DE1268878B - Force measuring device - Google Patents
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4ffl9f!k PATENTAMT FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN 4ffl9f! K PATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. α.:Int. α .:
GOIlGOIl
Deutsche Kl.: 42 k-7/05 German class: 42 k -7/05
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P 12 68 878.7-52
18. Dezember 1965
22. Mai 1968P 12 68 878.7-52
December 18, 1965
May 22, 1968
Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßvorrichtung mit einem kreisringförmigen, durch die zu messende Kraft verdrehten Verformungskörper mit Krafteinleitung in den Verformungskörper an einer Mantellinie und mit an der Oberfläche des Verformungskörpers angeordneten mechanisch-elektrischen Wandlerelementen zur Umwandlung der durch die Kraft im Verformungskörper hervorgerufenen Form- bzw. Materialspannungsänderungen in proportionale elektrische Größen.The invention relates to a force measuring device with a circular ring to be measured by the Force twisted deformation body with introduction of force into the deformation body on a surface line and with mechanical-electrical transducer elements arranged on the surface of the deformation body to convert the shape or shape caused by the force in the deformation body Material stress changes in proportional electrical quantities.
Es sind Vorrichtungen bekannt, bei welchen das eine Ende eines stabförmigen Verformungskörpers durch die zu messende Kraft gegenüber dem anderen Ende, wo die Gegenkraft angreift, verdreht wird. Die dadurch im Körper hervorgerufene Formänderung bzw. Änderung der Materialspannungen wird durch am Körper angebrachte mechanisch-elektrische Wandlerelemente, wie beispielsweise elektrische Widerstandsdehnungsmeßstreifen, Meßdrahtwicklungen, elektrische Halbleiterdehnungsmeßstreifen od. dgl., aufgenommen und in proportionale elektrische Meßsignale umgewandelt. Derartige Vorrichtungen sind lediglich geeignet, eine eine Drehbewegung hervorrufende Kraft zu messen. Zur Ermittlung linear gerichteter Kräfte bedarf es eines besonderen Aufwandes zur Umwandlung in eine Drehkraft, welcher sich wegen des relativ geringen Meßeffektes im Vergleich zu bekannten, linear gerichtete Kräfte ermittelnden Vorrichtungen anderer Wirkungsweise nicht lohnt.Devices are known in which one end of a rod-shaped deformation body is twisted by the force to be measured in relation to the other end where the counterforce acts. the The change in shape or change in material stresses caused by this in the body is caused by mechanical-electrical transducer elements attached to the body, such as electrical resistance strain gauges, Measuring wire windings, electrical semiconductor strain gauges or the like, recorded and converted into proportional electrical measurement signals converted. Such devices are only suitable for causing a rotary movement Measure force. A special effort is required to determine linearly directed forces for conversion into a torque, which is due to the relatively low measuring effect in comparison to known, linearly directed forces determining devices with a different mode of operation is not worthwhile.
Weiterhin ist eine Vorrichtung bekannt, bei weleher die Durchbiegung eines ebenen, kreisplattenförmigen Verformungskörpers die Verkleinerung bzw. Vergrößerung des Umfanges von sich senkrecht zur Plattenebene erstreckenden kreisringförmigen Dehnrändern bewirkt und die dadurch in diesen bewirkte Materialstauchung bzw. -dehnung über mechanischelektrische Wandlerelemente in proportionale Meßsignale umgewandelt wird. Diese die Biegung eines Körpers in eine Verformung eines zweiten Körpers umwandelnde Vorrichtung ist gemessen an dem erforderlichen Aufwand unwirtschaftlich und erfordert relativ großen Einbauraum. Die bei diesem Prinzip erforderliche mehrfache Umwandlung bringt weiterhin eine Reihe meßtechnischer Fehlerquellen mit sich, die einen guten Meßeffekt und hohe Meßgenauigkeit vereiteln.Furthermore, a device is known in which the deflection of a flat, circular plate-shaped deformation body Enlargement of the circumference of the circular expansion edges extending perpendicular to the plane of the plate and the material compression or expansion caused in these via mechanical-electrical transducer elements in proportional measurement signals is converted. This is the bending of one body into a deformation of a second body converting device is uneconomical in terms of the effort required and required relatively large installation space. The multiple conversion required with this principle still brings a number of sources of measurement errors with it, which have a good measurement effect and high measurement accuracy thwart.
Eine andere bekannte Vorrichtung besitzt einen kreisringförmigen Verformungskörper, in welchen die zu messende Kraft axial an der seine innere Begrenzung bildenden Mantellinie eingeleitet wird, auf der die äußere Begrenzung des Verformungskörpers bildenden Fläche sind mechanisch-elektrische Wand-Kraftmeßvorrichtung Another known device has an annular deformation body in which the force to be measured is initiated axially at the surface line forming its inner boundary of the surface forming the outer boundary of the deformation body are mechanical-electrical wall force measuring devices
Anmelder:Applicant:
Carl Schenck Maschinenfabrik G. m. b. H.,Carl Schenck Maschinenfabrik G. m. B. H.,
6100 Darmstadt, Landwehrstr. 556100 Darmstadt, Landwehrstr. 55
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Gottfried Birkholtz, 6101 WeiterstadtGottfried Birkholtz, 6101 Weiterstadt
lerelemente angeordnet, welche eine durch die Kraftwirkung hervorgerufene Verformung des Verformungskörpers in entsprechende elektrische Signale umwandeln. Die Abstützung des Verformungskörpers und damit die Einleitung der Gegenkraft in denselben erfolgt zwischen dem Ort der Krafteinleitung und dem Ort der Wandlerelemente. Hierbei sind die Wandlerelemente unterschiedlichen mechanischen Störeffekten ausgesetzt, was zu einer Verfälschung des Meßeffektes führt. Auch wirken sich zufolge der durch den unsymmetrischen Aufbau bedingten unterschiedlichen Wärmeleitwege und unterschiedliche Massenverteilung Temperaturveränderungen sowohl bei Eigenerwärmung als auch bei äußeren Wärmeeinflüssen nachteilig aus, mit der Folge eines großen Wärmegradienten.lerelemente arranged, which caused a deformation of the deformation body caused by the force convert them into corresponding electrical signals. The support of the deformation body and thus the introduction of the opposing force into the same takes place between the place where the force is introduced and the location of the transducer elements. Here, the transducer elements are different mechanical Exposed to disturbing effects, which leads to a falsification of the measuring effect. Also, according to the due to the asymmetrical structure, different heat conduction paths and different Mass distribution Temperature changes both with self-heating and with external heat influences disadvantageous, with the consequence of a large thermal gradient.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Vorrichtungen hohen Anforderungen an Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Linearität der Messung, bei geringer Beeinflussung durch Hysterese, Kriechen und Querkräfte genügt und die Verwendung von meßtechnisch vorteilhaften Wandlerelementen für hochohmige Meßbrükken an Stellen maximaler Verformung und gleichmäßiger Temperaturbeeinflussung ermöglicht. Bei einer Vorrichtung der genannten Gattung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Einleitung der Gegenkraft an einer anderen Mantellinie des Verformungskörpers erfolgt, die Wandlerelemente etwa in der Mitte zwischen den Mantellinien der Kraft- bzw. Gegenkrafteinleitung angeordnet sind und der Abstand der Mantellinien der Krafteinleitung und der Wandlerelemente von der kreisringförmigen Mittellinie des Verformungskörpers etwa gleich groß ist.The invention is based on the object of creating a device which, while avoiding the disadvantages of the known devices high demands on accuracy and reproducibility and linearity of the measurement, with little influence from hysteresis, creep and lateral forces is sufficient and the use of metrologically advantageous transducer elements for high-resistance measuring bridges at points of maximum deformation and uniform temperature influence. at a device of the type mentioned, this object is achieved in that according to the invention Initiation of the counterforce on another surface line of the deformation body takes place, the transducer elements arranged approximately in the middle between the surface lines of the force or counterforce introduction and the distance between the surface lines of the force introduction and the transducer elements from the circular center line of the deformation body is approximately the same size.
Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und in der nachfolgenden Beschreibung der in der Zeichnung schematisch dar-Further features of the invention can be found in the subclaims and in the following Description of the schematically shown in the drawing
809 550/212809 550/212
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gestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im Diese Stauchung ist an der Stelle U der Oberfläche, einzelnen zeigt die den größten Abstand von der Mittelfläche 10Provided embodiments explained in more detail. In this compression is at the point U of the surface, The individual shows the greatest distance from the central surface 10
Fig. 1 in Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, besitzt, am größten. Dieser Stauchung sind Einflüsse eine Vorrichtung mit im Querschnitt kreisförmigem überlagert, die durch die Einleitung von Kraft und Verformungskörper, 5 Gegenkraft bedingt sind. Zufolge der Einleitung derFig. 1 in side view, partially cut open, has the largest. This compression are influences a device with a circular cross-section superimposed by the introduction of force and Deformation body, 5 counterforce are conditional. As a result of the introduction of the
Fig. 2 im Ausschnitt einen kreisförmigen Ver- Kraft über den Rohransatz2 tritt im Körperl im formungskörper mit sechseckigem Querschnitt, Bereich A zusätzlich eine Dehnung und zufolge derFIG. 2 shows a section of a circular force over the pipe extension 2 in the body 1 in the molding body with a hexagonal cross-section, area A, an additional expansion and, as a result of the
F i g. 3 im Ausschnitt einen kreisförmigen Verfor- Einleitung der Gegenkraft über den Rohransatz 4 im mungskörper mit ellipsenförmigem Querschnitt und Bereichs zusätzlich eine Stauchung auf. Diese zu-F i g. 3 in the section a circular defor- initiation of the counterforce via the pipe socket 4 in tion body with an elliptical cross-section and area also an upsetting. These too-
Fig. 4 im Ausschnitt einen kreisförmigen Verfor- io sätzlichen Erscheinungen heben sich an der Übermungskörper mit rechteckigem Querschnitt und zwei gangssteile der beiden Bereiche auf. Bei Anbringegeneinander seitlich versetzten Hälften. gung der Wicklung6 an der Stelleil wird daher einFIG. 4 shows a section of a circular deformation with a rectangular cross-section and two aisle parts of the two areas. When attached to each other laterally offset halves. The movement of the winding6 at the position therefore becomes a
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform maximaler Meßeffekt bei minimalem Störeinfluß erbesitzt der kreisringförmige Verformungskörper 1 zielt. Die gleichen Verhältnisse gelten mit umgekreisförxnigen Querschnitt. An seiner inneren Man- 15 kehrten Vorzeichen für den unterhalb der Mitteltellinie, d. h. an derjenigen Begrenzungslinie mit dem fläche 10 liegenden Teil des Körpers 1. Durch die kleinsten radialen Abstand von der Mittelachse x-x entgegengesetzte Beanspruchung bei Belastung des der Vorrichtung, greift ein konzentrisch zur Mittel- Torsionskörpers 1 oberhalb und unterhalb der achse liegender Rohransatz 2 an. An der äußeren Fläche 10 wandert die kreisbogenförmige Linie, um Mantellinie des Körpers, d. h. an der Begrenzungs- so die die umstülpende Bewegung in Richtung des linie mit dem größten radialen Abstand von der Pfeiles Q erfolgt, bedingt durch die Querschnittsver-Mittelachse x-x, greift ein weiterer konzentrisch zur größerung im gestauchten Teil und die Querschnitts-Mittelachse liegender Rohransatz 4 an, der an seinem verkleinerung im gedehnten Teil, in Richtung des dem Körperl abgewandten Ende eine Auflage- gestauchten Teiles, also bei Belastung in Richtung fläche 5 besitzt. Etwa in der Mitte zwischen den 25 des Pfeiles P nach oben. Diese belastungsabhängige Mantellinien, an denen die Rohransätze 2 und 4 an- Wanderung der kreisbogenförmigen Linie in Vergreifen, sind auf der Oberfläche des Körpers 1 elek- bindung mit der ebenfalls lastabhängigen Bewegung irische Widerstandsdrähte in Form von konzentrisch der Krafteinleitungsmantellinien bewirkt an den zur Achse x-x liegenden Wicklungen 6 und 6' ange- Stellen, an denen die Wicklungen 6, 6' angebracht ordnet und mit dem Körper 1 fest, z. B. durch KIe- 30 sind, eine lineare Federkennlinie. Um zu verhindern, bemittel, verbunden. Der Rohransatz 2 steht mit daß Rückwirkungen der Verformung des Körpers 1 einem Zentralteil 7 starr in Verbindung. Die untere an den Auflageflächen 5 und 7" zu Reibungen oder Fläche T des Zentralteils ist plan gearbeitet. Ihr Verklemmungen führen, die eine Verfälschung der steht in einem vorwählbaren, vorzugsweise einstell- Messung zur Folge haben können, sind die Rohrbaren Abstand die plane Fläche 8' eines Anschlag- 35 ansätze 2 und 4 in bekannter Weise in ihrer axialen teiles 8 gegenüber. Auf die obere Fläche 7" des Zen- Länge zu bemessen, daß sich durch solche Rückwirtralteiles wirkt die zu messende Kraft in Richtung kungen auftretende Verformungen der Rohransätze des Pfeiles P, beispielsweise über einen Druck- nicht bis an die Auflageflächen 5 und 7" erstrecken, stempel, ein. Dem oberen Ende 3 des Rohransatzes 2 Die Teile 7 und 8 wirken in bekannter Weise alsIn the embodiment shown in FIG. 1, the annular deformation body 1 aims at maximum measuring effect with minimal interference. The same conditions apply with a circular cross-section. On its inner Man- 15 opposite sign for the below the Mitteltellinie, ie on that boundary line with the surface 10 lying part of the body 1. By the smallest radial distance from the central axis opposite stress xx load to the device, engages concentrically with the center - Torsion body 1 above and below the axis lying pipe socket 2. On the outer surface 10, the arc-shaped line wanders around the surface line of the body, ie at the boundary so that the everting movement takes place in the direction of the line with the greatest radial distance from the arrow Q , due to the cross-sectional center axis xx, intervenes Another pipe extension 4 concentric to the enlargement in the compressed part and the cross-sectional central axis, which has a support compressed part at its reduction in the stretched part in the direction of the end facing away from the body, i.e. when loaded in the direction of surface 5. Approximately in the middle between the 25 of the arrow P upwards. These load-dependent surface lines, on which the pipe attachments 2 and 4 engage, are on the surface of the body 1 electrical connection with the likewise load-dependent movement caused by Irish resistance wires in the form of concentric lines of the force application surface on those lying on the axis xx Windings 6 and 6 ', where the windings 6, 6' are arranged and attached to the body 1, e.g. B. by KIe- 30 are a linear spring characteristic. To prevent bemittel, connected. The pipe socket 2 is rigidly connected to the repercussions of the deformation of the body 1 in a central part 7. The lower one on the contact surfaces 5 and 7 ″ for friction or surface T of the central part is machined flat 'of a stop 35 lugs 2 and 4 in a known manner in their axial part 8. To measure the upper surface 7 ″ of the zen length that the force to be measured acts in the direction of kungen occurring deformations of the pipe lugs of the Arrow P, for example over a pressure not extending to the bearing surfaces 5 and 7 ″, stamp, a. The upper end 3 of the pipe socket 2 The parts 7 and 8 act in a known manner as
kommt hierbei die Aufgabe einer Zentrierung für 40 Überlastsicherung. Hierzu wird der Spalt zwischen die Krafteinleitung zu. Im dargestellten Beispiel ist den Flächen 7' und 8' so eingestellt, daß sich bei das Zentralteil 7 zusammen mit dem Rohransatz 2 Überschreiten eines maximal zulässigen Hubs, also aus einem Stück herausgearbeitet. bei Überlastung der Vorrichtung, die Fläche 7' anHere comes the task of centering for 40 overload protection. To do this, the gap between the introduction of force to. In the example shown, the surfaces 7 'and 8' are set so that when the central part 7 together with the pipe socket 2 exceeding a maximum allowable stroke, ie carved out of one piece. when the device is overloaded, the surface 7 '
Die Vorrichtung ist mit der Fläche 5 ortsfest ab- die Fläche 8' anlegt und damit eine direkte Ableigestützt. Die zu messende Kraft wird über den Rohr- 45 tung der Überlast erfolgt. Die Erfindung ist nicht auf ansatz2 in Richtung des Pfeiles P, also parallel zur das dargestellte Ausführungsbeispiel, insbesondere Achse x-x, an der inneren Mantellinie und die durch nicht auf die Verwendung eines Verformungskörpers die Abstützung an der Fläche 5 entstehende Gegen- mit kreisförmigem Querschnitt beschränkt. Analoge kraft entgegen der Richtung des Pfeiles P ebenfalls Verhältnisse liegen z. B. vor, wenn der Körper 1 parallel zur Achse x-x über den Rohransatz 4 an der 5° nicht massiv, sondern als ringförmig gebogenes Rohr äußeren Mantellinie jeweils in tangentialer Richtung gestaltet ist.The device is stationary with the surface 5 - the surface 8 'is applied and thus a direct removal is supported. The force to be measured is carried out via the pipe 45 of the overload. The invention is not limited to approach2 in the direction of arrow P, i.e. parallel to the illustrated embodiment, in particular axis xx, on the inner surface line and the counter-circular cross-section resulting from not using a deformation body to support the surface 5. Analog force against the direction of arrow P also ratios are z. B. before when the body 1 is parallel to the axis xx on the pipe extension 4 at the 5 ° is not solid, but designed as an annularly curved pipe outer surface line in each case in the tangential direction.
in den Körper 1 eingeleitet. Als weitere Beispiele für die Querschnittsgestal-introduced into the body 1. As further examples of the cross-sectional design
Dadurch erfährt der Körperl eine umstülpende tung geeigneter kreisringförmiger Verformungskör-Bewegung in Richtung des Pfeiles Q. Diese Bewe- per zeigt die F i g. 2 einen Körper mit sechseckigem gung verläuft um eine kreisbogenförmige zur Achse 55 Querschnitt, die Fig. 3 einen solchen mit ellip- x-x konzentrische Linie geringster Materialbean- tischem Querschnitt und die F i g. 4 einen Körper spruchung im Inneren des Körpers 1, die annähernd, mit rechteckigem Querschnitt. Grundsätzlich sind aber zufolge der unterhalb und oberhalb der Mittel- Kreisringe mit beliebigem Querschnitt im Sinn der fläche 10 erfolgenden, entgegengerichteten Beanspru- Erfindung verwendbar, wenn nur sichergestellt ist, chungen in der Regel nicht ganz mit der kreisbogen- 60 daß die Wandlerelemente, als welche auch anstatt förmigen, ebenfalls zur Achse x-x konzentrischen der beschriebenen Drahtwicklungen 6, 6' elektrische geometrischen Mittellinie 9 des Körpers 1 zusam- Widerstandsdehnungsmeßstreifen, Halbleiterschichtmenfällt. dehnungsmeßstreifen u. dgl. verwendbar sind, imAs a result, the body experiences an inverted direction of suitable circular deformation body movement in the direction of the arrow Q. This movement is shown in FIG. 2 a body with hexagonal supply passes around a circular arc with the axis 55 cross-section, Fig. 3 such lowest with elliptical xx concentric line material stressing tischem cross section and the F i g. 4 shows a body stress inside the body 1, which is approximately rectangular in cross-section. In principle, however, as a result of the opposing stresses occurring below and above the central circular rings with any cross-section in the sense of the surface 10, if only it is ensured that the transducer elements are generally not entirely with the circular arc also instead of shaped, also concentric to the axis xx of the described wire windings 6, 6 ', electrical geometric center line 9 of the body 1 coincides with resistance strain gauges, semiconductor layer. Strain gauges and the like can be used in
Durch die unter der Kraftwirkung erfolgende all- Kraftfluß zwischen den Krafteinleitungsgliedern seitige Drehung des Körpers 1 nach innen gelangt 65 liegen. Zwar ist der Meßeffekt bei Anordnung der der oberhalb der Mittelfläche 10 liegende Teil des Wandlerelemente an der Oberfläche des Körpers Körpers 1 allseitig in Bereiche kleineren Durch- optimal, jedoch können diese auch im Innern des messers. Das Körpermaterial wird dabei gestaucht. Körpers in geeigneter Weise angeordnet werden.Due to the all-force flow between the force introduction members lateral rotation of the body 1 inwards reaches 65 lie. Although the measuring effect is in the arrangement of the the part of the transducer element lying above the central surface 10 on the surface of the body Body 1 on all sides in areas smaller through-optimal, but these can also be inside the knife. The body material is compressed in the process. Body can be arranged in a suitable manner.
An Stelle der rohrförmigen Krafteinleitungsglieder 2 und 4 können auch andere, längs der jeweiligen Mantellinie angreifende Einleitungsglieder vorgesehen werden, beispielsweise einzelne, entlang der jeweiligen Mantellinie verteilte Stege.Instead of the tubular force introduction members 2 and 4, others, along the respective Introductory members attacking the surface line are provided, for example individual ones, along the respective surface line distributed webs.
Wie am Beispiel der F i g. 4 gezeigt, kann der kreisringförmige Verformungskörper auch aus zwei längs der senkrecht zur Mittelachse x-x verlaufenden Mittelfläche 10 gegeneinander versetzten Hälften 1' und 1" bestehen. Auf diese Weise kann, ähnlich wie bei der in Fig. 2 und 3 gezeigten Querschnittsgestaltung, die Krafteinleitung in den Körper besonders wirkungsvoll gestaltet werden.As in the example of FIG. 4, the annular deformation body can also consist of two halves 1 'and 1 "offset from one another along the central surface 10 running perpendicular to the central axis xx. In this way, similar to the cross-sectional configuration shown in FIGS the body can be designed particularly effectively.
Claims (10)
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1156 580.Considered publications:
German interpretative document No. 1156 580.
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- 1965-12-18 DE DE19651268878 patent/DE1268878B/en not_active Withdrawn
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---|---|---|---|
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