DD232758A5 - Komplexes messelement fuer kraftmesszellen mit dehnungsmessstreifen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein komplexes Messelement fuer Kraftmesszellen, das einen Grundkoerper und mindestens vier Dehnungsmessstreifen enthaelt. Es zeichnet sich durch eine erhoehte Genauigkeit aus, und zwar auch bei grossen Messbereichen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass in einem hohlen Grundkoerper axialsymmetrisch vier Fuesse angeordnet sind, die an eine zur Ebene des Grundkoerpers parallel verlaufende kraftuebertragende Flaeche angeschlossen sind, wobei der kraftuebertragenden Flaeche ein in der Achse des Messelements angeordneter, in den Hohlraum des Grundkoerpers hineinragender Klotz zugeordnet ist. Zwischen dem Klotz und der inneren Ebene des Grundkoerpers besteht ein Spalt. Zwischen dem Klotz und den beiden parallelen Innenseiten des Hohlraums des Grundkoerpers ist jeweils ein diese verbindender, die hoechste Spannung aufnehmender aber der Belastung selbst nicht stark ausgesetzter Zwangsdeformationstraeger angeordnet. An den beiden Seiten jedes Traegers ist wenigstens ein Dehnungsmessstreifen angeordnet, so dass insgesamt vier Dehnungsmessstreifen vorhanden sind. Diese liegen wie ueblich in einer Brueckenschaltung. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein komplexes Meßelement für Kraftmeßzellen mit Dehnungsmeßstreifen, das mindestens vier Dehnungsmeßstreifen enthält, die in einer Wheatstoneschen-Brückenschaltung angeordnet sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Meßelemente mit Dehnungsmeßstreifen bzw. Kraftmeßzellen, die diese Meßelemente enthalten, werden im allgemeinen für Meßbereiche von 5 N bis 120MN hergestellt, wobei deren erreichbare Meßgenauigkeit 0,03 bis 0,5 beträgt. Kraftmeßzellen der erwähnten Art werden in großem Umfang in aller Welt produziert.

In den letzten Jahrzehnten sind jedoch die Ansprüche an eine genauere Messung größer geworden, was auf die Forderungen nach hochproduktiven Fertigungstechnologien und die damit verbundene Automation, d. h. auf die Entwicklung modernster Regelungsanlagen zurückzuführen ist, und was natürlich den Bedarf nach genaueren Meßumformern mit sich brachte. Diese hohen Genauigkeitsanforderungen konnten jedoch nur mit sehr wenigen der bekannten Kraftmeßzellen erfüllt werden, die dann aber auch nur im Mittelbereich des vorgenannten Meßbereiches eingesetzt werden konnten. Der Grund dafür liegt darin, daß die bekannten Kraftmeßzellen so ausgebildet sind, daß die Stelle, an der durch die zu messende Kraft die größte Spannung hervorgerufen wird gleichzeitig die Stelle liegt, die auch der größten Belastung ausgesetzt ist. Es ist allgemein bekannt, daß die Kraftmeßzellen an sich viel bessere Parameter aufweisen, als in der Beschreibung angegeben (z. B. Linearität, Wiederholungsfehler), wenn nur ein Teil des Meßbereiches ausgenutzt wird. Diese Erscheinung kann auf zwei Ursachen zurückgeführt werden. Einerseits wird das Material wesentlich geringer beansprucht als dessen Elastizitätsgrenze ist, andererseits stellt sich, wenn die Kraftmeßzelle einer starken mechanischen Belastung ausgesetzt wird, häufig eine Deformation ein, die auf die Beanspruchung zurückwirkt; beispielsweise kann die Zelle einen speziellen, sich aus der Gestaltung ergebenden Fehler aufweisen. In derartigen Fällen kann die Fehlerkurve eigentlich als regelmäßig angesehen werden, da sie keinen Inflexionspunkt aufweist. Wird nun nur ein Teil dieser Kurve ausgenutzt, kann man genauer messen. Da aber im letzten Fall kleinere Ausgangssignale gemessen werden müssen, ist es erforderlich, hochgenaue signalverarbeitende elektronische Schaltungen einzusetzen.

Kraftmeßzellen weisen auch ständige Fehler auf, hiervon seien z. B. der Nullfehler oder die Temperaturabhängigkeit erwähnt. Bei einem kleinen Signal erscheinen diese Fehler als größere relative Fehler, was recht nachteilig ist. Der durch die Hysterese der Kraftmeßzelle hervorgerufene Fehler kann ein relativer, aber auch ein absoluter Fehler sein, und zwar abhängig davon, ober aus der inneren Reibung des Materials oder aus der Reibung von miteinander im Kontakt stehenden (z. B. kraftzuführenden) Elementen herrührt. Demnach sind die zur Zeit bekannten Kraftmeßzellen so ausgebildet, daß nach Möglichkeit eine geringe Belastung, gleichzeitig aber auch ein möglichst großes Ausgangssignal angestrebt wird. In der Praxis stellt jede Meßzelle jedoch stets einen Kompromiß zwischen den beiden erwähnten Parametern dar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein komplexes Meßelement für Kraftmeßzellen zu entwickeln, mit dem die erwähnten Mängel beseitigt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beiden im wesentlichen einander widersprechenden obenerwähnten Forderungen miteinander in Einklang zu bringen. Es wurde erkannt, daß in dem lasttragenden Hauptelement des Meßelements die mechanische Spannung niedrig ist und das hohe Ausgangssignal durch eine hohe mechanische Spannung erreicht werden kann,,die in einem, sich dem lasttragenden. Hauptelementjnschließenden, wesentlich kleinereaZwangsdeformatLons.träger entsteht. Dadurch ist die Deformation des lasttragenden Hauptelementes linear und weitgehend stabil. Diese Deformation kann dann auf einen wesentlich kleineren Zwangsdeformationsträger übertragen werden, auf dem dann die Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind. Diese Lösung, die im völligen Gegensatz zu den üblichen, auf minimale Abmessungen gerichteten Forderungen steht, wurde im Interesse einer erhöhten Genauigkeit entwickelt.

Demnach betrifft die Erfindung ein komplexes Meßelement für Kraftmeßzellen mit Dehnungsmeßstreifen, das einen Grundkörper und mindestens vier daran befestigte Dehnungsmeßstreifen enthält.

Erfindungsgemäß ist hierbei die Anordnung so getroffen, daß am Hohlraum des hohlen Grundkörpers mit zwei parallelen Wänden axialsymmetriseh vier Füße angeordnet sind, die an eine mit zur Ebene des Grundkörpers parallel verlaufende kraftübertragende Fläche angeschlossen sind, daß der kraftübertragenden Fläche ein in der Achse des Meßelements angeordneter, in den Hohlraum des Grundkörpers hineinragender Klotz zugeordnet ist, daß zwischen dem Klotz und der inneren unteren Ebene des Grundkörpers ein Spalt ausgebildet ist, und daß zwischen dem Klotz und den beiden parallelen Innenseiten

jes Hohlraums des Grundkörpers jeweils ein diese verbindender, die höchste Spannung aufnehmender, aber der Belastung selbst nicht stark ausgesetzter Zwangsdeformationsträger angeordnet ist, an dessen beiden Seiten wenigstens jeweils ein, also nsgesamt vier Dehnungsmeßstreifen in Richtung der Spannung angeordnet sind.

3ei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen komplexen Meßelements ist zwischen den Füßen und der craftübertragenden Fläche eine zweckmäßig dicke parallele flache Platte angeordnet.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen komplexen Meßelements ist dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper mit einem zum Einspannen geeigneten Vorsprung versehen ist, wodurch Zug und Druck gleichermaßen gemessen werden können.

Λ/ie bereits angedeutet, besteht bei dem erfindungsgemäßen Meßelement gegenüber den bekannten Lösungen der unterschied, daß die Dehnungsmeßstreifen nicht auf das lasttragende Hauptelement aufgebracht, sondern auf getrennte, aber nit dem Hauptelement in einer Zwangsdeformationsverbindung stehende Halter aufgeklebt sind, in denen die mechanische Spannung dem Mehrfachen der im lasttragenden Hauptelement entstehenden Spannung entspricht.

Ausführungsbeispiele

Das erfindungsgemäße Meßelement wird anhand einiger vorteilhafter Ausführungsformen nachfolgend näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: ein einfacheres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem im wesentlichen das Prinzip des erfindungsgemäßen

komplexen Meßelements beobachtet werden kann, Fig. 2: die Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das zweckmäßig zur Messung einer Belastung unter 11 geeignet

Fig. 3: die Ansicht einer weiteren Ausführungsform, Fig. 4: Die Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das sowohl auf Zug als auch auf Druck beansprucht werden

Fig.5: den Schnitt entlang der Linie A-A der Fig.4, Fig. 6: den axialen Schnitt der Fig. 4.

Fig. 1 stellt das Wesentliche des erfindungsgemäßen komplexen Meßelements schematisch dar. Es ist ersichtlich, daß an einem hohlen mit zwei parallelen und zur Grundfläche senkrecht verlaufenden Seiten versehenen Grundkörper 4 vier Füße 1 angeordnet sind, die symmetrisch zur Achse des Meßelements angeordnet sind. Die Füße 1 sind mit einer krafteinführenden Fläche 6 verbunden. Die Verbindung zwischen den Füßen 1 und der krafteinführenden Fläche 6 kann beliebig ausgeführt werden, die einzige wesentliche Forderung besteht darin, daß die krafteinführende Fläche 6 parallel zum Grundkörper verläuft, d. h. senkrecht auf der Achse des Meßelements steht. In der Achse des Meßelements ist ein in den Hohlraum hineinragender, mit der krafteinführenden Fläche 6 verbundener Klotz 2 ausgebildet und so im Inneren des Hohlraums angeordnet, daß zwischen seiner Unterseite und der inneren Ebene des Grundkörpers 4 ein zweckentsprechend gewählter Spalt 7 vorhanden ist. Bei der Abmessung des Spaltes 7 können mehrere Gesichtspunkte berücksichtigt werden. Der Spalt 7 muß wenigstens so groß sein, daß seine Größe der möglichen Bewegung der krafteinführenden Fläche 6 entspricht. Der Spalt 7 kann aber außerdem auch noch für Schutzzwecke ausgenutzt werden. Zwischen den Seitenflächen des Klotzes 2 und den inneren Seiten 8 des Hohlraums des Grundkörpers 4, die mit den Füßen 1 verbunden sind, sind Mittel vorgesehen, die die Aufgabe haben, unter der Einwirkung der auf die krafteinführende Fläche 6 ausgeübten Spannung eine Verschiebung des Klotzes 2 auf die sich dem Grundkörper 4 anschließenden Zwangsdeformationsträger 3, auf denen die Dehnungsmeßstreifen 5 in Richtung der einwirkenden Spannung angeordnet sind, zu übertragen. Die Dehnungsmeßstreifen 5 sind so angeordnet, daß an beiden Seiten beider Zwangsdeformationsträger 3 wenigstens ein, d. h. also insgesamt mindestens vier Dehnungsmeßstreifen 5 vorgesehen sind, die in an sich bekannter Weise in einer Wheatstoneschen-Brückenschaltung angeordnet sind. Dadurch wird das Ausgangssignal der Brücke in entsprechenderweise aufgearbeitet und zwar so, daß das Ausgangssignal der Brücke der Kraft bzw. der Belastung proportional ist.

Der Vorteil der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besteht darin, daß es, da die Füße 1 verhältnismäßig weit voneinander angeordnet sind, sehr stabil und ziemlich richtungsunempfindlich ist.

Im wesentlichen weist die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform einen ähnlichen Aufbau auf; sie kann lediglich nur bei kleineren Meßbereichen verwendet werden, da die Füße 1 für eine wesentlic h kleinere Belastung dimensioniert, also entsprechend schwächer sind.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Bei dieseer Ausführungsform ist ein zylindrischer Körper vorgesehen, es stimmt aber mit den vorerwähnten Lösungen grundsätzlich überein.

In den Fig. 4,5 und 6 sind Ausführungsformen dargestellt, die sowohl auf Zug als auch auf Druck beansprucht werden können, da auf der Unterseite des Grundkörpers 4 ein zum Einspannen geeigneter Vorsprung vorgesehen ist. Ein derartiges Meßelement kann z. B. in Materialprüfeinrichtungen eingesetzt werden, wo die Elementesowohl auf Zug als auch auf Druck geprüft werden können.

Wenn man die erfindungsgemäßen Anordnungen gründlich betrachtet, ist eindeutig ersichtlich, daß diese so ausgebildet sind, daß — falls der Zwangsdeformationsträger 3 infolge irgendeines Schadens zerreißt oder zerbricht — die Belastung des lasttragenden Hauptelements 6 sich nicht wesentlich ändert.

Ein grundsätzliches Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß diese Eigenschaft bei den bekannten Meßzellen nicht vorhanden ist. Eine derartige Beschädigung kann auch zum Verlust der lasttragenden Funktion führen. Die im Abstand voneinander angeordneten Füße 1 sichern eine hochgradige Stabilität für das gesamte System.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen komplexen Meßelements liegt daher darin, daß es auch bei einer dynamischen Belastung mit hoher Genauigkeit mißt und richtungsunempfindlich ist. Wo keine Möglichkeit zum Schutz gegen Überlastung gegeben ist, wird der Schutz dadurch erreicht, daß bei einem eventuellen Bruch des Zwangsdeformationsträgers 3 sich die Belastung für das lasttragende Hauptelement 6 kaum ändert.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Meßelements können die lasttragenden Hauptelemente-innerhalb der Grenzen der technischen Möglichkeiten-überdimensioniert werden, da nur ihre Deformation von Bedeutung ist. So kann auch bei großen Meßbereichen der Schutz gegen Bruch realisiert werden, da die als Fühler verwendeten Dehnungsmeßstreifen an der Stelle der höchsten Spannung und nicht an der Stelle der größten Belastung angeordnet sind. Der Schutz wird durch die Gestaltung des Grundkörpers 4, der Füße 1 und der krafteinführenden Fläche 6 und der gegenseitigen Verbindung dieser Teile erreicht. Ein weiterer Schutz wird dadurch erreicht, daß zwischen den Füßen 1, der krafteinführenden Fläche 6 und dem Grundkörper 4 eine Deformationsverbindung durch den dazwischenliegenden Zwangsdeformationsträger 3 besteht. Selbst wenn der Teil, der der hohen mechanischen Spannung ausgesetzt ist, aus dem Meßelement entfernt wird, wird die Deformation sich nicht auf das Doppelteerhöhen, auch die Belastungsfähigkeit wird nicht stark abnehmen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Komplexes Meßelement für Kraftmeßzellen mit Dehnungsmeßstreifen, das einen Grundkörper und mindestens vier Dehnungsmeßstreifen enthält, gekennzeichnet dadurch, daß an dem von zwei parallelen Wänden begrenzten Innenraum des hohlen Grundkörpers (4) axialsymmetrisch vier Füße (1) angeordnet sind, die mit einer zur Ebene des Grundkörpers (4) parallel verlaufenden kraftübertragenden Fläche (6) verbunden sind, daß der kraftübertragenden Fläche ein axial im Meßelement angeordneter, in den Hohlraum des Grundkörpers (4) hineinragender Klotz (2) zugeordnet ist, daß zwischen dem Klotz und der inneren unteren Ebene des Grundkörpers (4) ein Spalt (7) ausgebildet ist, und daß zwischen dem Klotz (2) und den beiden parallelen Innenseiten (8) des Hohlraums des Grundkörpers (4) jeweils ein diese verbindender, die höchste Spannung aufnehmender, aber der Belastung selbst nicht stark ausgesetzter Zwangsdeformationsträger (3) angeordnet ist, an dessen beiden Seiten wenigstens jeweils ein, also insgesamt vier Dehnungsmeßstreifen (5) in Richtung der einwirkenden Spannung angeordnet sind.

2. Komplexes Meßelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den Füßen (1) und der krafteinführenden Fläche (6) eine zweckmäßig dicke parallele flache Platte angeordnet ist.

3. Komplexes Meßelement nach Anspruch 1 öder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Grundkörper (4) mit einem zum Einspannen geeigneten Vorsprung (9) versehen ist, wodurch Zug und Druck gleichermaßen gemessen werden können.

Hierzu

4 Seiten Zeichnungen