Messdose zur Messung einer Zug oder Druckkraft auf elektrischem Wege
Die Erfindung betrifft eine Messdose zur Messung einer Zug- oder Druckkraft auf elektrischem Wege, mit einem elastisch deformierbaren Messkörper, an welchem zur Dehnungsmessung dienende Streifen angebracht sind, die an eine elektrische Messanordnung anzuschliessende, mit der Dehnung variable, elektrische Widerstände aufweisen. Die Dehnungsstreifen werden im allgemeinen an der Peripherie eines zylindrischen, insbesonders rohrförmigen Körpers, welcher sich durch die Belastung elastisch deformiert, aufgebracht.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass sich in einem solchen Körper eine genau gleichmässige Spannungsverteilung nicht erreichen lässt, indem -der Zug- oder Druckspannung stets eine gewisse Biegebeanspruchung überlagert ist, die davon herrührt, dass die Kraft nie ganz genau in Richtung der geometrischen Axe des Körpers an demselben angreift. Ein Mittelwert der für die Kraftanzeige massgebenden Dehnung kann zwar in bekannter Weise durch Anbringen von Dehnungsstreifen an zwei diametral gegenüberliegenden Mantellinien des zylindrischen, bzw. rohrförmigen Messkörpers ermittelt werden, wobei die Mittelwertbildung auf elektrischem Wege erfolgt.
Dabei wird vorausgesetzt, dass beide Dehnungstreifen gleiche elektrische Eigenschaften auf weisen; da -dies aber in der Praxis nie vollständig zu erreichen ist, wird der angezeigte Mittelwert vom wahren Mittelwert der Dehnung abweichen und zwar umso mehr, je grösser das -überlagerte Biegemoment ist. Die von der elektrischen Messanordnung angezeigte Dehnung bzw. Kraft ist somit von der Grösse des zusätzlichen Biegemomentes, bzw. der Exzentrizität der Kraft abhängig. Sind z. B. die Dehnungen der beiden Mantellinien um 10% verschieden und beträgt der Unter- schied der Empfindlichkeit der Dehnungsstreifen eben falls % so beträgt der Anzeigefehler infolge Biegung 1%.
Bei rohtförmigen Körpern bewirken zudem Biegespannungen zweiter Ordnung eine zusätzliche tonnen- oder reussenähnliche Deformation des Messkörpers, was zu Nichtlinearität und unterschiedlichen Anzeigen für Zug- und Druckkräfte führt.
Die Erfindung bezweckt diese Nachteile zu vermeiden. Die Messdose nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Messkörper mindestens zwei senkrecht zur Angriffslinie der Kraft angeordnete, durch diese Kraft auf Biegung beanspruchte Träger aufweiset, an denen die Dehnungsstreifen angebracht sind. Wie nachfolgend näher erläutert wird, ist es mit einer solchen Messdose möglich, den von der Exzentrizität der Kraft und der unterschiedlichen Empfindlichkeit der Dehnungsstreifen herrührenden Fehler um etwa eine Grössenordnung zu reduzieren, und bei zweckmässiger Ausführung zugleich die Biege- und Torisionsstufigkeit der Messdose selbst zu erhöhen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Messdose, die genau in ihrer ideellen Axe belastet ist
Fig. 2 zeigt die Momentverteilung auf den Trägern;
Fig. 3 zeigt schematisch die gleiche Messdose aber bei stark übertrieben dargestelltem, exzentrischen Angriff der Kraft
Fig. 4 zeigt die der Figur entsprechende Momentenverteilung;
Fig. 5 zeigt die konstruktive Ausbildung einer anderen Messdose in Ansicht;
Fig. 6 ist eine Draufsicht zu Fig. 5;
Fig. 7 zeigt die konstruktive Ausbildung einer Messdose im Schnitt gemäss Linie VII-VII von Fig. 8;
Fig. 8 ist eine Draufsicht zu Fig. 7 und
Fig. 9 ist eine Seitenansicht zu Fig. 7
Der Messkörper der in Fig. 1 dargestellten Messdose besteht aus zwei zur Angriffslinie der zu messenden Kraft P, bzw. der entsprechenden Reaktionskraft P', senkrechten, elastisch deformierbaren Trägern 1 und 2 und aus zwei wesentlich starreren Winkelstücken 3 und 4.
Die Winkelstücke 3, 4 weisen je einen Schenkel 3', 4' auf, in dem je ein Ende eines Trägers 1, 2 fest eingespannt ist, und einen Schenkel 3", 4", an dessen Ende die Kraft P bzw. die Reaktionskraft P' angreift, die im vorliegenden Fall als Druckkraft dar gestellt ist. Unter dem Einfluss der Kräfte P und P' deformieren sich die auf Biegung beanspruchten Träger 1 und 2 entsprechend der elastischen Linse 5 eines beidseitig eingespannten Balkens, wobei in der Zeichnung eine stark übertriebene Verschiebung des Winkelstükkes 3 relativ zu dem Winkelstück 4 dargestellt ist. An den Trägern 1 und 2 sind Dehnungsstreifen 6-9 angebracht. Letztere erfahren entsprechend der positiven oder negativen Dehnung der Stelle des Trägers, auf welcher der Streifen angebracht ist, eine negative oder positive Widerstandsänderung, wie in der Zeichnung durch + und - angedeutet ist.
Die vier Dehnungsstrei- fen sind zu einer Wheatstoneschen Brücke zusammengeschaltet, wobei die positiven, Streifen 7 und 8, und somit auch die negativen Streifen 5 und 6 einander gegenüberliegen. In der einen Brückendiagonalen liegt eine Spannungsquelle und in der anderen Brückendiagonalen ein Voltmeter, das eine der Kraft P proportio- nale Spannung anzeigt. Das Biegemoment M verläuft in den Trägern 1 und 2 so wie in Fig. 2 dargestellt ist.
In Fig. 4 zeigt die Linie a die Gesamtmomentenverteilung und Linie b diejenige auf den Biegeträgern, wenn die Kraft P um einen Abstand a gegenüber der Axe der Anordnung versetzt angreift, wie in Fig. 3 angenommen ist. Das Momentengleichgewicht wird durch ein Zug-Druck-Kräftepaar Z erreicht, welches jedoch auch bei stark exzentrischem Kraftangriff nur sehr kleine zusätzliche Zug- und Druckspannungen in den Biegeträgern 1, 2 erzeugt. Letztere werden durch die paarweise Anordnung der Dehnungsstreifen elektrisch kompensiert. Numerische Berechnungen und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass bei gleicher Exzentrizität der Kraft und gleicher unterschiedlicher Empfindlichkeit der Dehnungsstreifen nur mehr ein Fehler von etwa 1/10 des bei üblichen Messdosen auftretenden Fehlers entsteht.
Zweckmässigerweise werden die beiden Biegeträger 1 und 2, sowie Teile der Winkelstücke 3 und 4 aus einem einzigen Werkstoffstück herausgearbeitet, wie dies bei der Messdose nach Fig. 5 und 6 der Fall ist.
Der Messkörper der Messdose nach Fig. 5 und 6 besteht aus einer rechteckigen, in der Mitte mit einer Ausnehmung 10 versehenen Messplatte 11, zwei Haltern 12 und zwei diese Halter 12 mit der Messplatte 11 starr verbindenden Schrauben 13. Der obere Halter 12 und die zugehörige Schraube 13 sind in der Fig. 6 weggelassen, so dass die in der Messplatte 11 zur Aufnahme dieser Schraube 13 vorgesehene Gewindebohrung 14 sichtbar ist Infolge der zentralen Ausnehmung 11 bildet die Messplatte 11 einen Rahmen, der zwei starre Seiten 3', 4' und zwei auf Biegung beanspruchte relativ biegsame Seiten 1, 2 aufweist, wobei diese den Teilen 1, 2, 3', 4' von Fig. 1 entsprechenden Seiten der Anschaulichkeit halber durch ideelle, punktiert dargestellte Linien voneinander abgegrenzt worden sind.
Jeder Halter 12 besteht aus einer kreisförmigen Platte 15, an welcher ein zentraler Anschluss 16 für die Elemente vorgesehen ist, welche die Kraft P bzw.
die Reaktionskraft P' auf die Messdose übertragen.
Die Halterplatte 15 weist auf ihrer der hochkant auf ihr stehenden Messplatte 11 zugekehrten Seite eine Vertiefung 17 für die Aufnahme der Dehnungsstreifen 6, 8 bzw. 7, 9, sowie der zugehörigen, nicht dargestellten elektrischen Leitungen auf. Auf der ihrer Schraube 13 gegenüberliegenden Seite weist die Halterplatte 15 eine flache Nut 18 auf, welche die Ausbiegung der Träger 1, 2 bzw. der Messplatte 11 gestattet. Durch ideelle, punktiert dargestellte Linien sind Teile 3" und 4" der Halter 12 abgegrenzt, die den ebenso bezeichneten Schenkeln der Winkelstücke 3 und 4 von Fig. 1 entsprechen. Die Halter 12 sind aus herstellungstechnischen Gründen im wesentlichen als Rotationskörper ausgebildet.
Die Messdose nach Fig. 7-9 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 5 und 6 dadurch, dass zwischen den Haltern 12a zwei parallele Messplatten 11a angeordnet sind, die durch je eine Schraube 13a an jedem der Halter 12a befestigt sind. In Fig. 8 ist wiederum der obere Halter 12a mit den zugehörigen Schrauben 13a weggelassen. Jede Halterplatte 15a weist ausser der zentralen Vertiefung 17a zwei flache Nuten 18a auf, welche die Ausbiegung der beiden Messplatten 11a gestattet.,eder Halter 12a ist wieder mit einem zentralen Anschluss 16a versehen.
Die Messplatten 11a weisen auf ihren zur Messkörperaxe parallelen Seiten zwei in gleicher Höhe liegende flache Nuten 19 auf. In die Nuten 19 der einen Platte 11a (links in Fig. 9) sind zwei Anschlagplättchen 20 eingepresst, die je einen Fortsatz 20' aufweisen, der mit Spiel in die entsprechende Nut 19 der anderen Platte 11a (rechts in Fig. 9) eingreift. Das genannte Spiel begrenzt die Ausbiegung der Messplatten 11a auf einen Betrag, der einer vorgegebenen Maximalkraft entspricht, so dass die Messdose vor Überlastung geschützt ist.
Man kann die vier Dehnungsstreifen 6-9 auf verschiedene Weisen auf den beiden Messplatten 11a anordnen. Man kann auf denselben auch acht Dehnungsstreifen anbringen, um zwei Brücken zu bilden, von denen z. B. die eine in der zweiten Diagonalen mit einem Ablese-Messinstrument zum Ablesen der Kraft und die andere mit einem Geber-Messinstrument versehen ist, um irgend eine Vorrichtung in Funktion der gemessenen Kraft zu steuern. Eventuell können auch drei oder mehr Messplatten zwischen den Haltern vorgesehen werden.
Die Messdosen nach Fig. 5 und 6 und besonders nach Fig. 7-9 sind wesentlich biege- und torsionssteifer als bekannte Messdosen.
Die zentrale Ausnehmung 10 der Messplatte ist, wie ersichtlich, aus einer grossen zentralen Bohrung vom Durchmesser D und vier symmetrischen, dieselbe überschneidende kleinere Bohrung von Durchmesser d gebildet. Dies ist herstellungstechnisch sehr einfach und gestattet zudem selbst nach Anbringen der Dehnungsstreifen 6-9 durch weiteres Ausbohren der kleineren Bohrungen die Empfindlichkeit zu erhöhen.
Zur Erzielung eines günstigen Verhältnisses zwischen Biegebeanspruchung und Einfederung der Biegeträger ist die Verwendung eines hochfesten Werkstoffes mit kleinem Elastizitätsmodul zweckmässig. Günstige Bedingungen ergeben sich bei Verwendung von Titanlegierungen.