Messkörper für Kraftmessungen bzw. Wägungen
Es ist bekannt, Kraftmessungen bzw. Wägungen, insbesondere grosser Lasten dadurch vorzunehmen, dass ein vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildeter Messkörper, auf den die zu wägende Last drückt, auf seiner Oberfläche elektrische Stromwicklungen enthält, deren Widerstand sich unter der Einwirkung der beim Belasten auftretenden Deformation des Messkörpers ändert. Die hierdurch hervorgerufenen Änderungen eines durch die Wicklung fliessenden und an einem Instrument ablesbaren Stromes bilden dann ein Mass für die festzustellende Last.
Im gleichen Zusammenhang ist es bekannt, auf dem Messkörper zwei Wicklungen oder Wicklungsgruppen anzuordnen, von denen die eine durch die Deformierung des Körpers gestaucht, die andere gereckt wird.
Dabei erfolgen die Widerstandsänderungen in beiden Wicklungen bzw. Wicklungsgruppen gegenläufig, so dass durch die Anordnung der Wicklungen in einer Differential- oder Brückenschaltung ein hoher Empfindlichkeitsgrad der Messanordnung erzielbar ist.
Bekannte, nach diesem Prinzip arbeitende Messkörper, bei denen die Achse einer der Stromwicklungen der Messkörperachse entspricht und die Achse der anderen Wicklung senkrecht dazu liegt, haben den Nachteil, dass die aus diesem Grunde verschieden lang gestalteten Wicklungen auf Temperatureinflüsse verschieden stark reagieren, so dass diese Einflüsse durch die angewandte Differential- oder Brückenschaltung nicht kompensiert werden. Aus diesem Grund ging die Technik bereits dazu über, die beiden Wicklungen oder Wicklungsgruppen gleichartig auszubilden respektive anzuordnen, wodurch die Temperatureinflüsse weitgehend beseitigt werden konnten. Insbesondere wurde diese Aufgabe durch die Aufbringung sogenannter Dehnungsmessstreifen auf den Messkörper gelöst.
Es weisen jedoch auch die mit solcher Wicklungsanordnung versehenen Messkörper noch Nachteile anderer Art auf: Die elektrischen Messkurven, die die Abhängigkeit des Messstroms von der zu wägenden Last darstellen, zeigen Nichtlinearitäten, die eine Art Hystereseverlauf erkennen lassen und somit keine eindeutig reproduzierbaren Ergebnisse liefern. Nach eingehenden Überlegungen und Versuchen wurde nun festgestellt, dass diese Mängel umso stärker in Erscheinung treten, je mehr der Messkörper speziell an seiner Auflagefläche gewissen Deformationen, d. h.
Stauchungen oder Reckungen durch die auf ihn drückende Last unterworfen ist.
Diese genannten Nachteile werden gemäss der Erfindung dadurch beseitigt, dass die Auflagefläche des Messkörpers so gestaltet und angeordnet wird, dass sie in einer hinsichtlich der beim Belasten des Körpers auftretenden Deformation neutralen Ebene liegt. Der Erfindungsgedanke besteht somit darin; dass bei einem Messkörper von rotationssymmetrischer Form für Kraftmessungen bzw. Wägungen, der zwei auf seinem Umfang und bezüglich einer senkrecht zur Körperachse liegenden Ebene symmetrisch angeordnete Stromwicklungen enthält, von denen beim Ausüben eines axialen Druckes auf den Messkörper die eine gestaucht und die andere gereckt wird, die ringförmige Auflagefläche an einer Stelle des Messkörpers vorgesehen ist, die bei einer axialen Druckbeanspruchung praktisch weder einer Stauchung noch einer Reckung unterliegt.
Praktische Versuche mit in solcher Weise ausgebildeten Messkörpern zeigten ausser einer vollkommenen Temperaturunempfindlichkeit auch ein fast völliges Verschwinden jeder mechanischen Hysterese der Messkurven und somit eindeutig reproduzierbare Messergebnisse.
Der Gegenstand der Erfindung kann in mehrfacher Weise praktisch verwirklicht werden: Bei einer einfachen Ausführungsform besteht der neue Messkörper aus einer vorzugsweise kreisrunden Scheibe, deren Aussenrand als Auflage dient. Auf jeder der beiden ebenen Oberflächen dieser Scheibe ist vorzugsweise ein rohrförmiger Ansatz vorgesehen, deren jeder auf seiner Aussenfläche eine der beiden elektrischen Messwicklungen trägt, deren Achse somit der Achse der Rohransätze entspricht. Beide Rohransätze sind gleich lang, und im übrigen liegen die beiden elektrischen Messwicklungen hinsichtlich der Mittelebene der kreisförmigen Scheibe symmetrisch zueinander.
Von besonderem Vorteil ist es dabei, die Stärke der kreisförmigen Scheibe an ihrem als Auflage dienenden Aussenrand auf eine Stärke zu verjüngen, die etwa der Hälfte oder einem noch geringeren Anteil der Stärke des mittleren Scheibenteils entspricht. Zweckmässig wird in diesem Falle der für die beiden rohrförmigen Ansätze gleiche Durchmesser so bemessen, dass er dem Durchmesser des mittleren, nicht verjüngten Teils der kreisförmigen Scheibe genau oder angenähert gleich ist. Bei einer solchen Gestaltung des Messkörpers fällt dessen Auflagerfläche weitestgehend mit der senkrecht zu seiner Achse liegenden neutralen Ebene zusammen, d. h. der Ebene, in der der Messkörper beim Belasten weder eine Stauchung noch eine Reckung erfährt.
Eine andere, noch vollkommenere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass der Messkörper aus einem scheiben- oder ringförmigen Mittelteil besteht, der auf der einen seiner beiden Ob er flächen einen etwa topfförmigen Ansatz zum Auflegen der Last, auf der anderen dieser beiden Oberflächen einen Rohransatz aufweist, dessen freier Rand als Auflagefläche dient. Insbesondere wird dieser Rohransatz so lang gehalten, dass die beim Belasten des Körpers auftretenden Deformationen des Körpers respektive des rohrförmigen Ansatzes dessen Auflagerand nicht erreichen. Der topfförmige Ansatz ist zweckmässig an seiner dem scheiben- oder ringförmigen Mittelteil des Körpers zugewandten Seite verjüngt und liegt somit auf der Mitte dieses Teils auf.
Dabei ist es zweckmässig, zwischen dem ringförmigen Mittelstück und dem Topfteil ein zylindrisches Zwischenstück vorzusehen. Die beiden elektrischen Stromwicklungen sind bei dieser weiteren Ausführungsform am äusseren Umfang des mittleren, scheiben- oder ringförmigen Teils des Messkörpers angeordnet, der hierfür zweckmässig an seinem oberen und seinem unteren Aussenrand in je einen zylindrischen Ansatz fortgesetzt ist, wobei die Achse dieser zylindrischen Ansätze mit der Achse des rotationssymmetrischen Messkörpers übereinstimmt.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei dem Messkörper der auf seiner Oberfläche die Messwicklungen tragende Teil durch mindestens einen Ring mit dem Profil eines Dreieckes gebildet, dessen eine Spitze etwa im Krafteinleitungspunkt liegt, und dessen dieser Spitze gegen überliegende Seite zu der die Messwicklungen tragenden Oberfläche des Messkörpers gehört. Hierdurch wird eine besonders exakte Linearität der Messkurve erzielt. Das Profil des Dreieckes ist so gestaltet, dass sein Schwerpunkt genau oder angenähert in einer senkrecht zur Körperachse liegenden Ebene mit dem Krafteinleitungspunkt liegt. Dabei ist dieser Krafteinleitungspunkt derjenige Punkt des Messkörperprofils, an dem ein rohrförmiges Körperstück angesetzt ist, das an seiner Auflagestelle selbst nach Möglichkeit keine Deformationen erfahren soll.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Art enthält der Messkörper zwei Ringe mit Dreiecksprofil, die bezüglich einer senkrecht zur Körperachse verlaufenden Mittelebene symmetrisch angeordnet sind und an deren nach innen weisenden Spitzen je ein rohrförmiger Teil des Körpers angeschlossen ist, von denen der eine an seiner Stirnseite die Lastauflagemittel trägt, während der andere an seiner Stirnseite auf einer ebenen Grundfläche aufliegt. Dabei trägt zweckmässig jede der zu den beiden Dreiecksringen gehörenden Aussenflächen mindestens je eine Messwicklung sowie gegebenenfalls ausserdem eine Temperaturkompensationswicklung. Die beiden Ringteile mit Dreiecksprofil sind miteinander zweckmässig durch einen kurzen rohrförmigen Trägerteil verbunden.
Vorzugsweise sind sowohl die Last- als auch die beiden Auflageflächen als über die Messwicklungsoberfläche radial hinausragende kreisförmige Abschlussscheiben ausgebildet, deren Ränder miteinander durch einen rohrförmigen Gehäuseteil in Verbindung stehen. Dieser rohrförmige Gehäuseteil kann mindestens an einem seiner Stirnränder zur Abschlussscheibe einen kurzen Abstand aufweisen, derart, dass er als Überlastsicherung wirkt. Bei Messkörpern, deren äussere Masse etwa in der Grössenordnung von 101 cm liegen, beträgt dieser Abstand zwischen dem Zylindergehäuse und der Abschlussplatte zweckmässigerweise einige Zehntel Millimeter.
Das Prinzip der Erfindung und mehrere Ausführungsbeispiele derselben erläutert die beigefügte Zeichnung:
Fig. 1 zeigt einen Messkörper, der im wesentlichen aus einer flachen, vorzugsweise kreisförmigen Scheibe 1 besteht. Der Aussenrand 2 dieser Scheibe ist zweckmässig verjüngt ausgeführt, und zwar so, dass die Dicke dieser Scheibe am Rand etwa nur die Hälfte oder noch weniger der Dicke des mittleren Teils der Scheibe 1 beträgt. An jeder ihrer beiden Oberflächen trägt der Messkörper einen rohrförmigen Ansatz 3 bzw. 4. Beide Ansätze sind gleich lang gehalten und haben den gleichen Durchmesser, der im wesentlichen dem Durchmesser des mittleren Teils der Scheibe 1 entspricht, so dass auf diese Weise ausserhalb der Mantelflächen der rohrförmigen Ansätze 3 und 4 die Randverjüngung 2 beginnt.
Die beiden Mantelflächen der rohrförmigen Ansätze 3 und 4 tragen je eine der beiden Messwicklungen 5 bzw. 6, die auf diese Weise bezüglich einer senkrecht zur Körperachse verlaufenden Mittelebene symmetrisch angeordnet sind. Es empfiehlt sich ausserdem, die rohrförmigen Ansätze 3 und 4 nach ihren Rändern zu verjüngt auszubilden. Die axiale Länge der rohrförmigen Ansätze 3 und 4 entspricht ungefähr der Dicke des mittleren Teils der Scheibe 1.
Der Messkörper liegt mit seinem zweckmässig verjüngten Rand 2 auf einem Lagerbock 7 auf, der bei rotationssymmetrischer Form des Messkörpers ebenfalls rotationssymmetrisch gestaltet ist. Die Auflagefläche des Messkörpers fällt somit praktisch mit einer Mittelebene des scheibenförmigen Teils 1 zusammen, an der beim Belasten des Körpers weder eine Stauchung noch eine Reckung stattfindet, d. h. an der die neutrale Ebene liegt. Die zu wägende Last liegt in der Mitte der oberen Fläche des scheibenförmigen Teils 1 auf und wirkt in der Richtung des gezeichneten Pfeiles. Dieser Teil des Messkörpers, auf den die zu wägende Last drückt, kann entweder nach dem Prinzip einer Kreuzpfanne ausgebildet sein oder eine flache bzw. kalottenförmige Lagermulde enthalten, durch die eine genaue Zentrierung der aufliegenden Last gewährleistet ist.
In Fig. 1 ist eine solche Auflagestelle mit 8 bezeichnet.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 besteht das Mittelstück 1 des Messkörpers aus einer Scheibe, deren Rand hier jedoch nicht als Auflagefläche dient.
Die Auflage erfolgt vielmehr am unteren Rand eines Rohransatzes 9, dessen Durchmesser um einen gewissen Teil geringer gehalten ist als der des Mittelstückes 1. Die Länge dieses Rohransatzes 9 ist so bemessen, dass die beim Auflegen der Last auf den Messkörper entstehenden Deformierungen desselben in keinem Falle den unteren Rand des Rohransatzes 9 erreichen, an dem dieser auf einer flachen Unterlage 10 aufliegt.
Auf der oberen Fläche des scheibenförmigen Mittelstückes 1 der Fig. 2 ist ein topfförmiger Ansatz 11 vorgesehen, dessen nach oben offener Teil auf seiner Bodenfläche 12 wieder eine Vertiefung 8 trägt, an der die zu drückende Last aufliegt. Der topfförmige Teil 11 ist nach dem Mittelstück 1 zu verjüngt ausgebildet, so dass er ein etwa kegelstumpfartiges Profil aufweist.
Die elektrischen Messwicklungen 5 und 6 sind in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 auf der Mantelfläche des Mittelstückes 1 - und wieder symmetrisch zu einer senkrecht zur Körperachse liegenden Ebene - angeordnet. Zweckmässig sind dabei die beiden Ränder des Mittelstückes 1, mit zylindrischen Ansätzen 13 und 14 versehen, deren Achse der Messkörperachse entspricht. Auch hierbei empfiehlt es sich, die zylindrischen Ansätze 13 und 14 nach ihren äusseren Rändern zu verjüngt auszubilden. Die Länge dieser zylindrischen Teile entspricht etwa der Dicke des Mittelstückes 1.
Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 im wesentlichen darin, dass das Mittelstück nicht scheibenförmig, sondern in Form eines Ringes 15 ausgebildet ist. Die Öffnung dieses Ringes, die etwa ein Drittel seines Aussendurchmessers beträgt, ist nach oben in einen rohrförmigen Teil 16 fortgesetzt, an den sich der ähnlich wie gemäss Fig. 2 ausgebildete Topfteil 11 anschliesst. Auch die Anbringung der Messwicklungen 5 und 6 auf der Aussenfläche des mittleren Ringes 15 ist ähnlich wie in Fig. 2 dargestellt.
In Fig. 4 ist eine gegenüber den Fig. 2 und 3 etwas vereinfachte Ausführungsform dargestellt, in der der mittlere, scheibenförmige Teil 1 lediglich mit dem nach der Auflagefläche 10 reichenden Rohransatz 9 versehen ist, der in diesem Fall den gleichen Aussendruchmesser hat wie dieser Mittelteil 1. Ebenfalls von gleichem Durchmesser ist ein nach oben reichender rohrförmiger Ansatz 13, der wiederum wie in den vorangehenden Figuren nach oben zu verjüngt verläuft. Die Messwicklungen 5 und 6 sind teils auf dem äusseren Umfang des Mittelteils 1, teils auf dessen rohrartigen bzw. zylindrischen Ansätzen 9 und 13 angeordnet. Die zu messende Kraft greift wiederum in der Vertiefung 8 an der oberen Fläche des Mittelteils an.
Die beispielsweise dargestellten Messkörper und deren Einzelteile sind etwa in natürlicher Grösse gezeichnet. Die Grössenverhältnisse sind selbstverständlich je nach dem Verwendungszweck und vor allem je nach der Grösse der zu messenden Lasten variierbar. Bei den dargestellten Ausführungsformen handelt es sich insbesondere um Messkörper zum Messen relativ grosser Lasten, die in der Grössen- ordnung von mehreren Tonnen liegen. In diesem Falle besteht der Messkörper zweckmässig aus Stahl.
Für andere Aufgaben, insbesondere für das Wägen weniger schwerer Lasten, sind auch andere Materialien mit genügend elastischen Eigenschaften, gegebenenfalls auch Kunststoffe, verwendbar. Von der zu messenden Kraft bzw. Last ist es ausserdem abhängig, wie lang die die Messwicklungen tragenden zylindrischen Ansätze 3, 4 bzw. 13, 14 am Mittelteil des Messkörpers bemessen werden. Je grösser die zu messenden Kräfte bzw. Lasten sind, desto kürzer können diese Ansätze ausgebildet werden. Bei sehr gro ssen Kräften kann die Länge dieser Ansätze auch gleich null sein.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Messkörpers im Längsschnitt. Der eigentliche Messkörper ist mit 17 bezeichnet. Er ist von rotationssymmetrischer Form und enthält nach seinen Enden zu je einen zylindrischen Teil 18 bzw. 19. Auf die Stirnränder dieser Teile 18 und 19 wirkt die zu messende Last in Richtung zur Körperachse ein. Dabei sind diese rohrförmigen Teile 18 und 19 hinsichtlich Länge, Durchmesser und Materialstärke so bemessen, dass an der Auflagestelle weder eine Reckung noch eine Stauchung des Materials stattfindet.
Nach dem mittleren Teil des Körpers zu sind an die beiden rohrförmigen Teile 18 und 19 zwei Ringe 20 und 21 von Dreiecksprofil angeschlossen.
Diese Profildreiecke liegen so, dass je eine ihrer Spit zen etwa im Kraftangriffspunkt 22 bzw. 23 liegen, d. h. an der Stelle, an der die rohrförmigen Teile
18 und 19 beim Aufsetzen einer Last ihre Kraft an die Teile 20 und 21 abgeben.
Die Kraftangriffspunkte 22 und 23 und die Dreiecke 20 und 21 sind im übrigen so gestaltet, dass die Schwerpunkte 20' bzw. 21' etwa auf einer Höhe mit den Kraftangriffspunkten 22 und 23 liegen, d. h. in ein und derselben senkrecht zur Körperachse verlaufenden Ebene. Die Seite des Profildreiecks, die der im Kraftangriffspunkt liegenden Dreieckspitze gegenüberliegt, gehört zur Aussenfläche des Messkörpers, die die Messwicklungen trägt. Diese Messwicklungen sind für den Dreiecksring 20 mit 24 und 25, für den Dreiecksring 21 mit 26 und 27 bezeichnet. Dabei liegen die Wicklungen 24 und 26 bezüg- lich einer senkrecht zur Körperachse verlaufenden Mittelebene symmetrisch möglichst in Nähe der einander abgewandten Profildreiecksspitzen, während die Wicklungen 25 und 27 in unmittelbarer Nähe dieser Mittelebene angeordnet sind.
Bei Lastauflage werden somit die Wicklungen 24 und 26 gestaucht, die Wicklungen 25 und 27 gereckt.
Auf jeder der beiden Aussenflächen, die die Messwicklungen tragen, kann auch noch eine weitere Wicklung vorgesehen sein, die mit 28 bzw. 29 bezeichnet ist und in an sich bekannter Weise zur Kompensation von Temperaturschwankungen dient.
Der Messkörper 17 ist an seinen Stirnseiten durch je eine Platte 30 bzw. 31 abgeschlossen, wobei die Befestigung zwischen diesen Platten 30 und 31 und dem Körper 17 z. B. durch mehrere, und zwar mindestens drei Schrauben bzw. Gewindebolzen 32 und 33 erfolgt. Der mittlere Teil jeder der beiden Platten enthält eine Vertiefung 34 bzw. 35 mit einer kalottenförmigen Bodenfläche 36 bzw. 37. Der Radius dieser Kalotte entspricht zweckmässig der Entfernung der Vertiefung vom Körpermittelpunkt. Durch diese Kalotten 36 und 37 werden Verklemmungen vermieden, wenn eine Last in Richtung des Pfeiles axial über eine weitere Platte 38 bzw. 39 auf den Messkörper drückt.
Die mit den Messkörperrändern verbundenen Abschlussplatten 30 bzw. 31 besitzen einen grösseren Durchmesser als der Messkörper 17 selbst. Ihre Ränder können daher zur Bildung eines den Messkörper umschliessenden Gehäuses benutzt werden, das durch einen Rohrteil 40 ergänzt wird. Dieser Rohrteil 40 ist beispielsweise an seinem unteren Rand mit der Abschlussplatte 31 durch eine Schraube oder einen Gewindebolzen 41 fest verschraubt. Der andere Stirnrand dieses Rohres 40 steht hingegen mit der Abschlussplatte 30 nicht in fester Verbindung, sondern endet kurz vor dieser unter Freilassung eines geringen Abstandes. Dadurch lässt sich das Rohr 40 als Überlastsicherung ausnutzen, die von einer bestimmten Grenze ab ein weiteres Deformieren des Messkörpers 17 verhindert.
Bei Messkörpern, die, wie im Beispiel angegeben, in ihrer Längs- und Querausdehnung von etwa 101 cm liegen, beträgt der Abstand zwischen dem Rohr 40 und der Abschlussplatte 30 etwa 31lo mm. Bei Messkörpern anderer Aussenmasse ist dieser Abstand entsprechend grösser oder kleiner. Die Überlastsicherung ist im übrigen zweckmässig so bemessen, dass sie bei 40 O/o Überbelastung wirksam wird.
Es empfiehlt sich, den der betreffenden Abschlussplatte gegenüberstehenden Rand des Rohres 30 nach innen abgestuft auszubilden, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Auf dem hierdurch gebildeten Absatz 42 kann dann ein z. B. aus Gummi bestehender Ring 43 aufgelegt werden, der zur Abdichtung des durch die Teile 30, 31 und 40 gebildeten Gehäuses dient. In ähnlicher Form kann auch am unteren Rand des Rohres 40 eine Abdichtung 44 vorgesehen sein. Bei einer Ausführungsform, die nur einen Ring mit Dreiecksprofil aufweist, sind beispielsweise nur die Teile 18 und 20 des Körpers vorhanden. Der Teil 20 setzt sich dann an seiner dem Rohrteil 18 abgewandten Spitze in ein Rohr fort, das etwa die gleiche Länge und die gleiche Materialdicke hat wie das Rohr 18, und dessen unterer Stirnrand auf einer ebenen Grundfläche aufliegt.
Diese Figur lässt insbesondere noch folgende Merkmale erkennen: Bei der dargestellten Ausführungsform mit zwei Dreiecksringen grenzen diese beiden Ringe zweckmässig unter Zwischenfügung eines kurzen rohrförmigen Stückes 45 aneinander. Wichtig ist ferner die Bemessung der Winkel, den die nach den Stirnrändern zu weisenden Seiten 46 bzw.
47 der Profildreiecke mit einer senkrecht zur Körperachse liegenden Ebene bilden. Sie sollen zu etwa 35-400, vorzugsweise zu 380, bemessen werden.
Die Winkel, die die gegenüberliegenden Dreieckseiten 48 bzw. 49 mit einer senkrecht zur Körperachse liegenden Ebene bilden, werden hingegen zweckmä ssig etwas geringer, und zwar zu 20-250, vorzugsweise zu 220, bemessen.
Im übrigen können die nicht zur bewickelten Oberfläche des Körpers gehörenden Seiten der Profildreiecke 20 und 21 teilweise auch abgerundet ausgebildet sein, insbesondere an den Eckpunkten und vorzugsweise an den Krafteinleitungspunkten 22 und 23.