DE1010290B

DE1010290B - Dynamometer

Info

Publication number: DE1010290B
Application number: DEB38990A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Guenter Turetschek
Original assignee: Butz & Leitz Maschinen GmbH
Current assignee: Butz & Leitz Maschinen GmbH
Priority date: 1956-02-04
Filing date: 1956-02-04
Publication date: 1957-06-13

Description

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.Force gauges There are known force gauges consisting of a measuring block made of steel or similar other material and one or more attached to it, resistance wires through which electrical current flows. If the measuring block is through If the load is stretched or shortened, the wire makes this stretch or shortening with. The changes in resistance produced thereby are in general with the help a Wheatstone bridge brought to the display.

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. In the known arrangements according to Fig. 1, the wires are so on attached to the four sides of the measuring block 5 that, for. B. when stretching the measuring block in the direction of the axis 6, the wires 1, 2 of the front and back are an extension experience and the wires 3, 4 of the right and left side a shortening. the Resistance wires 1, 2, 3, 4 are placed in a Wheatstone bridge as shown in Fig. 2 interconnected. It is characteristic of this brother circuit that such Resistance wires that experience a similar deformation, opposite one another Form bridge branches. Because only in this way do the effects of all wires add up the output voltage.

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. The arrangement of the parts of the dynamometer according to Fig. 1 and 2 causes at the same time that the bridge output voltage depends on the temperature to some extent is independent. This effect is based on the fact that the wires 1, 2, 3, 4 are in thermal contact stand with the thermally conductive measuring block and assume approximately the same temperature. Furthermore, the wires 1, 2, 3, 4 are in approximately the same way due to the thermal expansion of the measuring block is deformed so that the bridge output voltage does not change as a result wanders. Despite these conditions, such I (raft meters have a temperature drift. Since it would otherwise inadmissibly affect the measurement results, it becomes better known Way compensated by an additional winding. So that this I (ompensation as possible If it works well, the temperature drift must first be reduced to as small an amount as possible to be brought.

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. It is an essential advantage of the present invention that the Temperature drift is reduced compared to the known arrangements. To see that. the causes for the temperature response of the known dynamometers should first be enumerated be: 1. The resistance wires 1, 2, 3, 4 do not have exactly the same temperature, because there is a temperature field on the measuring block that changes with the outside temperature and the arrangement of the wires relative to the measuring block is not symmetrical or can be. With a completely symmetrical position of the wires 1. 2, 3. 4 z. B. according to Fig. 3 would be at a load acting in the direction of the axis 6, the bridge arrangement according to Fig. 2 do not provide an output voltage, because the wires 1, 2, 3, 4 a substantial experience the same deformation.

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. 2. If the material for the measuring head is anisotropic, like this. that z. B. in the rolling direction 6 and perpendicular to it differently large expansion coefficients occur, according to Fig. 1 and 2 causes the percentage change of different magnitude the wires 1, 2 on the one hand and the wires 3, 4 on the other hand have a temperature curve.

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. 3. The temperature coefficients of wires 1, 2, 3, 4 are not exactly the same, even if they are made from the same resistor material from the same batch exist, provided that the mechanical stresses are not accurate during the shaping to match. This is especially the case when the resistance wires 1, 2, 3, 4 have the shape of the so-called strain gauges.

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. It is in the principle of the present invention that the temperature response of the known arrangements listed reasons are excluded. The license plate This invention is that those wires, each symmetrical about an axis or level of the measuring block and thus experience the same deformation, thereby cause an output voltage proportional to the force to be measured that they differ in terms of their K-factors and neighboring ones in the bridge circuit Form branches.

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. Figs. 4 and 5 are intended to explain what has been said above in more detail to serve. The shape of the measuring block selected in Fig. 4 is only compatible with the present one Invention in context when the Resistance wires than um let the measuring block apply laid windings with a defined tension and that thereby the wires, at least in pairs, have the same mechanical stresses during shaping subject. The wires 7, 8 in Fig. 4 are symmetrical about a plane passing through the axis 11 goes and is perpendicular to the plane of the drawing, the same are the Wires 9, 10 symmetrical about a plane passing through the axis 12 and likewise is perpendicular to the plane of the drawing. The wires 7, 8 on the one hand and 9, 10 on the other hand experience the same deformations in pairs when the rod is loaded in the direction of the axis 11 and are interconnected to form a Wheatstone bridge as shown in Fig. 5. The resistance material of the wires 7,9 has the K-factor K1 and the resistance material 1 of the wires 8,10 the K-factor K2 which differs from K1.

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. If the measuring block is now loaded in the direction of the axis 11, so experience the wires 7, 8 on the one hand and the wires 9, 10 on the other hand are the same in pairs Deformation. As a result of the different K-factors, a occurs in the bridge exit Voltage that is proportional to the constant difference K1-K2 and the load is. The mode of operation of the arrangement is therefore essentially based on the difference the K-factors of wires 7, 9 on the one hand and wires 8, 10 on the other.

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. It will now be explained that the arrangement according to the invention better than the known arrangements according to Fig. 1 and 2 the listed causes for the temperature drift avoids: First it should be added that the bridge according to Fig. 5 is basically temperature compensated, even if the temperature coefficients of wires 7, 9 on the one hand and 8, 10 on the other hand differ what is assumed because the resistor materials in question have different K-factors must and therefore cannot be identical.

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.It is decisive, if you first still have the same temperature of the wires7, 8, 9, 10 assumes the resistance ratio of wires 7 and 9 on the one hand and 8 and 10 on the other hand, which are made of the same resistance material in pairs. But if in addition z. B. Constantan and Manganin can be used, their K-factors differ sufficiently for the present purpose, their resistance coefficients are not only small in terms of amount, but are even of the same order of magnitude. So far there is no disadvantage compared to the known arrangements, the advantages compared to these, however, the following are: 1. According to Fig. 4, the wires 7, 8 are on the one hand and 9, 10 on the other hand in pairs symmetrically to the measuring block. Now have 7, 8 and 9, 10 approximately in pairs the same but otherwise different temperature occurs there is no temperature error because the wires 7, 8 and 9, 10 according to Fig. 5 form adjacent bridge branches. That is with the well-known Arrangement according to Fig. 1 and 2 is not the case. Because those lying symmetrically to the measuring block Wires 1, 2 on the one hand and 3, 4 on the other hand cause a temperature error, provided that their temperature only matches in pairs, because wires 1 or 2 and 3 or 4 according to Fig. 2 form opposite bridge branches. The inventive The arrangement according to Fig. 4 and 5 therefore only requires pairs for temperature compensation Coincidence of the temperature of symmetrically lying windings, while the known arrangements all wires must have the same temperature. So that is superior to the known arrangements.

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. 2. With anisotropic behavior of the measuring block in the direction of the axes 11 and 12 no temperature error occurs. Z. B. as a result of heating Measuring block in the direction of the axis 11 is relatively stronger than in the direction of the axis 12 and thus experience the wires 7, 8 on the one hand and 9, 10 on the other hand in pairs same, but otherwise different deformation, no temperature error occurs because the wires 7, 8 and 9, 10 according to Fig. 5, which are deformed in the same way in pairs Form neighboring bridge branches.

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.This is not the case with the known arrangement according to FIGS. 1 and 2. This is because the wires 1, 2, which are similarly deformed by thermal expansion, on the one hand and 3, 4 on the other hand cause a temperature error if their deformation only match in pairs because wires 1 or 2 and 3 or 4 according to Fig. 2 Form opposing bridge branches.

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.The arrangement according to the invention according to Fig. 4 and 5 thus requires for the temperature comparison is only a pair-wise agreement of the deformation symmetrically lying windings, while in the known arrangements all wires have the same, must have deformation caused by thermal expansion. So that is again superior to the known arrangements.

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. 3. The windings 7, 8 and 9, 10 have the same shape in pairs. So you experience the same mechanical stresses, in particular, when shaping when applied in the form of constant tension windings. It is sufficient again according to what has been said under 1. and 2. that in pairs the behavior of the Windings of the same shape are present in order to exclude or reduce errors.

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. Thus, the advantages of the present invention, which allows To build dynamometers with better zero point constancy and thus higher accuracy is sufficient be shown. All of the considerations listed can apply analogously to a dynamometer which, as Fig. 6 shows, only two resistance wires 13, 14 the same shape, the symmetrical z. B. to the axis 11 of the measuring block and whose K-factors are not the same.

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.To build a bridge circuit as shown in Fig. 7, two more Resistance wires 15, 16 applied to a block that conducts heat well, none of which mechanical stress is subjected.

Die Widerstandswerkstoffe des Drahtes 15, 16 stimmen beziehungsweise mit denWiderstandswerkstoffen der Drähte 13, 14 überein.The resistance materials of the wire 15, 16 are correct or respectively with the resistance materials of the wires 13,14.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Force gauge with a measuring block made of steel or. the like and attached resistance wires through which electrical current flows, undergo deformations when the measuring block is loaded, which affect the electrical Change resistance. what is used to measure the loading force, characterized in that, that in each case two measuring wires have the same shape and one with respect to the measuring block symmetrical arrangement experience the same deformation, with for the two measuring wires Resistance materials with different K-factors are used and this Difference in K-factors a necessary cause for the occurrence of any of the stress proportional output voltage.

2. Force meter according to claim 1, characterized in that more than a total of two measuring wires are applied to the measuring block, in particular can be interconnected in a manner known per se to form a Wheatstone bridge.

Documents considered: German Patent No. 905 550; U.S. Patent Nos. 2,576,417, 2,698,371; Magazine »Werkstattstechnik und Maschinenbau ", Vol. 43, December 1953, pp. 553 ff.