Messgerät
Die Erfindung betrifft ein zur Druck-oder Kraft- messung geeignetes Messgerät mit einem Messele- ment, auf das die zu messende Grösse einwirkt.
Es ist bereits auf verschiedene Woise versucht worden, wirkungsvolle Messgeräte dieser Art her- zustellen. Hienbei treten jedoch dadurch Schwierig- keiten auf, dass zufolge der Einspannung einer zur Einleitung des zu messenden Druokes erforderlichen Membran oder von zur Führung der zu messenden Kraft in der messrichtung erforderlichen Lenkern die zu messende Grösse nicht nur auf das eigentliche Messelement. übertragen wird, sondern zum Teil auch über die Einspannung abgeleitet wird.
Auf diese Weise kann erfahrungsgemäss ein Anteil bis in idie Grössenordnung von etwa 40% der zu messenden Grösse für die Messung verlorengehen. Fine weitere Schwierigkeit liegt darin, dass die Membran oder die Lenker übermässig stark gebogen werden, wenn man das Gerät so dimensioniert, dass das Messelement unter dem Einfluss der zu messenden Grösse eine relativ grosse Formänderung erfährt. Durch die starke Durchbiegung werden die Verhältnisse bezüg lich der Lastverteilung auf das Messelement noch ungünstiger. Aus diesem Grunde äre es zweckmässig, mit möglichst geringen Auslenkungen zu arbeiten.
Dem steht jedoch wiederum entgegen, dass zur Erzielung einer hohen Messgenauigkeit eine möglichst grosse Formänderung des Messelementes angestrebt werden sollte, um einen grossen Messeffekt zu erzielen. Als weiterer Nachteil tritt auf, dass Mess- elemente bei grosser Auslenkung eine niedrige Eigen- frequenz besitzen. Weiterhin besteht bei derartigen Messelementen mit grosser Auslenkung die Gefahr, dass der Linsaritätsfehler'grösser wird.
Die Erfindung bezweckt, die Nachteile der bekannten Einrichtungen zu vermeiden bzw. wesentlich zu vermindern. Es liegt ihr daher die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zu schaffen, bei dem das die zu messende Grösse in das Messelement einleitende Glied eine relativ gerinfe Auslenkung durchführt, um einen guten linearen Verlauf der messkuvre und eine möglichst hohe Eigenfrequenz des Gerätes zu erreichen, bei dem anderseits jedoch die relativ geringe Auslenkung in eine möglichst grossf Form änderung umgesetzt wird, um zur Ermielung hoher Genauigkeit einen möglichst grossen Messeffekt zu erreichen.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfach und wirtschaftlich herzustellen- des Gerät zu schaffen, das möglichst-als (kompaktes Einbauteil verwendet werden kann. Erfindungsge- mäss wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass das Messelement aus. einem Einleitungsteil und einem mit einem Widerlager in Verbindung stehenden Teil besteht, zwischen denen sich in der Wirkungsrichtung der zu messenden Grösse seitlich gegeneinander Versetzte, teils mit dem Einleitungsteil, teils mit dem Widerlagerteil in Verbindung stehende Übertragungs- teile erstrecken, von denen die eine Gruppe jeweils mit der anderen Gruppe.
über Querverbindungsteilc so verbunden ist, dass eine zufolge der zu messenden Grösse erfolgende Auslenkung der Gruppen relativ zueinander in den Querverbindungsteilen Scherbe- anspruchungen hervorruft, die als Mass für die zu messende Grösse dienen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung.
Fig. 1 einen vergrösserben Längsschnitt durch , eine in einem zylindrischen Gehäuse eingebaute Einheit gemäss der Erfindung
Fig. 2 in verkleinerter Darstellung als Ausschnitt aus Fig. 1 das Messelement,
Fig. 3 eine um 90 gedrehte Darstellung des Messelementes gemäss Fig. 2,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung gemäss 1-1 in Fig. 2,
Fig. 5 eine Schnittdarstellung gemäss II-II in Fig. 2,
Fig. 6 ein Schaltschema für die elektrische Zusammenschaltung der in den dargestellten Ausfüh- rungsbeispielen verwendeten Widerstandsdehnungs- messstreifen.
In einem überwiegend zylindrischen, als Einbau- teil ausgebildeten Gehäuse 1 ist in einem reduzierten Querschnitt eine Gewindbohrung 2 vorgesehen, die eine elektrische Klemmenkammer 3 mit einem der Aufnahme eines Messelementes 5 dienenden Raum 4 verbindet. Das Messelement 5 besitzt verhältnismässig massive Toile 6 und 7, von denen das Teil 6 als Krafteinleitungsteil und das Teil 7 als Widerlagerteil dient. Das Widerlagerteil 7 ist in die Gewindeboh- rung 2 eingeschraubt und stützt sich der Bearbei- tungsgenauigkeit wegen mit einer reduzierten Flanschfläche 17 auf dem reduzierten Querschnitt im Gehäuse 1 ab.
Der einzuschraubende Teil des Widerlagerteils 7 ist mit 8 bezeichnet. Am entgegen- gesetzten Ende des Messelemontes befindet sich das Einleitungsteil 6, das seinerseits eine Gewinde- bohrung 9 aufweist. In Xdiese ist der Gewindeteil 14 einer Membran 10 eingeschraubt. Die Membran 10 ist mittels eines ringförmigen Flanches 11 an einer Nahtstelle 12 mit dem Gehäuse 1 verschweisst, sie kann jedoch auch in, anderer an sich bekannter Weise mit dem Gehäuse verbunden sein. Ein Teil 13 der Membran stellt die elastische Verbindung zwi- schen dem Flanschteil 11 und dem starren Ein- schraubteil 14, der mit dem Schaft 15 in das Einleitungsteil 6 eingeschraubt ist, her.
Der starre Membranteil 14 ist wiederum der besseren Bearbeitung wegen über eine ebenfalls relativ kleine Kreisring- fläche 16 auf dem Einleitungsteil 6 abgestützt.
Zur Vermeidung, der Auswirkungen von Temperatureinflüssen auf das Messelement ist eine übliche Vakuumverbindung 20 im Seitenteil 21desGehäuses 1 vorgesehen. tuber diese Verbindung. kann in an sich bekannter Weise ein Anschluss an eine die inneren Verhältnisse im Messgerät regulierende Einrich- tung vorgenommen werden.
Das Messelement 5 besitzt, eine hohlzylindrische Wandung 24, die sich in axialer Richtung zwischen dem Eioleitungsteil 6 und dem Widerlagerteil 7 erstreckt und beide miteinander verbindet. Die Stärke der Wandung 24 ist entsprechen dem Messbereich der Einrichtung dimensioniert.
Wie insbesondere aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, sind durch die Wandung 24, senkrecht zu ihrer geometrischen Mittelachse.und'dieseschneidend, zwei Bohrungen 25 und 26 und,, diesen gegenüber um 90 versetzt, zwei weitere Bohrungen 27 und 28 vorgesehen. Die Bohrungen 25 und 28 sowie die Bohrungen 26 und 27 sind durch Querschlitze 29 und 30 miteinander verbunden. Durch diese Anord- nung der Bohrungen und Schlitze entstehen lastüber- tratgende Teile 32 und 33, die starr mit dem Einleitungsteil 6 verbunden sind und sich in axialer Richtung erstrecken. Nahe dem Widerlagerteil 7 sind in analoger Weise Bohrungen 25'bis 28'vorgesehen, die wiederum paarweise mit Schlitzen 35 und 36 miteinander verbunden sind.
Die Anordnung ist hier jedoch so getroffen, dass die unteren Schlitze gegenüber den oberen Schitzen am Umfang der zylindrischen Hülse 24 um 90 versetzt sind. Auf diese Weise entstehen weitere lastübertragende Teile 37 und 38, die starr mit dem Widerlagerteil 7 ver bunden sind und sich ebenfalls in axialer Richtung erstrecken. Die beiden Gruppen von Übertragungs- teilen sind am Hülsenumfang gegeneinander versetzt angeordnet. Über die zwischen den Bohrungen 25 und 25' bzw. 26 und 26'bzw. 27 und 27'bzw. 28 und 28' befindlichen Hülsenteils stehen die Übertragungsteile miteinander in Verbindung. Diese Querverbindungsteile sind mit 40 bezeichnet.
Es existieren je zwei Paare 40. Selbstverständlich kann auch eine andere Zahl von Schlitzen und entsprechende Ver setzungswinkel gewählt werden.
Wirkt eine Druckbelastung auf die Membran 10 ein, so wird sie von dieser auf das Einleitungsteil 6 übertragen und von diesem über die mit ihm ver bundenen Ülberkagungsteile 32, 33, die Querver- bindungsteile 40 und die Teile 37, 38 zum Widerlagerteil 7 übertragen. Hierbei entsteht eine relative Verschiebung in axialer Richtung zwischen den Teilen 32, 33. und den Teilen 37, 38. Diese Relativ- bawegung der beiden Gruppen gegeneinander hat eine Scherbeanspruchung der Querverbindungsteile 40 zur Folge.
Auf den Querverbindungsteilen 40 sind in an sich bekannter Weise zur Ermittlung der auftreten Sden Scherbeanspruchungen elektrische Widerstands- dehnungsmessstreifen angeordnet ; und zwar sind auf jedem der Querverbindungsteile je zwei gegeneinan- der um 90 und gegenüber ider Achsrichtung des Messelementes 5 um 45 versetzte Messstreifen an den Stellen A1 bis A4 bzw. B1 bis B4 angebracht.
In diesen Messstreifen werden infolge der Scherbe- anspruchungen Änderungen ihres elektrischen Widerstandes hervorgerufen, die durch die in Fig. 6 dargestellte Messbrückenschaltung summitert, eine dem zu messenden Druck entsprechende Messgrösse darstellen.
Die Querverbindungsteile 40 sind in Richtung des Umfangs sehr kurz, so dass sie sich in axialer Richtung nur sehr wenig verformen trotz grosser Scherbeanspruchung. Dadurch ist nur eine sehr geringe Auslenkung des Krafteinleitungsteiles 6 und damit der Membran 10 erfoderlich ; das Messelement wird sehr sbeif und bekommt eine hohe Eigenfrequenz. Damit sind die der Erfindung als Aufgabe zugrundeliegenden Forderungen, wie sie eingangs ge schildert wurden, in vorteilhafter Weise erfüllt.
Mit Ausführungsformen, die einen Membrandurchmesser von 13'/16 Zoll, eine maximale Gesamtlänge der Einrichtung von 21/8 Zoll, einen Durchmesser des Messelementes von 7/to Zoll und eine Länge in axialer Richtung von 7/t6 Zoll besassen, konnten Werte von etwa 3 Millivolt pro Volt erzielt werden, ohne dass es erforderlich war, besonders klein gehaltene Wider standsdehnungsmessstreifen zu verwenden, weil idiese durch die beschriebene Anwendung auf der äusseren Fläche des Zylinders 24 an den Querverbindungstei- len 40, anstatt wie bei den bekannten Anordnungen in kleinen Bohrungen oder an sonstigen schlecht zugänglichen Stellen, mehr Platz zur Verfugung hatten.
Es ist klar ersichtlich, dass die Einrichtung weiter- hin wegen des einfachen Aufbaues besonders wirt schaftlich hergestellt werden kann.
Selbstverständlich können einzelne Anderungen in den Konstruktionsdetails vorgenommen werden.
So kann beispielsweise das Gerät auch zur Kraftbzw. Lastmessung verwendet werden, wobei gage- benenfalls die Membran weggelassen werden kann.