DE1282301B

DE1282301B - Vorrichtung zum Messen von Wegen

Info

Publication number: DE1282301B
Application number: DE1963B0071039
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Juergen Burbach; Wolfgang Scholz
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1963-03-08
Filing date: 1963-03-08
Publication date: 1968-11-07

Description

Vorrichtung zum Messen von Wegen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Wegen, bei der eine infolge einer Wegänderung auftretende Verbiegung einer Blattfeder auf elektrischem Wege von einem Meßwerk erfaßt wird. Derartige Vorrichtungen sind auch zur Messung anderer mechanischer Größen anwendbar, die durch einfache Beziehung mit dem Weg und davon abgeleiteten mechanischen Größen verknüpft sind.
Bei bekannten elektrischen Meßgeräten für Wege wird der Meßwert auf mechanischem, optischem, pneumatischem oder elektrischem Wege iibertragen.
Es hat sich gezeigt, daß die Umwandlung der rnechanischen Größe in eine elektrische und die Rückumwandlung der elektrischen Größe in eine mechanische, beispielsweise in einen Zeigerausschlag, also in eine Länge, der einfachen Ubersetzung der mechanischen Größe in eine Länge überlegen ist. Elektrische Meßgeräte sind hequem zu handhaben, reagieren schnell auf Anderungen der Meßgröße und vermögen jede Entfernung zu überbrücken. Ein wesentlicher Vorteil elektrischer Meßgeräte besteht darin, daß der gemessene Wert maßstäblich und verzögerungsfrei verstärkt werden kann, womit man sowohl in der Lage ist, in energiearmen Kreisen zu messen, ohne das Meßergebnis durch die Entnahme zu großer Leistung aus dem Meßkreis zu fälschen, als auch robuste und betriebssichere Meßgeräte einzusetzen. Im allgemeinen sind zwischen Meßstelle und Anzeigeort nur wenige dünne Leitungen erforderlich, deren Eigenschaften das Meßergebnis nicht beeinflussen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Bauart zum Messen von Wegen zu schaffen, die bei zerstörungssicherem Aufbau innerhalb eines großen Meßbereiches Meßwerte hoher Genauigkeit ergibt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbiegung der Blattfeder mittels eines mit Kerben, mit Feingewinde versehenen, in Richtung seiner Achse entsprechend dem zu messenden Weg beweglichen Stiftes, in dessen Kerben bzw. in dessen Feingewinde die Blattfeder eingreift, bewirkt wird und daß die Verbiegungen der Blattfeder nach Anzahl undloder Größe erfaßt werden.
Die Verwendung eines Stiftes mit Feingewinde ermöglicht durch Drehung dieses Stiftes insbesondere eine genaue Nulleinstellung bei Beginn der Messung.
Der Stift ist ferner schnell und bequem auswechselbar, beispielsweise gegen einen Stift, dessen Feingewinde eine andere Steigung besitzt.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Blattfeder auf jeder Seite mit mindestens einem Dehnungsmeß- streifen versehen, wobei die in den Dehnungsmeßstreifen auftretenden Widerstandsänderungen mittels einer Brückenschaltung, beispielsweise einer Wheatstoneschen Brücke, gemessen werden. Die Dehnungsmeßstreifen sind dabei nahe der Einspannstelle der Blattfeder angeordnet, da dort die auftretenden Biegemomente, also auch die Dehnungen und Widerstandsänderungen, besonders groß sind. Die Verwendung von beidseitig mit in dieser Weise elektrisch ausgewerteten Dehnungsmeßstreifen versehenen Blattfedern ist an sich, z. B. bei Dynamometern, bekannt. An Stelle der Dehnungsmeßstreifen kann für die Umwandlung der Verbiegung der Blattfeder in eine elektrische Größe auch ein an sich bekannter induktiver Wegaufnehmer vorgesehen sein.
Die Vorrichtung zum Messen von Wegen gemäß der Erfindung ermöglicht einen wahrheitsgetreuen Abgriff und erfordert zur Bewegung des Ubertragungsmechanismus eine so geringe Stellkraft, daß eine Rückwirkung auf den zu prüfenden Gegenstand ausgeschlossen ist. Die trägheitsarme, reibungslose und spielfreie Ubertragung des Meßwertes gewährleistet eine sehr genaue Anzeige.
Da durch die kleine Ganghöhe des in den Stift eingeschnittenen Feingewindes erreicht wird, daß die Verbiegung der Blattfeder klein gegen deren Länge ist, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem gemessenen Weg und der Widerstandsänderung der Dehnungsmeßstreifen. Zum einen gilt für kleine Durchbiegungen mit hoher Genauigkeit die elementare Balkenbiegungstheorie, zum anderen haben Dehnungsmeßstreifen bei niedrigen Beanspruchungen eine fast lineare Beziehung zwischen Dehnung und Widerstandsänderung.
Bei der Messung größerer Wege springt die Blattfeder bei Uberschreitung eines bestimmten Wegmaßes auf den nächsten Gang des Feingewindes über. Nach jedem Sprung der Blattfeder geht der Meßvorgang mit gleicher Genauigkeit weiter. Der zu messende Weg kann praktisch beliebig groß sein.
Die Meßlänge ergibt sich jeweils aus der Addition der einzelnen Sprunghöhen und beliebiger Zwischenwerte.
Zwischen dem zu messenden Weg und der Widerstandsänderung der Dehnungsmeßstreifen bestehen folgende einfache Beziehungen: L3 L3 zu dR für Rollbrücke 6kha R (vier Dehnungsmeßstreifen) und L3 J R für Halbbrücke b 3 kha R , (zwei Dehnungsmeßstreifen) wobei die Formelzeichen folgende Bedeutung haben: y = zu messender Weg, L = Länge der Blattfeder, h = Dicke der Blattfeder, a = Abstand der Dehnungsmeßstreifen-1R mitte vom freien Ende der Blattfeder, R = relative Widerstandsänderung eines Dehnungsmeßstreifens bei einem Weg y, k = Proportionalitätsfaktor der Dehnungsmeßstreifen, (k 2).
Wie aus den Formeln ersichtlich, haben die Materialkonstanten der Vorrichtung gemäß der Erfindung keinen Einfluß auf den Meßvorgang. Soweit im Temperaturgleichgewicht bei beliebigen Temperaturen gemessen wird, liegt kein Einfluß der Temperatur auf den Meßvorgang vor, falls, wie vorausgesetzt werden kann, bei nicht zu hohen Temperaturen der Widerstand und der Proportionalitätsfaktor konstant bleiben.
Aus den Formeln folgt weiterhin, daß bei L = 8 mm, h = 0,08 mm, a = 2 L und für eine 3 JR praktisch erreichbare kleinste Meßeinheit für R von 1 10-6 Wege von 1-10-4mm meßbar sind.
Diese hohe. Meßgenauigkeit kann allerdings nicht über große Meßstrecken (mit Federsprüngen) ausgenutzt werden, da bei einer Ganghöhe von nur 0,25 mm im Beispiel die Skala der Hochfrequenz-JR brücke 2500 Einheiten von je 1 10-6 für R ablesbar enthalten müßte.
Mit den üblichen Hochfrequenzmeßbrücken mit bis zu 200 Skalenteilen bei Vollausschlag ist aber immer noch mit einer Meßgenauigkeit von etwa 10-3 mm für große Meßbereiche zu rechnen. Eventuelle geringfügige Abweichungen von der Linearität können durch geeignete Formgebung des Gewindeprofils ausgeglichen werden, wie mathematisch leicht gezeigt werden kann. Auch durch eine geeignet ausgestaltete Federhaltung, die mit zunehmender Federdurchbiegung zu einer stetigen Verkürzung der freien Federlänge führt, indem sich die Feder allmählich gegen eine gekrümmte Wange der Halterung anlegt, können Nichtlinearitäten beseitigt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ferner noch vorgeschlagen, daß mindestens eines der sich gegeneinander bewegenden Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Abschrägungen versehen ist, wodurch beim Uberschreiten eines bestimmten Wegmaßes die sich gegeneinander bewegenden Teile voneinander abgehoben werden. Diese Maßnahme bietet den zusätzlichen Vorteil, daß die einfache, klare, nach grundlegenden physikalischen Gesetzen aufgebaute Vorrichtung gemäß der Erfindung neben der hohen Meßgenauigkeit innerhalb eines großen Meßbereiches auch die Forderung nach Unzerstörbarkeit erfüllt.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung erläutert, und zwar zeigt Fig. 1 den mechanischen Teil einer Vorrichtung zum Messen von Wegen in Ansicht, F i g. 2 einen Teil der Vorrichtung gemäß F i g. 1 in vergrößertem Maßstab, F i g. 3 eine schematische Darstellung des elektrischen Teils einer Vorrichtung zum Messen von Wegen und Fig. 4 ebenfalls eine schematische Darstellung des elektrischen Teils einer Vorrichtung zum Messen von Wegen, jedoch mit einer anderen Anordnung der Dehnungsmeßstreifen.
Stangen 1 und 2 sind in näher dargestellter Weise derart mit dem Meßobjekt verbunden, daß ihre Parallelverschiebung gegeneinander gleich der Länge des zu messenden Weges ist. Mit der Stange 1 ist ein rahmenartiges Gehäuse 3 fest verbunden. Ein zylindrischer Stift 4 ist in Bohrungen 5 im Gehäuse 3 geführt und kann nur Bewegungen parallel zu den Achsen der Stangen 1 und 2 ausführen. Durch einen an der Stange 2 vorgesehenen Fuß 6 wird die Parallelverschiebung der Stange 2 gegenüber der Stange 1 auf den Stift 4 übertragen. Im mittleren Teil des Stiftes 4 ist ein Feingewinde 7 mit kleiner Ganghöhe vorgesehen, in das eine Blattfeder 8 eingreift, die in einer am Gehäuse 3 befestigten Halterung9 eingespannt ist. Auf der Ober- und der Unterseite der Blattfeder 8 befinden sich Dehnungsmeßstreifen 10 und 11. Sind auf die Blattfeder 8 oben und unten je zwei Dehnungsmeßstreifen 10 und 11 geklebt, so werden diese vier Dehnungsmeßstreifen so zu einer Vollbrücke (F i g. 3) geschaltet, daß die nebeneinanderliegenden Streifen sich in der Brücke gegenüberstehen. Dadurch wird erreicht, daß die durch die Verbiegung der Blattfeder hervorgerufenen Widerstandsänderungen der Dehnungsmeßstreifen sich in bezug auf die Brückenspannung addieren. Ist auf die Blattfeder oben und unten nur je ein Dehnungsmeßstreifen geklebt, so werden beide Streifen zu einer Halbbrücke geschaltet (F i g. 4).
Der Fuß 6 ist mit einer Abrundung 12 versehen, die bei Uberschreitung eines bestimmten, vorgebbaren Wegmaßes gegen eine Abschrägung 13 am Gehäuse 3 anläuft, wodurch sich die Stangen 1 und 2 stetig voneinander entfernen, so daß zunächst die Weiterführung des Stiftes 4 und damit der Meßvorgang unterbrochen wird. Schließlich läuft die Kante 14 des Fußes 6 gegen eine weitere Abschrägung 15 am Gehäuse 3 an. Die Stangen 1 und 2 bewegen sich dadurch unter Vermeidung jeglicher Stöße aneinander vorbei. Zum Festklemmen des Stiftes 4 nach genauer Nulleinstellung bei Beginn der Messung ist eine Schraube 16 vorgesehen.
Die Schaltung der Dehnungsmeßstreifen 10, 11 ist in F i g. 3 und 4 schematisch dargestellt. Als Meßbrücke 17 dient eine der üblichen HF-Brücken; als Registriergerät 18 eignet sich besonders ein Schleifenoszillograph.

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Messen von Wegen, bei der eine infolge einer Wegänderung auftretende Verbiegung einer Blattfeder auf elektrischem Wege von einem Meßwerk erfaßt wird, d a -d gekennzeichnet, daß die Verbiegung der Blattfeder (8) mittels eines mit Kerben (7) bzw mit Feingewinde versehenen, in Richtung seiner Achse entsprechend dem zu messenden Weg beweglichen Stiftes (4), in dessen Kerben bzw. in dessen Feingewinde die Blattfeder eingreift, bewirkt wird und daß die Verbiegungen der Blattfeder nach Anzahl undloder Größe erfaßt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Blattfeder aufjeder Seite mit mindestens einem Dehnungsmeßstreifen versehen ist und die in den Dehnungsmeßstreifen auftretenden Widerstandsänderungen mittels einer Brückenschaltung, beispielsweise einer Wheatstoneschen Brücke, gemessen werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Umwandlung der infolge einer Wegänderung auftretenden Verbiegung der Blattfeder in eine elektrische Größe ein an sich bekannter induktiver Wegaufnehmer vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der sich gegeneinander bewegenden Teile mit Abschrägungen versehen ist, wodurch beim Uberschreiten eines bestimmten, vorgebbaren Wegmaßes die sich gegeneinander bewegenden Teile voneinander abgehoben werden.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1112196; französische Patentschrift Nr. 1 011 956; Pflin, Elektr. Messung mech. Größen (1956), S. 146 und 147; G r a v e, Elektr. Messung nicht elektr. Größen (1962), S. 23 bis 27.