-
Kraftmesser Es sind Kraftmesser bekannt, bestehend aus einem Meßblock
aus Stahl oder ähnlichem anderem Material und einem oder mehreren daran angebrachten,
von elektrischem Strom durchflossenen Widerstandsdrähten. Wird der Meßblock durch
Belastung gedehnt oder verkürzt, so macht der Draht diese Dehnung oder Verkürzung
mit. Die dadurch erzeugten Widerstandsänderungen werden im allgemeinen mit Hilfe
einer Wheatstoneschen Brücke zur Anzeige gebracht.
-
Bei den bekannten Anordnungen nach Abb. 1 sind die Drähte so auf
den vier Seiten des Meßblocks 5 angebracht, daß z. B. bei Dehnung des Meßblocks
in Richtung der Achse 6 die Drähte 1, 2 der Vorder bzw. Rückseite eine Verlängerung
erfahren und die Drähte 3, 4 der rechten bzw. linken Seite eine Verkürzung. Die
Widerstandsdrähte 1, 2, 3, 4 werden in einer Wheatstoneschen Brücke gemäß Abb. 2
zusammengeschaltet. Kennzeichnend für diese Brüd<enschaltung ist, daß solche
Widerstandsdrähte, die eine gleichartige Verformung erfahren, gegenüberliegende
Brückenzweige bilden. Denn nur so addieren sich die Wirkungen aller Drähte hinsichtlich
der Ausgangsspannung.
-
Die Anordnung der Teile des Kraftmessers gemäß Abb. 1 und 2 bewirkt
gleichzeitig, daß die Brückenausgangsspannung von der Temperatur in gewissem Maße
unabhängig ist. Diese Wirkung beruht darauf, daß die Drähte 1, 2, 3, 4 in Wärmekontakt
mit dem gut wärmeleitenden Meßblock stehen und annähernd gleiche Temperatur annehmen.
Weiter werden die Drähte 1, 2, 3, 4 in etwa gleicher Weise durch die Wärmeausdehnung
des Meßblocks verformt, so daß sich hierdurch die Brückenausgangsspannung nicht
wandert. Trotz dieser Gegebenheiten haben derartige I(raftmesser einen Temperaturgang.
Er wird, da er anderenfalls die Meßergebnisse unzulässig beeinbussen würde, in bekannter
Weise durch eine Zusatzwicklung kompensiert. Damit diese I(ompensation aber möglichst
gut gelingt, muß zunächst der Temperaturgang auf einen möglichst kleinen Betrag
gebracht werden.
-
Es ist ein wesentlicher Vorzug der vorliegenden Erfindung, daß der
Temperaturgang gegenüber den bekannten Anordnungen reduziert ist. Um das zu erkennen.
sollen zunächst die Ursachen für den Temperaturgang der bekannten Kraftmesser aufgezählt
werden: 1. Die Widerstandsdrähte 1, 2, 3, 4 haben nicht genau die gleiche Temperatur,
weil sich auf dem Meßblock ein mit der Außentemperatur veränderliches Temperaturfeld
ausbildet und die Anordnung der Drähte relativ zum Meßblock nicht symmetrisch ist
bzw. sein kann. Bei vollkommen symmetrischer Lage der Drähte 1. 2, 3. 4 z. B. gemäß
Abb. 3 würde bei
einer in Richtung der Achse 6 wirkenden Belastung die Brückenanordnung
nach Abb. 2 keine Ausgangsspannung liefern, weil die Drähte 1, 2, 3, 4 eine wesentlich
gleiche Verformung erfahren.
-
2. Wenn der Werkstoff für den Meßkopf anisotrop ist, derart. daß
z. B. in Walzrichtung 6 und senkrecht dazu verschieden große Ausdehnuiigskoeffizienten
auftreten, so bewirkt nach Abb. 1 und 2 die prozentual verschieden große Änderung
der Drähte 1, 2 einerseits und der Drähte 3, 4 andererseits einen Temperaturgang.
-
3. Die Temperaturkoeffiziellten der Drähte 1, 2, 3, 4 sind nicht
genau gleich, auch wenn sie aus dem gleichen Widerstandsmaterial derselben Charge
bestehen, sofern bei der Formgebung die mechanischen Beanspruchungen nicht genau
übereinstimmen. Das ist insbesondere der Fall, wenn die Widerstandsdrähte 1, 2,
3, 4 die Form der sogenannten Dehnungsmeßstreifen haben.
-
Es liegt im Prinzip der vorliegenden Erfindung, daß die für den Temperaturgang
der bekannten Anordnungen aufgeführten Gründe ausgeschlossen werden. Das Kennzeichen
dieser Erfindung ist, daß diejenigenDrähte, die jeweils symmetrisch zu einer Achse
oder Ebene des Meßblocks liegen und damit die gleiche Verformung erfahren, dadurch
eine der zu messenden Kraft proportionale Ausgangsspannung hervorrufen, daß sie
sich hinsichtlich ihrer K-Faktoren unterscheiden und in der Brückenschaltung benachbarte
Zweige bilden.
-
Abb. 4 und 5 sollen zur näheren Erläuterung des vorstehend Gesagten
dienen. Die in Abb. 4 gewählte Form des Meßblocks steht nur insofern mit der vorliegenden
Erfindung in Zusammenhang, als sich die
Widerstandsdrähte als um
den Meßblock gelegte Wicklungen mit definiertem Zug aufbringen lassen und daß dadurch
die Drähte zumindest paarweise gleichen mechanischen Beanspruchungen bei der Formgebung
unterliegen. Die Drähte 7, 8 in Abb. 4 liegen symmetrisch zu einer Ebene, die durch
die Achse 11 geht und auf der Zeichenebene senkrecht steht, desgleichen liegen die
Drähte 9, 10 symmetrisch zu einer Ebene, die durch die Achse 12 geht und gleichfalls
auf der Zeichenebene senkrecht steht. Die Drähte 7, 8 einerseits und 9, 10 andererseits
erfahren bei Belastung des Stabes in Richtung der Achse 11 paarweise gleiche Verformungen
und sind gemäß Abb. 5 zu einer Wheatstoneschen Brücke zusammengeschaltet. Der Widerstandswerkstoff
der Drähte 7,9 hat den K-Faktor K1 und der Widerstandswerltstof1 der Drähte 8, 10
den von K1 abweichenden K-Faktor K2.
-
Wird der Meßblock nun in Richtung der Achse 11 belastet, so erfahren
die Drähte7, 8 einerseits und die Drähte9, 10 andererseits paarweise die gleiche
Verformung. Infolge der unterschiedlichen K-Faktoren tritt im Brückenausgang eine
Spannung auf, die der konstanten Differenz K1-K2 und der Belastung proportional
ist. Die Wirkungsweise der Anordnung beruht also wesentlich auf dem Unterschied
der K-Faktoren der Drähte 7, 9 einerseits und der Drähte 8, 10 andererseits.
-
Es soll nun erklärt werden, daß die erfindungsgemäß vorliegende Anordnung
besser als die bekannten Anordnungen gemäß Abb. 1 und 2 die aufgeführten Ursachen
für den Temperaturgang vermeidet: Zunächst sei eingefügt, daß die Brücke nach Abb.
5 grundsätzlich temperaturkompensiert ist, auch wenn sich die Temperaturkoeffizienten
der Drähte 7, 9 einerseits und 8, 10 andererseits unterscheiden, was angenommen
werden könnte, da die bezüglichen Widerstandswerkstoffe abweichende K-Faktoren haben
müssen und demgemäß nicht identisch sein können.
-
Maßgeblich ist ja, wenn man zunächst noch gleiche Temperatur der Drähte7,
8, 9, 10 voraussetzt, das Widerstandsverhältnis der Drähte 7 und 9 einerseits und
8 und 10 andererseits, die paarweise aus dem gleichen Widerstands werkstoff bestehen.
Wenn aber darüber hinaus z. B. Konstantan und Manganin verwendet werden, deren K-Faktoren
sich für den vorliegenden Zweck genügend unterscheiden, so sind deren Widerstandskoeffizienten
nicht nur dem Betrag nach klein, sondern liegen sogar in derselben Größenordnung.
Soweit besteht also gegenüber den bekannten Anordnungen kein Nachteil, die Vorteile
gegenüber diesen sind aber folgende: 1. Gemäß Abb. 4 liegen die Drähte 7, 8 einerseits
und 9, 10 andererseits paarweise symmetrisch zum Meßblock. Haben nun 7, 8 und 9,
10 etwa paarweise eine gleiche, aber sonst unterschiedliche Temperatur, so tritt
kein Temperaturfehler auf, weil die paarweise symmetrisch liegenden Drähte 7, 8
und 9, 10 nach Abb. 5 benachbarte Brückenzweige bilden. Das ist bei der bekannten
Anordnung nach Abb. 1 und 2 nicht der Fall. Denn die symmetrisch zum Meßblock liegenden
Drähte 1, 2 einerseits und 3, 4 andererseits verursachen einen Temperaturfehler,
sofern deren Temperatur nur paarweise übereinstimmt, weil die Drähte 1 bzw. 2 und
3 bzw. 4 gemäß Abb. 2 gegenüberliegende Brückenzweige bilden. Die erfindungsgemäße
Anordnung nach Abb. 4 und 5 verlangt also für die Temperaturkompensation nur paarweise
Übereinstimmung der Temperatur symmetrisch liegender Wicklungen, während bei den
bekannten Anordnungen alle Drähte
die gleiche Temperatur haben müssen. Jene ist also
den bekannten Anordnungen überlegen.
-
2. Bei anisotropen Verhalten des Meßblocks in Richtung derAchsen
11 und 12 tritt kein Temperaturfehler auf. Dehnt sich z. B. infolge Erwärmung der
Meßblock in Richtung der Achse 11 relativ stärker als in Richtung der Achse 12 und
erfahren damit die Drähte 7, 8 einerseits und 9, 10 andererseits paarweise eine
gleiche, aber sonst unterschiedliche Verformung, so tritt kein Temperaturfehler
auf, weil die paarweise gleichartig verformten Drähte 7, 8 und 9, 10 nach Abb. 5
benachbarte Brückenzweige bilden.
-
Das ist bei der bekannten Anordnung nach Abb. 1 und 2 nicht der Fall.
Denn die gleichartig durch die Wärmeausdehnung verformten Drähte 1, 2 einerseits
und 3, 4 andererseits verursachen einen Temperaturfehler, sofern deren Verformung
nur paarweise übereinstimmt, weil die Drähte 1 bzw. 2 und 3 bzw. 4 gemäß Abb. 2
gegenüberliegende Brückenzweige bilden.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung nach Abb. 4 und 5 verlangt also für
die Temperaturkomperisation nur eine paarweise Übereinstimmung der Verformung symmetrisch
liegender Wicklungen, während bei den bekannten Anordnungen alle Drähte die gleiche,
durch die Wärmeausdehnung bedingte Verformung haben müssen. Jene ist also wiederum
den bekannten Anordnungen überlegen.
-
3. Die Wicklungen 7, 8 und 9, 10 haben paarweise die gleiche Form.
Sie erfahren also bei der Formgebung gleiche mechanische Beanspruchungen, insbesondere
wenn sie in der Form von Wicklungen mit konstantem Zug aufgebracht werden. Es genügt
wieder gemäß dem unter 1. und 2. Gesagten, daß paarweise gleiches Verhalten der
Wicklungen gleicher Form vorliegt, um Fehler auszuschließen oder zu reduzieren.
-
Damit dürften die Vorteile der vorliegenden Erfindung, die es gestattet,
Kraftmesser besserer Nullpunktkonstanz und damit höherer Genauigkeit zu bauen, ausreichend
dargestellt sein. Alle aufgeführten Überlegungen können sinngemäß auf einen Kraftmesser
übertragen werden, der, wie die Abb. 6 zeigt, nur zwei Widerstandsdrähte 13, 14
gleicher Form trägt, die symmetrisch z. B. zur Achse 11 des Meßblocks liegen und
deren K-Faktoren nicht gleich sind.
-
Für den Aufbau einer Brückenschaltung nach Abb. 7 werden zwei weitere
Widerstandsdrähte 15, 16 auf einen gut wärmeleitenden Block aufgebracht, der keiner
mechanischen Belastung unterworfen wird.
-
Die Widerstandswerkstoffe des Drahtes 15, 16 stimmen beziehungsweise
mit denWiderstandswerkstoffen der Drähte 13, 14 überein.