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Elektrische Widerstands-Dehnungsmeßzellen bzw. Lastmeßzellen Die
Erfindung bezieht sich auf mit elektrischen Widerständen arbeitende Zellen oder
Kapseln zum Messen von Formänderungen. Bei einer mit einem elektrischen Widerstand
arbeitenden Lastmeßzelle bzw. einem Dehnungsmesser handelt es sich um eine Vorrichtung,
die dazu dient, auf elektrischem Wege eine auf die Zelle aufgebrachte Last zu bestimmen.
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Derartige Lastmeßzellen sind bekannt. Sie weisen ein oder mehrere
auf Belastung ansprechende bzw. bei Last sich verformende Glieder auf, mit denen
elektrische Widerstands-Dehnungsmesser verbunden sind.
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Die elastische Verformung des für Belastungen empfindlichen Gliedes
bewirkt eine proportionale Änderung der elektrischen Widerstände der daran befestigten
Dehnungsmesser, und letztere sind in einen elektrischen Meßkreis eingeschaltet,
um einen Zeiger, einen Lichtfleck oder ein anderes Anzeigemittel so abzulenken,
daß eine Anzeige der Last erfolgt.
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Die bereits bekannten Zellen der vorstehend bezeichneten Art haben
den Nachteil, daß sich die Empfindlichkeit der Zelle nach der Art des Aufbringens
der Last richtet. So können bei einfachen, nicht kompensierten elektrischen Widerstands-Dehnungsmes
sern bzw. -Belastungsmeßzellen große Fehler auftreten, wenn sich die Belastungsverhältnisse
von den während der Eichung der Zelle herrschenden Belastungsverhältnissen unterscheiden.
Man hat bereits Versuche unternommen, um diesen Nachteil zu vermeiden, und zwar
mit Hilfe mechanischer Mittel, die entweder eine bestimmte Verteilung der Last auf
das empfindliche Glied bewirken oder die veranlassen, daß die Last über einen erheblichen
Teil des empfindlichen Gliedes gemittelt wird. Alle diese Mittel bedingen eine komplizierte
Konstruktion, so daß die Zelle im allgemeinen weniger robust ist oder ihr Anwendungsbereich
beschränkt wird. Ein weiterer Nachteil derjenigen Verfahren, bei denen versucht
wird, die Anomalien bezüglich der Empfindlichkeit durch Ausmitteln der Last über
einen bestimmten Bereich des belastungsempfindlichen Gliedes zu berichtigen, besteht
darin, daß in dem genannten Bereich eine hohe Spannungskonzentration auftritt, so
daß sich bei einer Zelle gegebener Empfindlichkeit der Belastungsbereich im Vergleich
zu einer Zelle einfacherer Konstruktion, bei der sich die lastabhängige Spannung
bzw. Verformung gleichmäßig über das empfindliche Glied verteilt, verkleinert.
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Man hat bereits versucht, den Einfluß exzentrischer Ladungsverteilung
und anderer unerwünschter Lasteinwirkungen dadurch auszuschalten, daß man einen
Teil der auf das empfindliche Glied wirkenden Belastung shunted, indem man beispielsweise
das zwischen einer Deck- und einer Bodenplatte auge ordnete säulenförmige, deformierbare
Glied mit einem einen Teil der Belastung aufnehmenden Zylinder umgibt.
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Das lastabhängige Ausgangssignal des die elektrischen Widerstandsdehnungsmesser
umfassenden elektrischen Kreises ist eine Funktion der auf Grund der Belastung der
Zelle entstehenden mechanischen Verformung. Diese Verformung wird im allgemeinen
mit Hilfe von Dehnungsmessern ermittelt, deren empfindliche Achse so orientiert
ist, daß eine gewählte Komponente dieser Verformung ermittelt wird. Bei Belastungsverhältnissen,
die von einer gleichmäßig verteilten Belastung abweichen, ändert sich auch die Verteilung
der Verformung, und dies führt bei den bisher benutzten einfachen Zellen zu entsprechenden
Änderungen des Ausgangssignals. In Zuordnung zu den durch die Last hervorgerufenen
axialen Verformungen entsteht eine kleine proportional abhängige Spannungs- bzw.
Dehnungsverteilung in Umfangsrichtung.
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Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Meßzelle zu
schaffen, die so kompensiert ist, daß die Genauigkeit ihrer Eichung ohne Rücksicht
auf die Art des Aufbringens der Last im wesentlichen aufrechterhalten bleibt, d.
h. ohne Rücksicht darauf,
ob eine verteilte oder eine konzentrierte
Last in der Mitte oder außerhalb der Achse bzw. unsymmetrisch aufgebracllt wird.
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Die Erfindung sieht eine mit einem elektrischen Ä\iderstaud arbeitende
Lastmeßzelle vor, bei der das lastempfindliche Glied mit zwei Sätzen von elektrischen
ATeßelementen ausgerüstet ist, die im folgenden als aktive Dehnungsmesser bzw. als
Kompensationsdehnunbsmesser bezeichnet werden. Die kompensierenden Dehnungsmesser
sind so angeordnet und in den elektrischen Kreis der aktiven Dehnungsmesser eingeschaltet,
daß sie Gewähr dafür geben, daß das Ausgangssignal von der Art des Aufbringens der
Last auf die Zelle im wesentlichen unabhängig ist.
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Die aktiven Dehnungsmesser werden vorzugsweise axial angeordnet, während
die Kompensationsdehnungsmesesr rechtwinklig zu den aktiven Dehnungsmessern angeordnet
werden, die man vorteilhafterweise über den Umfang eines zylindrischen lastempfindlichen
Gliedes, das hohl oder massiv sein kann, verteilt.
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Es ist zwar bereits eine Lastmeßzelle bekannt, bei der die Dehnungsstreifen
so angeordnet sind, daß ihre Achsen aufeinander senkrecht stehen. Bei dieser be
kannten Zelle dient diese Anordnung jedoch nicht zum Ausgleich bei ungleichmäßigen
Lastverteilungen, sondern einer Temperaturkompensation.
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Bei einer zweckmäßigen Anordnung sind die kompensierenden Dehnungsmesser
so in einen Stromkreis eingeschaltet, daß sie einen Ausgleich für Temperaturänderungen
der Zelle bewirken, und diese Kompensationsdehnungsmesser sind an dem gleichen Teil
der Zelle befestigt, wie die aktiven Dehnungsmesser, so daß sich sämtliche Dehnungsmesser
zusammen in einem Bereich der Zelle befinden, der eine im wesentlichen gleichmäßige
Temperatur aufweist.
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Die Zahl der lastempfindlichen oder aktiven Dehnungsmesser und der
ihnen zugeordneten, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kompensationsdehnungsmesser
wird innerhalb der für die vorgesehene elektrische Schaltung gegebenen Grenzen vorzugsweise
so gewählt und die Symmetrie der Anordnung der Dehnungsmesser wird vorzugsweise
so ausgebildet, daß das Ansprechen auf hohe örtliche Spannungskonzentrationen auf
Grund Punkt- oder Linienbelastung über mehrere Dehnungsmesser ausgemittelt wird,
mit dem Ergebnis, daß die Zelle von dem Grade der Lastkonzentration unabhängig ist.
Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den Patentansprüchen hervor.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
~ an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines aufgeschnittenen
elektrischen Widerstandsdehnungsmessers bzw. einer Lastmeßzelle, die zur Verwendung
in Verbindung mit Grubenstempeln bestimmt ist; Fig. 2 zeigt die Schaltung der Dehnungsmesser
bei der Lastmeßzelle nach Fig. 1; Fig. 3 zeigt eine vermaßte Abwicklung der Innenwand
eines lastempfindlichen hohlen Zylinders, aus der die Anordnung der Dehnungsmesser
hervorgeht, die gewährleistet, daß das Ausgangssignal der Zelle von der Art der
aufgebrachten Last unabhängig ist; Fig. 4 zeigt in Form eines Schaubildes die Verformung
der Zylinderwand bei in verschiedenartiger Weise über die Enden des Zylinders verteilter
Last.
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Fig. 5 zeigt eine Empfindlichkeitskurve für eine verteilte Last im
Vergleich zu Abweichungen für Versclliedene konzentrierte zentrale Lasten, die durch
eine
Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 32 mm aufgebracht werden; Fig. 6 ist ein
Polardiagramm für die Lastmeßzelle unter einer streifenförmig aufgebrachten Last
von 16 t, wobei diese Last am oberen Ende durch einen Streifen von etwa 6,5 mm Breite
aufgebracht wurde, der in der Durchmesserrichtung auf die Lastmeßzelle aufgelegt
war, wobei die Belastungsverteilung über das untere Ende der Zelle gleichmäßig war;
Fig. 7 ist ein Polardiagramm für die Lastmeßzelle unter einer unsymmetrischen Last
von 16 t, die auf das obere Ende der Zelle durch eine Scheibe aufgebracht wurde,
deren Abstand von der Achse etwa 32 mm betrug, wobei die Belastung über die Unterseite
der Zelle gleichmäßig verteilt war; Fig. 8 veranschaulicht die Innenfläche eines
lastempfindlichen Zylinders mit versuchsmäßigen Anordnungen von Dehnungsmessern;
Fig. 9 zeigt in Form eines Schaubildes den Abstand zwischen den Dehnungsmesserkreisen
und dem Mittelpunktskreis, der hier für eine konzentrierte zentrale Last über dem
:E:mpfindlichkeitsfehler aufgetragen ist.
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Gemäß Fig. 1, die eine zur Verwendung bei Gruben- -stempeln bestimmte
Lastmeßzelle in aufgeschnittener perspektivischer Darstellung zeigt, umfaßt die
Lastmeßzelle ein lastempfindliches Glied in Form eines aus Stahl hoher Zugfestigkeit
hergestellten Zylinders mit einer Wandstärke von etwa 3,2 mm und einer Höhe von
etwa 50 mm, der bei C angedeutet ist.
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Dieser Zylinder ist gegen rauhe Behandlung durch ein festes äußeres
Gehäuse D geschützt und sorgfältig bearbeitet und geschliffen, so daß er zwischen
die obere AbschlußplatteA (beispielsweise 16 mm dick) und die untere AbschlußplatteB
(beispielsweise etwa 19 mm dick) paßt, wobei diese Abschlußplatten die aufgebrachte
Last aufnehmen. Vier an der oberen Abschlußplatte X vorgesehene Fortsätze F und
die an der unteren AbschlußplatteB an den Ecken vorgesehenen Ausschnitte ermöglichen
es, die Zelle leicht an einem genormten Grubenstempel anzubringen. Die Abschlußplatten
und B sind mittels einer Halterung E gehalten und mit demSchutzgehäuseD über Gummidichtungen
L abdichtend verbunden. An der Innenfläche des Stahlzylinders C sind sechzehn elektrische
Dehnungsmesser M und N befestigt, und da diese Dehnungsmesser innerhalb des Zylinders
angeordnet sind, sind sie gegen Beschädigung durch rauhe Behandlung zusätzlich geschützt.
Acht »aktive« Dehnungsmesser M sind so angebracht, daß die Richtung ihrerEmpfindlichkeit
parallel zur Achse des Zylinders C verläuft, während weitere acht sich in Umfangsrichtung
erstreckende Kompensationsdehnungsmesser N so angeordnet sind, daß die Richtung
ihrer Empfindlichkeit in Umfangsrichtung, d. h. rechtwinklig zu den axial liegenden
Dehnungsmessern M verläuft.
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Die DnungsmesserM und N sind mit einem in der Mitte angeordneten
Armstern K derart leitend verbunden, daß in der Zelle eine vollständige Brückenschaltung
aus Widerstandsdehnungsmessern enthalten ist. Das Schaltbild ist in Fig. 2 wiedergegeben.
Die Verbindungen zu den vier Klemmen des Netzwerks sind zu den Stiften eines Verbindungsstücks
H geführt, das an dem Schutzgehäuse befestigt ist. Dieses nach außen führende Anschlußstück
H ist durch eine Schraubkappe J gegen Staub und Stöße geschützt.
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Wenn eine Messung vorgenommen werden soll, wird eine mit dem Meßgerät
verbundene Leitung in das Anschlußstück H eingestöpselt.
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Fig. 2 zeigt eine in Verbindung mit dem Lastmesser nach Fig. 1 verwendete
Brückenschaltung, und zwar
für Messungen bei Grubenstempeln. Wie
ersichtlich, liegen die sich in axialer Richtung erstreckenden Dellnungsmésser M
in gegenüberliegenden Brückenzweigen, während die sich in Umfangsrichtung erstreclienden
Dehnungsmesser in den anderen beiden Brückenzweigen liegen. Die elektrische Verbindung
zu der WIeßeinrichtung (nicht dargestellt) läßt sich mittels Stecker H herstellen.
Die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel verwendeten Gruppen von je acht Dehnungsmessern
werden vorteilhafterweise in der durch die Zahlen 1 bis 8 angedeuteten Verteilung
in die Brücke eingeordnet. Die Widerstände R 1 A, R2A. R1B, R2B und R3 können so
bemessen sein, daß sich am Eingang und Ausgang ein Wechselstromwiderstand von etwa
60 Ohm und eine Empfindlichkeit von 5 FA je Tonne bei einer Brückeneingangsspannung
von 10 Volt ergeben.
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In Fig. 3 ist eine Abwicklung des Zylinders C einer erfindungsgemäßen
Lastzeile dargestellt, wobei die Anordnung der Dehnungsmesser erkennbar ist. Die
untere Kante des abgewickelten Zylinders wirkt mit der Bodenpiatte B und die obere
Kante mit der Deckelplatten zusammen. Von links nach rechts sind abwechselnd parallel
zur Zylinderachse verlaufende Dehnungsmesser M und in Umfangs richtung verlaufende
Dehnungsmesser N vorgesehen. Der in Umfangsrichtung gemessene Abstand bzw. die Phasendifferenz
zwischen den zur Zylinderachse parallel verlaufenden Mittelsenkrechten von je zwei
aufeinanderfolgenden Dehnungsmessern, d. h. zwischen jeweils einem achsenparallelen
und einem in Umfangs richtung verlaufenden Dehnungsmesser, beträgt bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel jeweils 22,50 bzw. derjenige zwischen je zwei aufeinanderfolgenden
gleichartigen Dehnungsmessern 450 Während die in Umfangsrichtung verlaufenden Mittellinien
der achsenparallelen Dehnungsmesser auf der halben Zylinderhöhe liegen, liegen die
Längsmittellinien der in der oberen Hälfte des Zylinders in Umfangs richtung angeordneten
Dehnungsmesser im Abstand von etwa 14 mm von der oberen Kante, die der unteren im
Abstand von etwa 11 mm von der unteren Kante des Zylinders entfernt. Die Zylinderhöhe
beträgt im vorliegenden Fall etwa 50 mm.
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Die Anomalien der lastabhängigen Empfindlichkeit einer einfachen
und nicht kompensierten Zelle bei verteilter und in verschiedener Weise konzentrierter
Belastung der Stirnflächen läßt sich wie folgt erklären Da sich die AbschlußplattenA
und BMer auf v schiedene Weise erfolgenden Belastung der Sti -, flächen tellerähnlich
ausbiegen, werden dieRänder des lastempfindlichen Zylinders C in unterschiedlichem
Ausmaß nach außen gedrückt. Auf diese Weise entsteht eine Verteilung der Verformung
in der Achsrichtung sowie in Umfangsrichtung, durch die die Dehnungsmesser M und
N beeinflußt werden, mit dem Ergebnis, daß ihre Empfindlichkeit bei einer nicht
kompensierten Zelle in Abhängigkeit von der Art der Stirnflächenbelastung variiert.
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Die Erfindung ermöglicht es, diese Anderungen der Empfindlichkeit
dadurch auszuschalten, daß eine Anordnung der Dehnungsmesser gewählt wird, bei der
die sich in Umfangs richtung erstreckenden Dehnungsmesser N so angeordnet sind,
daß die Wirkungen der zusätzlichen in Umfangsrichtung auftretenden Verformungen,
die sich aus der Verformung der Abschlußplatten A und B infolge einer unregelmäßigen
Belastung ergeben, die Wirkungen der die axial angeordneten Dehnungsmesser M beeinflussenden
unerwünschten Verformungen auslöschen.
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Das Verfahren der Kompensation läßt sich leichter verdeutlichen,
wenn man den Sonderfall einer konzentrierten zentralen axialen Stirniast im Vergleich
zu einer verteilten axialen Stirnlast betrachtet. Durch Versuche, die durch mathematische
Untersuchungen bestätigt wurden, wurde festgestellt, daß zwei Zonen vorhanden sind,
in denen sich die Änderung der in Umfangs richtung auftretenden Verformung auf Grund
dieser Arten der Stirnbelastung dem Wert Null nähert; dies ist in Fig. 4 veranschaulicht.
In dieser Figur ist auf der Abszisse die radiale Verschiebung der Wand aufgetragen,
wobei der Abstand zwischen je zwei Teilstrichen einer Dehnung von 2,54-105 cm entspricht.
Auf der Ordinate ist der Abstand längs der Zylinderwand (vom Boden bzw. der oberen
Kante aus) aufgetragen, wobei der Abstand zwischen zwei Teilstrichen etwa 1,27 cm
beträgt. Die flachere Kurve entspricht einer verteilten Last, während die steiler
verlaufende Kurve der Einwirkung einer zentralen Last entspricht. Man erkennt, daß
es zwei Zonen - jeweils etwa im Abstand von 1,27 cm von der oberen bzw. unteren
Kante des Zylinders - gibt, in welchen bei Übergang von der einen zu der anderen
Lastverteilung praktisch keine Änderung der Spannung in Umfangs richtung auftritt.
Die sich in Umfangsrichtung erstreckenden »Kompensations«-Dehnungsmesser N sind
in der Nähe dieser Zonen an solchen Punkten angeordnet, daß sie durch kleine in
Umfangsrichtung auftretende Verformungen beeinflußt werden, die diejenigen Fehler
ausgleichen, die sich aus der unerwünschten Verbiegung und den in Umfangs richtung
erfolgenden Verformungen der axial verlaufenden »aktiven« Dehnungsmesser ergeben.
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Bei nicht axialen konzentrierten Lasten, die auf die Stirnflächen
wirken, ergibt sich ein verwickelteres Bild, doch kann man annehmen, daß sich für
jedes axial gerichtete Element des lastempfindlichen Zylinders ein Spannungsverlauf
entwickelt, der dem in Fig. 4 dargestellten ähnelt, jedoch längs des Umfangs eine
unterschiedliche Größe besitzt. In diesen Fällen werden die Ausgangsgrößen der axial
angeordneten DehnungsmesserAI und die zugeordneten Berichtungs-Ausgangsgrößen der
in Umfangsrichtung angeordneten Dehnungsmesser N über den gesamten Spannungsverlauf
ausgemittelt, mit dem Ergebnis, daß das integrierte Ausgangssignal der Zelle von
der jeweiligen ,Art der Stirnflächenbelastung abhängt. tEine auf Versuchen basierende
Bestätigung der vgrsíehenden Ausführungen ergibt sich aus den in g. 5 bis 7 wiedergegebenen
Belastungs-Empfindlichkeits-Diagrammen.
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In Fig. 5 ist ausgezogen eine Empfindlichkeitskurve für verteilte
Last dargestellt, während die Empfindlichkeitswerte für unterschiedlich konzentrierte
Verteilungen von Lasten, die mittels einer Scheibe von 32 mm Durchmesser aufgebracht
wurden, innerhalb des durch die gestrichelten Linien abgegrenzten Bereichs liegen.
Die Last ist auf der Abszisse in Tonnen und die Empfindlichkeit auf der Ordinate
als Ausgangsstromstärke in Mikroampere angegeben (Ausgangswiderstand etwa 15 Ohm).
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Die Fig. 6 und 7 stellen die Zusammenhänge zwischen Belastung und
Empfindlichkeit der Meßzelle in Polardiagrammen dar, und zwar in Fig. G bei streifenförmiger
Verteilung einer Last von 16 t, welche auf die Oberseite mittels eines etwa 6,4
mm breiten, diametralen Streifens bei verteilter Last auf der Oberseite aufgebracht
wurde, und in Fig. 7 bei unsymmetrisch auf die Oberseite aufgebrachte Last von 16
t.
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Im letzteren Fall wurde die Last mittels einer Scheibe
von
etwa 32 mm Durchmesser und 32 mm axialer Versetzung aufgebracht. Die Lastverteilung
auf die Unterseite war gleichmäßig.
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Es sei bemerkt, daß man bei der vorstehend beschriebenen Erfindung
Abänderungen vornehmen kann und daß man z. B. als eine mögliche Alternative einen
kleineren lastempfindlichen Zylinder benutzen kann. hei dem die Dehnungsmesser sowohl
an der rnntii- als auch an der Außenfläche angebracht sind.
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Eine vollständige Kompensation läßt sich auch hier wiederum durch
geeignete Wahl der Anordnung der I)!?ilungsmesser erreichen, wenn sich die Berichtigung
ebenfalls nach den oben angegebenen Gesichtspunkten abspielt.
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Eine weitere Abwandlung wird dadurch ermöglicht, daß es nicht unbedingt
erforderlich ist, als lastempfindliches Element eine zylindrische Schale bzw, einen
Mantel vorzusehen, denn man könnte statt dessen auch mit einem massiven Körper arbeiten.
In diesem Falle könnte man für die Oberfläche des lastempfindlichen Elements eine
geeignete Anordnung der Dehnungsmesser wählen, bei der sich erneut eine Kompensation
für die verschiedenen Arten der Stirnflächenbelastung ergibt. Eine Zelle dieser
Ausführung würde sich bei sehr großen Lasten als zweckmäßig erweisen, denn sie müßte
einen großen Durchmesser haben, damit die elektrischen Dehnungsmesser in der erforderlichen
Anzahl untergebracht werden können.
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Zwar wird angenommen, daß sich die Erfindung insbesondere dazu eignet,
die Belastung von Grubenstempeln zu messen, doch dürfte sie auch allgemein bei der
Durchführung von elektrischen Wägungen und Kraftmessungen anwendbar sein. Sie läßt
sich vielen dieser Anforderungen durch entsprechende Ausbildung der Abschlußplatten
A und B anpassen.
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Die vorstehend beschriebenen Mittel machen es möglich, Kraft- oder
Belastungsmessungen mittels einer elektrischen Widerstandsdehnungsmeßzelle einfacher
Konstruktion mit einer Genauigkeit vorzunehmen, die von der Art des Aufbringens
der Last auf die Zelle im wesentlichen unabhängig ist.
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Bei der praktischen Anwendung der Erfindung kann man die Anordnung
der Kompensationsdehnungsmesser durch Berechnung und/oder mit Hilfe eines empirischen
Verfahrens vermitteln.
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Zu den bei der Anwendung der Erfindung auf die Konstruktion einer
an ihren Stirnflächen zu belastenden elektrischen Widerstandsdehnungsmeßzelle gegebener
Gestalt- in Frage kommenden kritischen Konstraktionsparametern, die beachtet werden
müssen, wenn die Lastmeßzelle vom Grade der Konzentration der Last bzw. von der
Belastungsweise unabhängig sein soll, gehört erstens die genaue Bestimmung der Lage
der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kompensationsdehnungsmesser gegenüber
den axial gerichteten Dehnungsmessern sowie zweitens die Gesamtzahl von Dehnungsmessern
der beiden Arten, die bei dem Dehnungsmesseraggregat vorgesehen werden müssen.
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Zunächst ist es erforderlich, die mechanischen Teile der Zelle so
auszubilden, daß innerhalb des gewünschten Belastungsbereichs in dem lastempfindlichen
Glied eine ausreichende Verformung auftritt. Wenn die Geometrie des lastempfindlichen
Teils der Zelle bekannt ist, kann man die Lage der Dehnungsmesser durch Berechnung
bestimmen, doch ist dies ziemlich mühsam, und ein empirisches Verfahren läßt sich
im allgemeinen schneller und bequemer anwenden.
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Nachstehend ist ein empirisches Verfahren beschrieben, das sich für
die Herstellung der vorstehend
an Hand von Fig. 1 beschriebenen praktisch brauchbaren
Lastmeßzelle anwenden läßt.
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Die aktiven Bauteile der Lastmeßzelle umfassen den dünnwandigen geraden
Kreiszylinder C, der das lastempfindliche Glied darstellt, sowie die beiden kräftigen
Stirnplatten und B, auf die die Last aufgebracht wird. Diese drei Teile werden aus
einem guten Stahl hoher Zugfestigkeit hergestellt. Um die erforderlichen Versuchswerte
zu gewinnen, benutzt man geometrisch genaue Nachbildungen der aktiven Teile, doch
brauchen diese nicht notwendigerweise aus dem gleichen Material zu bestehen wie
die Teile der endgültigen Zelle.
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Es läßt sich zeigen, daß die Anordnung der Dehnungsmesser, die für
eine vollständige Kompensation der Zelle erforderlich ist, lediglich eine Funktion
ihrer Geometrie ist, wenn man elastisch homogene Materialien verwendet.
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Bezüglich der folgenden Betrachtungen ist angenommen, daß die Standardlast,
d. h. diejenige Last, unter der die Zelle geeicht wird, als verteilte Last auf beide
Stirnplatten aufgebracht wird; diese Betrachtungen beziehen sich auf Fig. 8, wo
mehrere versuchsmäßig benutzte Anordnungen von Dehnungsmessern dargestellt sind,
wobei die Anbringung der Dehnungsmesser an der Innenwand des Zylinders erfolgte.
Man erkennt, daß die axial gerichteten Dehnungsmesser A auf dem Zylinder in gleichmäßigen
Umfangsabständen verteilt sind und daß ihre elektrischen Mittelpunkte auf einem
Kreise in halber Höhe des Zylinders liegen.
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Es sind folgende Anordnungen von sich in Umfangs richtung erstreckenden
Kompensationsdehnungsmessern C dargestellt. Bei einer dieser Anordnungen liegen
die Achsen der Dehnungsmesser auf einem Kreise in halber Höhe des Zylinders. Bei
jeder der beiden anderen gezeigten Anordnungen sind die sich in Umfangs richtung
erstreckenden Dehnungsmesser in gleichmäßigen Abständen voneinander so angeordnet,
daß sie abwechselnd oberhalb und unterhalb des die halbe Höhe des Zylinders bezeichnenden
Kreises und in gleichen Abständen von letzterem liegen. Bei jeder dieser Anordnungen
liegen diese Kompensationsdehnungsmesser somit auf dem einen oder anderen von zwei
Kreisen, die hier als- -Meßkreise bezeichnet werden und von denen einer oberhalb
und einer unterhalb des die halbe Höhe des Zylinders - bezeichnenden Kreises liegt,
wobei der Abstand von dem zuletzt genannten Kreis stets der gleiche - ist, jedoch
für jede Anordnung anders gewählt wurde. Die erste Anordnung kann man als die Anordnung
für den Mittenabstand Null betrachten. Bei jedem Versuch sind die axial gerichteten
Dehnungsmesser, von denen vier vorhanden sind, einem der Sätze aus sich in Umfangsrichtung
erstreckenden Dehnungsmessern, von denen ebenfalls jeweils vier vorhanden sind,
so zugeordnet, daß sie eine Wheatstonesche Brücke bilden. Es sei bemerkt, daß es
in diesem-Stadium nicht erforderlich ist, einen vollständigen Satz von Dehnungsmessern
zu verwenden, wie man -ihn bei der endgültigen Ausführung der Zelle benötigt.
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Jede Versuchsanordnung umfaßt somit acht Dehnungsmesser, nämlich
vier axial angeordnete Dehnungsmesser und vier Kompensationsdehnungsmesser.
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Es gibt zwei extreme Anordnungen, bei denen man im Vergleich zu den
Standardbelastungsbedingungen große Fehler entgegengesetzten Vorzeichens für eine
zentrale konzentrierte Belastung der Ober- und Unterseite erhält, und ferner gibt
es eine dritte Anordnung, bei welcher nur ein kleiner Fehler auftritt. Die Zelle
wird unter Last geprüft, um ihren Empfindlichkeitsfehler für eine zentrale konzentrierte
Last im Vergleich
zu einer verteilten Standardlast in jedem dieser
drei Fälle zu bestimmen, woraufhin man eine Kurve zeichnen kann, durch welche der
Abstand zwischen dem die halbe Höhe des Zylinders bezeichnenden Kreis und den Meßkreisen
für jede Anordnung in Beziehung zu der Empfindlichkeitsabweichung bei konzentrierter
Last setzen kann.
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Gemäß Fig. 8 liegen in dem einen Extremfall C-1 sämtliche sich in
Umfangsrichtung erstreckenden Dehnungsmesser auf dem die halbe Höhe des Zylinders
bezeichnenden Kreis. Bei dieser Anordnung wird die Empfindlichkeit bei konzentrierter
zentraler Last gering sein, so daß man eine Zelle mit einem negativen Fehler erhält.
In dem anderen Extremfall C-2 sind die sich in Umfangsrichtung erstreckenden Meßkreise
in der Nähe des oberen bzw. unteren Randes des Zylinders angeordnet. Der für den
oberen und den unteren Meßkreis gleiche Abstand von dem Mittelkreis ist in Fig.
8 mit »a« bezeichnet. Die Empfindlichkeit der Zelle wird jetzt bei zentraler konzentrierter
Last größer sein als bei verteilter Last, so daß sich ein positiver Fehler ergibt.
Für den dritten Versuch wählt man eine zwischen den beiden soeben behandelten Anordnungen
liegende Anordnung C-3. In diesem Falle liegen die Kreise, auf denen die sich in
Richtung des Umfangs erstreckenden Dehnungsmesser angeordnet sind, in der Mitte
zwischen dem die halbe Höhe des Zylinders bezeichnenden Kreis und dem oberen bzw.
unteren Meßkreis für den zweiten Extremfall. Der Abstand von dem Mittelkreis ist
in Fig. 8 für diesen Fall mit »b« bezeichnet, und er ist gleich a/2. Bei dieser
Anordnung wird die Empfindlichkeit für eine konzentrierte zentrale Last einen kleinen
positiven oder negativen Fehler zeigen.
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Die beobachteten Fehler (Abszisse) und der zugehörige Abstand der
Meßkreise von dem Mittelkreis (Ordinate) werden jetzt in der aus Fig. 9 ersichtlichen
Weise aufgetragen. Der mit 2 bezeichnete Meßpunkt entspricht dem beobachteten Fehler
bei Verwendung einer Meßstreifenanordnung, wie sie in Fig. 8 durch die Meßstreifen
A und C-2 gegeben ist. Entsprechendes gilt für die Meßpunkte 1 und 3. Der Ordinatenwert
des Meßpunktes 1 entspricht demnach der halben Höhe des Zylinders, während die Abszisse
in Höhe der unteren Kanten des Zylinders liegt. Dann zeichnet man mit der Hand diejenige
Kurve ein, die am besten zu den drei Punkten paßt. Als Anhalt sei erwähnt, daß ein
durch diese Punkte gelegter Kreisbogen eine brauchbare Annäherung an die richtige
Kurve ergibt.
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Jetzt kann man denjenigen Punkt 4 bestimmen, an dem die so gezogene
Kurve die Achse für den Fehler Null (Ordinate) schneidet, und man muß hierauf einen
Probezylinder herstellen, bei dem die Dehnungsmesser unter Benutzung dieses Maßes
angebracht sind. Wenn sich bei der Prüfung immer noch ein kleiner Empfindl ichkeitsunterschied
zwischen einer konzentrierten zentralen Last und der Standardlast zeigt, trage man
die Kurve erneut so auf, daß sie durch diese neubestimmten Koordinaten geht. Nunmehr
vermerke man denjenigen Punkt, an dem diese Kurve die Achse für den Fehler Null
schneidet, und bringe einen weiteren Satz von vier sich in Umfangsrichtung erstreckenden
Dehnungsmessern in der angezeigten Lage an. Die Abweichung zwischen einer konzentrierten
zentralen Last und einer verteilten Last müßte jetzt vernachlässigbar klein sein,
doch wenn man eine sehr genau arbeitende Lastmeßzelle benötigt, kann man das Verfahren
erneut wiederholen.
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Jetzt hat man Angaben gewonnen, die es ermöglichen, die Zelle von
dem Grade der Konzentration
einer auf die oberen und unteren Stirnplatten axial aufgebrachten
Last unabhängig zu machen. Die Zelle muß jedoch noch für unsymmetrische, konzentrierte
und außerhalb der Achse liegende oder streifenförmig aufgebrachte Lasten kompensiert
werden. Die Empfindlichkeitsänderungen bei derartigen Lasten lassen sich dadurch
vermindern oder ausschalten, daß man die Anzahl der Dehnungsmesser in der Brückenanordnung
vergrößert. Es ist erforderlich, die für diesen Zweck ausreichende kleinste Zahl
von Dehnungsmessern zu ermitteln.
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Man bringt auf eine Stirnplatte eine längs eines diametralen Streifens
wirkende Last auf, während die Last auf die andere Stirnplatte verteilt aufgebracht
wird, und dann bestimmt man die Empfindlichkeit der Zelle für eine Anzahl von Winkelstellungen
des Streifens bei einer Drehung desselben um die senkrechte Achse des Zylinders.
Eine Prüfung des nach diesen Ergebnissen aufgetragenen Polardiagramms läßt dann
erkennen, ob die Zahl der Dehnungsmesser vergrößert werden muß oder nicht. Die in
Fig. 1 gezeigte Zelle hat acht axiale und acht in Umfangsrichtung verlaufende Dehnungsmesser,
und man erhält hierbei eine sehr gute Kompensation, so daß die Zelle innerhalb enger
Grenzen von den Belastungsverhältnissen unabhängig ist.
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Das soeben beschriebene empirische Verfahren läßt sich unmittelbar
bei jeder hohlen zylindrischen Lastmeßzelle mit flachen oberen und unteren Stirnplatten
anwenden, um eine Anordnung der Dehnungsmesser zu ermitteln, bei der man eine vollständig
kompensierte Zelle erhält. Es sei bemerkt, daß sich die Anordnung weder bei den
Kompensationsdehnungsmessern noch bei den aktiven Dehnungsmessern auf die Innenfläche
des lastempfindlichen Zylinders beschränkt. Bei einer Benutzung beider Flächen lassen
sich an einer Zelle gegebener Abmessungen Dehnungsmesser in großer Zahl unterbringen,
wodurch sich die Kompensation verbessern läßt, bzw. man kann die gleiche Zahl von
Dehnungsmessern in einer kleineren Zelle anordnen.
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Das Verfahren kann abgewandelt werden, um Anordnungen für Kompensations-
bzw. Berichtigungsdehnungsmesser auch für den Fall zu bestimmen, daß das lastempfindliche
Glied nicht als hohler gerader Kreiszylinder ausgebildet ist.
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PATENTANPRÜCHE: 1. Mit elektrischen Widerstandsdehnungsmessern ausgerüstete
Lastmeßzelle, dadurch gekennzeichnet, daß ein lastempfindliches Glied mit zwei Sätzen
von elektrischen Dehnungsmessern ausgerüstet ist, die nachstehend als aktive Dehnungsmesser
bzw. als kompensierende Dehnungsmesser bezeichnet sind, wobei die kompensierenden
Dehnungsmesser so angeordnet und in den elektrischen Stromkreis der aktiven Dehnungsmesser
so eingeschaltet sind, daß sie gewährleisten, daß das Ausgangssignal von der Art,
wie die Last auf die Zelle aufgebracht wird, im wesentlichen unabhängig ist.