the strain gauges are arranged symmetrically in pairs. 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.5. Transducer according to one of claims 2 to 4, characterized * in that the strain gauges (R ^ ... R4; Rx »Ry) are vapor-deposited or sputtered onto the substrate on one side.
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