CH656227A5 - Messwandler fuer einen kraftmesser. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Messwandler für einen Kraftmesser, umfassend einen auf Zug beanspruchbaren Messkörper, dessen lastabhängige Dehnung zur Lieferung eines elektrischen Signals verwendet wird.

Ein solcher Messwandler ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 349 281 bekannt.

Aufgabe der Erfindung war es, den bekannten Messwandler in bezug auf seine mechanischen Eigenschaften (z.B. seine Belastbarkeit), aber auch eine Empfindlichkeit gegen Temperaturschwankungen spürbar zu verbessern und trotzdem in Aufbau und Herstellung einfach zu gestalten.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der bandförmig ausgebildete Messkörper aus einem amorphen Metall besteht. Das amorphe Metall (auch metallisches Glas genannt) kann beispielsweise von der Zusammensetzung NixSiyBz oder NiaSibBcFed oder auch FexQyBz sein. Solche Legierungen erlauben eine Zugbelastung von beispielsweise gegen 400 N/mm2 im elastischen Bereich. Ihre Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls wie auch des elektrischen Widerstandes lassen sich durch geeignete, an sich bekannte Legierungszusätze unabhängig voneinander auf wenigstens angenähert Null reduzieren, was für die praktischen Messeigenschaften sehr bedeutsam ist. Ferner sind die Kriechfestigkeit wie auch die kleine Hysterese amorpher Metalle besonders vorteilhaft.

Vorzugsweise verfügt der Messkörper über eine Einschnürung, deren lastabhängig sich ändernder Widerstand abgreifbar ist. Eine solche Ausbildung hat den Vorteil, dass die für die Messung ausgenützte Zone des Messkörpers eindeutig definiert ist und zudem von Randstelleneffekten (z.B. aus der Einspannung) praktisch frei ist.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform steht der Messkörper unter einer mechanischen Vorspannung und verfügt er über zwei Einschnürungen, deren lastabhängig sich ändernde Widerstände abgreifbar sind, wobei zwischen den beiden Einschnürungen ein Mittel zur Einleitung der Messkraft vorgesehen ist. Eine derartige Ausbildung weist besondere Vorzüge auf bezüglich der Stabilität auch gegenüber Temperaturschwankungen und bezüglich der Linearität und erlaubt zudem bei geeigneter Dimensionierung eine Erhöhung des Messsignals.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. In der nicht massstäblichen Zeichnung ist

Figur 1 die Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels,

Figur 2 die entsprechende Brückenschaltung,

Figur 3 die Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels, und

Figur 4 die Brückenschaltung zu Figur 3.

Im ersten Ausführungsbeispiel umfasst der Messkörper 10 ein schmales Band 12 aus metallischem Glas, das an seinem einen Ende in einem Gestell 14 eingespannt ist. Am freien Ende ist eine Bohrung 16 zur Aufnahme eines Übertragungselementes für die Messkraft F vorgesehen. Zwei Löt- oder Schweisspunkte 18,20 zwischen der Einspannung am Gestell 14 und der Bohrung 16 dienen dem Anschluss elektrischer Zuleitungen.

Der Bereich zwischen den beiden Lötpunkten 18 und 20 bildet den messaktiven Teil des Messkörpers. Bei Belastung mit der Messkraft F wird das Band 12 gedehnt, und es ändert sich der elektrische Widerstand Rx. Diese Widerstandsänderung wird in bekannter Weise mittels einer Brückenschaltung gemäss Figur 2 verarbeitet: Eine Spannung Us speist die bei Messkraft F = O abgeglichene Brücke mit den festen Präzisionswiederständen Ri, R2 und R3. Bei Belastung mit der Messkraft F wird die Brücke verstimmt, es ergibt sich das Messsignal Um. Zweckmässigerweise sind dabei die Widerstände Ri und Rx einerseits, R2 und Rs andererseits paarweise abgeglichen auch hinsichtlich der Temperaturkoeffizienten des Widerstandes.

Eine typische Dimensionierung des Bandes 12 ist folgende:

Wirksame Länge 100 mm, Breite 2 mm, Dicke 0,05 mm. Aus dem Querschnitt von 0,1 mm2 und einer Reissfestigkeit von ca. 4000 N/mm2 ergibt sich eine Reisskraft von 400 N und eine zuverlässige Messkraft von ca. 40 N innerhalb des Elastizitätsbereiches. Bei einem Gesamtwiderstand der wirksamen Bandlänge von 1.3 Ohm ergibt sich für eine Dehnung von 2 Promille eine Widerstandsänderung von 2,6 mOhm, die sich bei Anwendung geeigneter Messmethoden (z.B. mittels Wechselstrom) ohne weiteres in Messschritte von 2,6 [lOhm auflösen lässt, was einer Auflösung von 1000 Punkten entspricht.

Sowohl die Einspannung des Bandes 12 als auch die Krafteinleitung ist durch Verwendung geeigneter Materialien elektrisch zu isolieren (in der Zeichnung nicht dargestellt).

Die Herstellung des Materials für das Band 12 kann in bekannter Weise erfolgen (beispielsweise gemäss der US-Patentschrift 4 298 382).

Der hier in seiner einfachsten Form gezeigte Messkörper kann gemäss den eingangs gegebenen Erläuterungen noch verfeinert werden, indem man den wirksamen Bereich des Bandes 12 (zwischen den Lötpunkten 18 und 20) schmaler wählt als die beiden Enden (ähnlich einer Hälfte des unten beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiels). Die gewünschte Formgebung kann aus dem Rohmaterial beispielsweise durch Stanzen bewirkt werden.

Figur 3 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel. Der Messkörper 22 besteht wiederum aus einem Band von 100 mm Länge und 0,05 mm Dicke, das mit seinem oberen Ende 23 im Gestell 24 (elektrisch isoliert) ortsfest eingespannt ist. Das Band weist hier zwei Einschnürungen 26 und 28 von 2 mm Breite auf, welche die wirksamen Längen der Widerstände Rx und Ry definieren. Elektrische Anschlüsse 30 für die Zuleitungen 32 sind durch Punktschweissung auf dem Band angebracht.

In der Mitte zwischen den beiden Einschnürungen 26,28 dient eine Bohrung 34 zur Aufnahme eines Organs zur Kraftübertragung; die wiederum nach unten gerichtete Messkraft F wird hier also zwischen den beiden Messwiderständen Rx und Ry eingeleitet. Das untere Ende 36 des Messkörpers 22 ist über eine Vorspannfeder 38 mit dem Gestell 24 verbunden. Bei geeigneter Abstimmung der Federkonstanten von Mess5

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körper und Vorspannfeder 38 sowie der Vorspannkraft lässt sich mit dieser Anordnung neben einer besseren Linearität eine Erhöhung des Messsignals erzielen, da sich die Widerstände Rx und Ry in gegenläufigem Sinne ändern. Ferner ist infolge der gleichartigen Auswirkung von Temperaturschwankungen auf beide Widerstände eine weitgehende Kompensation solcher Einflüsse gegeben.

Die Auswerteschaltung der Figur 4 zeigt eine der möglichen Anordnungen der Messwiderstände Rx und Ry sowie der festen Widerstände Rs und Râ.

Mancherlei Variationen im Rahmen der Erfindung sind

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denkbar. Beispielsweise kann die Vorspannkraft im zweiten Äusführungsbeispiel statt durch eine Feder auch durch eine Masse erzeugt werden.

Der erfmdungsgemässe Messwandler wirkt einerseits als s Dehnungsmessstreifen, andererseits als Feder. Er erzeugt also sowohl das Messsignal als auch die Rückstellkraft.

Durch die Verwendung von amorphem Metall wird eine Kombination guter Feder- mit guten Widerstandseigenschaften möglich, was mit konventionellen Widerstands-lo materialien aufgrund von deren unbefriedigenden Federeigenschaften nicht erreichbar ist.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

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1. Messwandler für einen Kraftmesser, umfassend einen auf Zug beanspruchbaren Messkörper, dessen lastabhängige Dehnung zur Lieferung eines elektrischen Signals verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der bandförmig ausgebildete Messkörper (10; 22) aus einem amorphen Metall besteht.

2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper über eine Einschnürung verfügt, deren lastabhängig sich ändernder Widerstand abgreifbar ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (22) unter einer mechanischen Vorspannung steht und über zwei Einschnürungen (26,28) verfügt, deren lastabhängig sich ändernde Widerstände abgreifbar sind, wobei zwischen den beiden Einschnürungen ein Mittel zur Einleitung der Messkraft vorgesehen ist.