DE2802176C3

DE2802176C3 - Kraftmeßgerät in Dehnungsmeßstreifentechnik, insbesondere für die Untersuchung von Werkstoffprüfmaschinen

Info

Publication number: DE2802176C3
Application number: DE19782802176
Authority: DE
Inventors: Karl 6100 Darmstadt Felgner
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1978-01-19
Filing date: 1978-01-19
Publication date: 1983-11-24
Also published as: DE2802176A1; DE2802176B2

Description

Die Erfindung betrifft einen im wesentlichen kreiszylindrischen Meßkörper zum Messen von Kräften über die an ihm durch die Krafteinwirkung auftretende Verformung mit nahezu die gesamte Meßlänge erfassenden langen und parallel zu den Mantellinien applizierten Dehnungsmeßstreifen und mit hierzu um 90° gedrehten, also in Umfangsrichtung sich erstreckenden, zur Brückenergänzung dienenden Dehnungsmeßstreifen, wobei die mit Dehnungsmeßstreifen bestückten Mantellinien gleichmäßig über den Umfang verteilt sind, wobei jeder dieser Mantellinien beide Dehnungsmeßstreifen-Arten zugeordnet sind und wobei mindestens zwei um 180° in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Mantellinien mit solchen Dehnungsmeßstreifen versehen sind.

Im Rahmen einer Werkstoffprüfmaschinen-Untersuchung muß u. a. der Anzeigefehler der Kraftmeßeinrichtung bestimmt werden. Außerdem ist die Maschine hinsichtlich der Möglichkeit einer axialen Beanspruchung der eingebauten Proben zu kontrollieren. Das geschieht mit Hilfe von Zugstäben bzw. Druckkörpern, die anstelle der Proben in der Maschine einer elastischen Verformung unterworfen werden. Aus der gemessenen Verformung ergibt sich der Betrag der Kraft und die Axialität der Beanspruchung.

Eine derartige Vorrichtung ist aus Werkstattstechnik, 50 (1S60) 10, Seite 537 bekannt Die parallel zu den

ίο Mantellinien und die um 90° hierzu gedrehten Dehnungsmeßstreifen werden zu einer Brücke geschaltet Auf diese Weise wird einerseits der Einfluß der Temperatur ausgeglichen und andererseits wird eine eventuelle inhomogene Kraftverteilung im Meßkörper durch etwa auftretende Biegemomente weitgehend ausgeglichen.

Weiterhin ist aus der DE-AS 16 48 359 ein im wesentlichen kreiszylinderischer Meßkörper bekannt der durch eine Kombination aus zwei voneinander unabhängigen Dehnungsmeßstreifenbrücken gekennzeichnet ist, von denen eine Meßbrückenschaltung zur Kraftmessung und die andere zur Symmetrieüberwachung der Lastverteilung dient. Bei dieser Anordnung sind alle Dehnungsmeßstreifen parallel zur Achse des Meßkörpers und gleichmäßig in Achsrichtung versetzt angebracht; es können jeweils zwei gegenüberliegende oder benachbarte Streifen zu Halbbrücken verbunden werden. Diese Anordnung gestattet es, etwaige Unsymmctrien in der Lastverteilung aus den Abweichungen von der Nullstellung der Größe nach zu ermitteln bzw. im Rahmen der zulässigen Toleranz zu taxieren.

Zur Erzielung höchster Meßgenauigkeit wurden die Verformungen daher bisher vorzugsweise mittels Spiegelfein-Meßgeräten nach Martens bestimmt. Diese mechanisch-optischen Kraftmeßgeräte erfüllen die in DIN 51 301 E »Untersuchung von Werkstoffprüfmaschinen, Kraftmeßgeräte für statische Kräfte« gestellten Forderungen hinsichtlich der meßtechnischen Eigenschäften und der Einbaumaße.

Die dringende Frage nach der Rationalisierung der Untersuchung von Werkstoffprüfmaschinen ließ nach einem Meßverfahren suchen, das bei mindestens gleichwertigen meßtechnischen Eigenschaften eine schnellere Abwicklung der erforderlichen Prüfungen ermöglichen sollte. Dazu wurden gleichzeitig Verbesserungen angestrebt, die sich durch die besonderen Möglichkeiten der elektrischen Meßtechnik anbieten.
Für kleinere Prüfkräfte stehen geeignete kommerzielle Kraftaufnehmer mit Dehnungsmeßstreifen als Meßgrößenwandler zur Verfügung. Solche Kraftaufnehmer können jedoch nichts über die Axialität der Krafteinleitung aussagen. Für große Kräfte gibt es darüberhinaus keine in bezug auf Genauigkeit und Einbaumaße den Anforderungen entsprechenden Kraftmeßgeräte. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es außerdem erstrebenswert, ein Meßverfahren einzusetzen, bei dem die wertvollen, bisher mit Spiegelmeßgeräten eingesetzten Zugstäbe bzw. Druckkörper weiterverwendet werden können.

Mit Rücksicht auf die zum Messen kleinerer Kräfte eingeführten Kraftaufnehmer auf Dehnungsmeßstreifenbasis und die dazugehörigen elektronischen Geräte ist deshalb auch zum Messen der größeren Kräfte und zur Kontrolle der Axialität der Krafteinleitung ein Dehnungsmeßstreifen-Verfahren anzustreben. Bekannt sind von den Messungen mit mechanisch-optischen Geräten her vorhandene oder auch speziell für

Dehnungsmeßstreifen-Applikationen gefertigte Zugstäbe und Druckkörper, die mit Dehnungsmeßstreifen der gebräuchlichen kurzen Gitterlängen appliziert sind. Die Applikationen sind hierbei in unterschiedlichen Abständen von den Krafteinleitungsebenen ausgeführt Mit diesen Geräten durchgeführte Kalibrierungen von Werkstoffprüfmaschinen zeigten insbesondere in den niedrigen Kraftstufen im Vergleich zu Untersuchungen mit Spiegelfeinmeßgeräten unbefriedigende Ergebnisse. Die Ursache für die großen Unterschiede zwischen den beiden so erv littelten Fehlerkurven einer Prüfmaschine kann nicht mit letzter Sicherheit angegeben werden. Trotzdem ist davon auszugehen, daß diese Abweichungen von Ungleichmäßigkeiten in der Krafteinleitung, von der geometrischen Ausbildung des Verformungskörpers und von leichten Inhomogenitäten des Werkstoffes, die alle eine Störung des Kraftlinienverlaufes zur Folge haben, verursacht werden. Störungen im Kraftlinienverlauf machen sich bei Dehnungsmeßstreifen mit kurzen Meßgittern aber stärker bemerkbar als bei den auf einer Mantelünie des Meßkörpers über eine große Basislänge integrierenden Spiegelfeinmeßgeräten.

Durch diese nicht befriedigenden Vergleichsmessungen veranlaßt, wurden auch Versuche mit elektrischen Ansetzdehnungsaufnehmern durchgeführt. Diese mechanisch-elektrischen Aufnehmer hatten die gleichen Meßlängen wie die vordem verwendeten mechanischoptischen Aufnehmer und zeigten auch prinzipiell die gleichen Meßergebnisse. Nicht erreicht werden konnte hierbei die erforderliche Reproduzierbarkeit bei dem notwendigerweise wiederholten An- und Abbau der Aufnehmer. Ursache hierfür war hauptsächlich die bei den Ansetzdehnungsaufnehmern unerläßliche Kraftübertragung über die empfindlichen Meßschneiden, die zur Auslenkung der mit Dehnungsmeßstreifen bestückten Meßfeder erforderlich ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Meßkörper mit Dehnungsmeßstreifen zu schaffen, mit dem sowohl Kräfte, insbesondere auch größere Kräfte, als auch die Axialität der Kraft mit mindestens der gleichen Genauigkeit bestimmt werden können, wie es mit Spiegelfein-Meßgeräten möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die um 90° gedrehten Dehnungsmeßstreifen im Vergleich zum Umfang des Meßkörpers in der Länge zur Erstreckung der langen Dehnungsmeßstreifen kurz sind, daß die kurzen Dehnungsmeßstreifen die Mantellinie, auf der die Längsachse der langen Dehnungsmeßstreifen zu liegen kommt, überdecken oder in unmittelbarer Nähe derselben angeordnet sind, und daß die jeweils einer Mantellinie zugeordneten Dehnungsmeßstreifen eine Vollbrücke bilden.

Wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist e^, daß es möglich ist, daß die langen Dehnungsmeßstreifen und die kurzen Dehnungsmeßstreifen, die zu einer Vollbrükke verschaltet sind, auf möglichst ein und derselben Mantelünie liegen, nämlich auf der durch die langen Dehnungsmeßstreifen gegebenen Mantelünie des Meßkörpers. Dadurch ist einerseits eine gute Konzentration der Messung auf die Verformung dieser einen Mantellinie gegeben, von der die langen Dehnungsmeßstreifen die Längsverformung des Meßkörpers messen und die kurzen Dehnungsmeßstreifen die Querverformung. Andererseits ist im Zusammenwirken mit den langen Dehnungsmeßstreifen eine bestmögliche Integration des Spannungsverlaufes entlang dieser einen Mantelünie gegeben.

Um zusätzlich die Axialität der eingeleiteten Kraft messen zu können, ist es zweckmäßig, daß die Dehnungsmeßanordnungen, die auf um 180° gegeneinander versetzten Mantellinien liegen, elektrisch parallel schaltbar sind. Dadurch kann deren Mittelwert bestimmt werden.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 dargelegt.

F i g. 1 zeigt einen Meßkörper für Druckkräfte mit

ι ο vier gleichmäßig auf den Umfang verteilten Meßstellen. Es zeigt schematisch und beispielsweise
F i g. 1 einen Meßkörper für Druckkräfte mit vier gleichmäßig autdem Umfang verteilten Meßstellen
F i g. 2a und 2b den Aufbau einer Dehnungsmeßstreifenbrücke an jeweils der zu bestimmenden Mantellinie F i g. 3 eine komplette Meßeinrichtung.
In F i g. 1 wird der Meßkörper 5 für Druckkräfte mit vier gleichmäßig auf dem Umfang verteilten Meßstellen 1, 2, 3, 4 versehen. Um eine optimale integrierende Wirkung entlang einer Mantellinie zu bekommen, wurde auf jede der infrage kommenden Mantellinien als Meßstelle eine Dehnungsmeßstreifen-Vollbrücke appliziert, deren Aufbau in F i g. 2a dargestellt ist. Die aktiven Längsstreifen 7 erfassen hierbei nahezu die gesamte Meßlänge. Die zur Vollbrückenergänzung erforderlichen, um 90° hierzu gedrehten Dehnungsmeßstreifen 8 sind in die gemeinsame Mantelünie eingefügt. Um die erwünschte räumliche Konzentration auf einer Mantel-, linie zu ermöglichen, sind hierbei Dehnungsmeßstreifen mit kurzen Meßgittern eingesetzt. Bei gedrungenen Meßkörpern hat sich auch die in Fig. 2b gezeigte Ausführung als brauchbare Näherungslösung erwiesen. Die Dehnungsmeßstreifen 8 mit kurzem Meßgitter sind hierbei unmittelbar neben den Längsstreifen 7 angeordnet. Die dabei unvermeidliche seitliche Abweichung der Dehnungsmeßstreifen mit kurzem Meßgitter von der gemeinsamen Mantellinie hat sich bei symmetrischer Anordnung und ausreichend großem Meßkörperdurchmesser als meßtechnisch tragbar erwiesen.

Mit Hilfe eines Meßstellenumschalters kann durch Parallelschalten von zwei gegenüberliegenden Meßstellen der arithmetische Mittelwert gebildet werden. Desgleichen ist die Mittelwertbildung durch Parallelschalten von vier Meßstellen möglich, wobei auch hierbei jeweils zwei Meßstellen einander gegenüberliegen müssen. Voraussetzung für das einwandfreie Messen der Kraft bei nichtaxialer Beanspruchung ist, daß alle Meßstellen die gleiche Empfindlichkeit aufweisen. Dies ist bei den eingesetzten Vollbrückenschaltungen von der Fertigung her sichergestellt oder kann auch durch nachträglichen Empfindüchkeitsabgleich erreicht werden. Weitere Voraussetzung für eine exakte Mittelwertbildung ist, daß alle Meßstellen die gleiche Konfiguration gem. F i g. 2a oder F i g. 2b haben, daß die gegenüberliegenden Meßstellen 1 und 2 bzw. 3 und 4 exakt um 180° versetzt sind und daß korrespondierende Streifen zweier Meßstellen in exakt gleicher Höhe liegen.

Anhand der in Fig.3 dargestellten kompletten

fao Meßeinrichtung wird das Zusammenwirken der Meßstellen I, 2, 3, 4 am Meßkörper 5 näher erläutert. Über die Leitungen 11, 12, 13, 14 werden die von den Meßstellen kommenden Signalspannungen dem MeI^- stellenumschalter 10 zugeleitet. Mit Hilfe dieses

h5 Umschalters kann die Außermittigkeit der Krafteinleitung gemessen werden, indem die Meßstellen 1 bis 4 nacheinander, einzeln angeschaltet werden. Anschließend werden in der folgenden Schalterstellung alle

Meßstellen zur exakten Mittelwertbildung parallel geschaltet. In zwei weiteren Schalterstellungen können zu Kontrollzwecken nun die Meßstellen 1 und 2 bzw. 3 und 4 parallel geschaltet und deren Mittelwert gemessen werden. Bei einem einwandfreien Arbeiten des Meßkörpers müssen die Mittelwerte der Meßstellen 1 und 2 sowie 3 und 4 mit dem Mittelwert aller Meßstellen identisch sein.

Zur Anzeige und Registrierung der Meßergebnisse sind dem Meßstellenumschalter 10 ein Digitalkompensatoi 15 und ein Drucker 16 nachgeschaltet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Im wesentlichen kreiszylinderischer Meßkörper zum Messen von Kräften über die an ihm durch die Krafteinwirkung auftretende Verformung mit nahezu die gesamte Meßlänge erfassenden langen und parallel zu den Mantellinien applizierten Dehnungsmeßstreifen und mit hierzu um 90° gedrehten, also in Umfangsrichtung sich erstreckenden, zur Brükkenergänzung dienenden Dehnungsmeßstreifen, wobei die mit Dehnungsmeßstreifen bestückten Mantellinien gleichmäßig über den Umfang verteilt sind, wobei jeder dieser Mantellinien beide Dehnungsmeßstreifen-Arten zugeordnet sind und wobei mindestens zwei um 180° in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Mantellinien mit solchen Dehnungsmeßstreifen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die um 90° gedrehten Dehnungsmeßstreifen (8) im Vergleich zum Umfang des Meßkörpers (5) und zur Längserstreckung der langen Dehnungsmeßstreifen (7) kurz sind, daß die kurzen Dehnungsmeßstreifen (7) die Mantellinie, auf der die Längsachse der langen Dehnungsmeßstreifen (8) zu liegen kommt, überdecken oder in unmittelbarer Nähe derselben angeordnet sind, und daß die jeweils einer Mantellinie zugeordneten Dehnungsmeßstreifen eine Vollbrücke bilden.

2. Meßkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die um 90° gedrehten kurzen Dehnungsmeßstreifen zwischen den langen Dehnungsmeßstreifen liegen.

3. Meßkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die um 90° gedrehten kurzen Dehnungsmeßstreifen symmetrisch zum Punkt in der Mitte zwischen den langen Dehnungsmeßstreifen appliziert sind.

4. Meßkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die um 90° gedrehten kurzen Dehnungsmeßstreifen unmittelbar neben den langen Dehnungsmeßstreifen und an diese anstoßend appliziert sind.

5. Meßkörper nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß Dehnungsmeßanordnungen, die auf um 180° gegeneinander versetzten Mantellinien liegen, elektrisch parallel schaltbar sind.