DE3780707T2 - Bandumsetzer fuer die inkremental-praezisionsmessung von lineargroessen, mit vorherbestimmten koeffizienten fuer die thermische expansion. - Google Patents

Bandumsetzer fuer die inkremental-praezisionsmessung von lineargroessen, mit vorherbestimmten koeffizienten fuer die thermische expansion.

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DE3780707T2 DE8787105836T DE3780707T DE3780707T2 DE 3780707 T2 DE3780707 T2 DE 3780707T2 DE 8787105836 T DE8787105836 T DE 8787105836T DE 3780707 T DE3780707 T DE 3780707T DE 3780707 T2 DE3780707 T2 DE 3780707T2
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Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein Meßumformer oder -wandler für die Inkremental-Präzisionsmessung von Lineargrößen mit einem Meßstab, auf bzw. in den eine Meßskala aufgetragen oder eingeätzt ist, und einem längs des Meßstabs verschiebbaren Lesekopf. Ein Wandler dieser Art wird allgemein als optoelektronische(r) Meßstab oder Meßskala bezeichnet.
  • Es ist bekannt, daß bei diesen optoelektronischen Meßstäben bzw. -skalen für die Inkrementalmessung von Lineargrößen die Einzel-Inkremente durch Ablesen der durch optische Interferenz - durch Transparenz oder Reflexion - erzeugten Moir -Streifen mit zwei Rastern oder Gitternetzen gleicher physikalischer Größe gemessen werden, von denen das eine in den - im allgemeinen feststehenden - Meßstab geätzt ist und das andere von einem Lesekopf getragen wird, der auf einem üblicherweise längs des Meßstabs verschiebbaren Zeiger (Reiter bzw. Schieber) montiert ist.
  • Es ist auch bekannt, daß das in den Meßstab eingeätzte Raster oder Gitternetz in Abhängigkeit vom Ausdehnungskoeffizienten des Bandmaterials des Meßstabs bei einer Temperaturänderung sich ausdehnt oder schrumpft. Sofern nicht durch andere Faktoren beeinflußt, bestimmt dies ersichtlicherweise den Ausdehnungskoeffizienten der Skala oder des Meßstabs, der für Stahlmeßstäbe allgemein 10·10-6 bis 12·10&supmin;&sup6; und für Glasmeßstäbe etwa 8·10&supmin;&sup6; beträgt.
  • Die Linearmeßumformer oder auch -wandler unter Verwendung eines Meßstabs in Form eines dünnen Metallbands umfassen ein Trägergehäuse, allgemein aus einem extrudierten Aluminiumprofil bestehend, und das den Meßstab bildende Metallband, das am Gehäuse mittels elastischer Klebmittel, elastomerer Scheiben und/oder anderer elastischer Mittel befestigt ist. Die EP-Patentanmeldung Nr. 0 105 119 des gleichen Anmelders beschreibt eine Konstruktion dieser Art, bei welcher das dünne Band an seinen Enden aufgehängt und gespannt ist, so daß es - zusammen mit dem Trägergehäuse - eine integrale Einheit bildet, deren Gesamtlänge durch den dem Zeiger zugeordneten Lesekopf erforscht oder bestimmt werden kann.
  • Alle diese Arten von Umformern unterliegen mehr oder weniger Ablesefehlern entsprechend den Wärmeausdehnungen des Meßstabbands und ihrer Abhängigkeit von der Ausdehnung des Trägergehäuses. Es ist außerdem bekannt, daß eine etwaige, zur Wärmeausdehnungskraft des Meßstabs hinzugefügte externe Kraft, wenn sie während der Temperaturänderung axial darauf einwirkt, eine Vergrößerung oder Verkleinerung seiner natürlichen Ausdehnung bewirkt und demzufolge zusätzliche Änderungen in der Meßgröße - im positiven oder negativen Sinn - entsprechend der Einheit(sgröße) und Richtung der Kräfte, welche diese Änderungen hervorgerufen haben, bestimmt.
  • Da im allgemeinen das Trägergehäuse des Meßstabs einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Metallband aufweist, besteht das Ergebnis darin, daß bei einer Temperaturänderung die durch das extrudierte Aluminium-Trägergehäuse erzeugte, axial wirkende Kraft Änderungen im dilatometrischen (oder Ausdehnungs-)Verhalten des dünnen Bands des Meßstabs bestimmt, wodurch Präzision und Linearität des Meßsystems herabgesetzt werden.
  • In anderen Fällen, wenn das Band des Meßstabs bzw. -geräts einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als sein Träger (d. h. ein als support dienendes Werkzeugmaschinenelement) aufweist, wird das Band - sofern es nicht vorgespannt ist - schlaff oder gestrafft, wenn sich seine Temperatur erhöht oder verringert.
  • Zur Überwindung dieses Mangels schlagen beispielsweise die EP-PSen Nr. 163 857 und 126 888 (Heidenhain) ein Stahlband-Meßgerät vor, auf das ein Raster oder Gitternetz einer kleineren Größe als das reale Maß aufgeprägt ist. Danach wird das Raster oder Gitternetz am Meßstab oder -gerät durch Spannen des Bands vergrößert, bis das reale Maß erreicht ist.
  • Dennoch bedingt das Spannen des Bands zum Zwecke der Vergrößerung eines Rasters oder Gitternetzes einer kleineren Größe als das reale Maß einen Verlust an Linearität bei der Messung aufgrund der Tatsache, daß die Längung über die Bandlänge nur dann konstant bleibt, wenn der Querschnitt (S) des Bands konstant ist (ΔS = O). (Bekanntlich gibt es kein laminiertes Stahlband ohne Maßtoleranzen.)
  • Der durch die Inkonstanz des Bandquerschnitts (ΔS » O) hervorgerufene Linearitätsmangel wird in (gemäß) der obengenannten EP-Patentanmeldung Nr. 0 105 119 dadurch überwunden, daß das Raster oder Gitternetz - mit der realen Meßgröße - auf ein vorgespanntes Band aufgeprägt oder diesem überlagert wird, um damit beim Nachspannen des Bands mit der gleichen Kraft den Linearitätsmangel der Messung zu vermeiden. Tatsächlich ist bei dieser Methode das Verhalten der Linearität demjenigen des vorherigen Beispiels entgegengesetzt, weil der Linearitätsverlust nur unter Bedingungen eines nichtgespannten Bands vorliegt.
  • Bisher wurde auch versucht, zumindest die Auswirkungen der Wärmeausdehnung des Trägergehäuses auf das dünne Band des Meßstabs zu reduzieren. Zu diesem Zweck sind für die Umformer mit dünnem, geätztem Band Korrektursysteme zum teilweisen Kompensieren dieser Auswirkungen angewandt worden. Dies wurde beispielsweise dadurch erreicht, daß das Band mit Hilfe hochelastischer Klebmittel am Trägergehäuse angeklebt und/oder das Band am Träger mittels elastomerer Scheiben befestigt oder, noch besser, das Band am Ende des Gehäuses mittels Federn, nach einem Vorspannen desselben, befestigt wird, wie dies tatsächlich in der obengenannten EP-Patentanmeldung Nr. 0 105 119 beschrieben ist.
  • Eine andere Lösung ist die in EP-A2-169 189 beschriebene, nach welcher das Ätzungen tragende Metallband im Trägergehäuse "frei" gehaltert ist, weil seine Enden frei aus diesem Trägergehäuse herausragen, um sie selbst an getrennten Spannelementen zu verankern. Dabei trifft es tatsächlich zu, daß das Band im Ergebnis vollständig unempfindlich für die Wärmeausdehnung des Trägergehäuses wird, und zwar einfach aus dem Grund, daß das Band praktisch keinen Verankerungspunkt am Trägergehäuse aufweist. Es trifft jedoch auch zu, daß das Band an den Spannelementen verankert ist, die ihrerseits an einem gemeinsamen Träger montiert bzw. gehaltert sind; daraus ergeben sich die doppelten Nachteile, daß:
  • - diese Befestigung aufgrund der offensichtlichen Probleme der Ausrichtung zwischen ihnen (den Teilen) und mit dem Trägergehäuse besonders schwierig und kritisch ist, und andererseits
  • - das Band in jedem Fall (im Ergebnis) der Wärmeausdehnung des gemeinsamen Trägergehäuses unterworfen ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung eines Meßumformers oder -wandlers der oben angegebenen Art, wobei der (Längen-)Meßstab in Form eines dünnen Bands - mit im gespannten Zustand des Bands darauf geätztem Raster oder Gitternetz - in einem steifen Trägergehäuse aufgehängt und nachgespannt ist, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Meßstabs von dem des Trägergehäuses vollkommen unabhängig ist; dies bedeutet, daß die Wärmeausdehnung des Meßstabs auf vorbestimmte bekannte Werte - höher, gleich groß oder niedriger als der Ausdehnungskoeffizient des Meßstab-Metallbands - voreingestellt oder auch eine vollständige Kompensation der Wärmeausdehnung des Meßstabs erzielt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Meßumformerstruktur mit einem steifen Trägergehäuse, einem Längenmaßstab oder Meßstab in Form eines dünnen vorgespannten Stahlbands, in welches die Marken bzw. das Raster oder Gitternetz der Meßskala eingeätzt sind und welches an den Enden im Trägergehäuse über Aufhänge- und Spannmittel fixiert ist, sowie mit einem im Gehäuse längs des Bands gleitend bzw. verschiebbar untergebrachten Meßstab-Lesekopf im wesentlichen dadurch gelöst, daß dem Trägergehäuse mindestens eine Spannstange zugeordnet ist, die an dem Gehäuse an einem einzigen Punkt fixiert (befestigt) und bezüglich diesem (Gehäuse) mit ihrem verbleibenden Teil frei ausdehnbar ist, und daß die Aufhänge- und Spannmittel für die Enden des dünnen Bands des Meßstabs an den Enden der Stange verankert sind, wobei diese letztere einen ausreichend größeren Querschnitt als das daran verankerte dünne Band hat, so daß die Stange im wesentlichen unempfindlich gegenüber der auf das Band ausgeübten Spannkraft ist, und die Stange aus einem Werkstoff mit einem vorbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet bzw. geformt ist.
  • Der Ausdruck "vorgespanntes Stahlband" bezieht sich stets - vorstehend und nachfolgend - auf ein Band, das unter Spannung nach der in der genannten EP-Patentanmeldung Nr. 0 105 119 beschriebenen Technik geätzt und dann im Trägergehäuse unter einer Zugspannung gleich der beim Ätzen einwirkenden Zugspannung aufgehängt gehaltert wird.
  • Der Querschnitt der Spannstange muß so sein, daß sie praktisch unempfindlich für die durch das Band entgegengewirkte Spannkraft ist. Gemäß einer ersten Grundcharakteristik der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus die Stange aus einem Werkstoff eines bekannten vorbestimmten Ausdehnungskoeffizienten geformt, der den Ausdehnungskoeffizienten des Meßstabs bestimmt. Gemäß einem anderen Grundmerkmal der Erfindung kann weiterhin die Stange aus einem Satz von Stangen unterschiedlicher Beschaffenheit bestehen, so daß eine teilweise oder vollkommene Kompensation der eigentlichen Längenänderungen an den Stangen und am dünnen Band erreicht wird.
  • Weitere Eigenschaften und Vorteile des Meßumformers gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohnedies deutlicher aus der folgenden genauen Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen derselben, die lediglich beispielhaft in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische axiale Teilschnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit dem Nullpunkt im Zentrum des Meßstabs oder -geräts,
  • Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,
  • Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit einem Nullpunkt an einem der Enden des Meßstabs,
  • Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3,
  • Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Satzes aus drei Spannstangen für die Totalkompensation der Wärmeausdehnungen,
  • Fig. 6 eine schematische perspektivische Schnittdarstellung des Dreistangensystems nach Fig. 5 und
  • Fig. 7 eine schematische Querschnittansicht eines das Dreistangensystem aufnehmenden Gehäuses.
  • Wie dargestellt, umfaßt der Meßumformer nach der Erfindung ein Trägergehäuse 1, in welchem der Meßstab 2 in Form eines dünnen Bands aus nichtrostendem Stahl untergebracht ist, längs welchem ein Meß-Zeiger (oder -schieber) 3 verschiebbar ist, der sich mit einer einen Lesekopf 4 tragenden Lamelle 3a aufwärts erstreckt. Der Kopf 4 ist an der Lamelle 3a des Zeigers 3 mittels eines Arms 5 montiert oder gelagert, der als elastisches Aufhängeelement dient.
  • Das Gehäuse 1 ist aus einem in Fig. 2 deutlich dargestellten extrudierten Aluminiumprofil geformt. Das Profil umfaßt, von der Unterseite ausgehend, eine untere Öffnung 1a, durch welche die Lamelle 3a des Zeigers 3 verschiebbar ist; zwei Ausnehmungen 1b, von denen jede eine beispielsweise eine Rohrform besitzende Lippe 6 aufnimmt, die an der Lamelle 3a anliegt, um das Eindringen von Staub oder Fremdkörpern durch die Öffnung 1a zu verhindern; eine Kammer 1c, durch welche hindurch der Lesekopf 4 mit dem betreffenden Aufhängearm 5 leicht verschiebbar ist; einen rohrförmigen Kanal oder Durchgang 1d, in welchen die noch näher zu beschreibende Spannstange 7 eingesetzt ist; und schließlich zusätzliche Kanäle bzw. Durchgänge 1e und 1f, die bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dazu dienen, die Endseiten bzw. Verschlußdeckel T an den Enden des Profils 1 mit Hilfe von Schrauben zu befestigen, die unmittelbar in die mit Gewinde versehenen Endteile der Durchgänge 1e und 1f eingeschraubt sind bzw. werden.
  • Wie deutlich aus Fig. 1 hervorgeht und gemäß einem ersten charakteristischen Merkmal der Erfindung, trägt die Spannstange 7, an ihren Enden verankert, das den Meßstab bildende dünne stahlband 2. Am Ende 7a ist das Band 2 mittels eines Stifts 8 verankert, der es kreuzt bzw. durchsetzt und der seinerseits mit Hilfe eines Dübels 9 am genannten Ende 7a befestigt ist. Am anderen Ende 7b ist das Band 2 ebenfalls mittels eines Stifts 11, der mit einem Dübel 12 gesichert ist, an einem Block 10 verankert; der Block 10 ist weiterhin auf der Verlängerung 7c der Stange 7 verschiebbar geführt und liegt am Ende der letzteren mittels einer Einstellschraube 14 an, die in eine Feingewindebohrung im Block 10 eingeschraubt ist.
  • Durch Einstellung der Stellung der Schraube 14 in bezug auf den Block 10 wird deren Anlagepunkt an der Stange 7 reguliert, nämlich die Position des Blocks 10 in bezug auf das Ende 7b der Stange 7, und demzufolge auch die Spannung des Bands 2.
  • Gemäß einer Grundcharakteristik der vorliegenden Erfindung ist die Stange 7 im Durchgang 1d frei aufgenommen, und zwar mit ausreichender Lockerheit, um die Stange sich im Durchgang 1d verschieben oder sonstwie axial ausdehnen zu lassen, obgleich sie im Inneren des Durchgangs in Transversal- bzw. Querrichtung sicher gehaltert ist, und sie (die Stange) ist weiterhin im Trägergehäuse 1 nur an einer einzigen, bei 15 angegebenen Stelle verankert. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 liegt die Stelle bzw. der Punkt 15 praktisch in der Mitte der Meßstablänge; sie bzw. er repräsentiert den Punkt ohne Ausdehnung, nämlich den sogenannten Nullpunkt.
  • Die Endteile der Stange 7, und insbesondere die Teile, an denen das Band 2 mittels des Stifts 8 an der einen Seite sowie des Stifts 9 und des Blocks 10 an der anderen Seite verankert ist, sind in erweiterten, in den End- oder Stirndeckeln T ausgebildeten Ausnehmungen T' und T'' untergebracht, so daß es möglich ist, alle Teile des Meßumformers zusammenzusetzen, ohne einen Zugang zu den engen Durchgängen im extrudierten Profil 1 herstellen zu müssen.
  • Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4 ist der Aufbau des Meßumformers insofern vereinfacht, als - während die Verankerung des Band 2 am Ende 7a die gleiche ist wie in Fig. 1 - die Verankerung des Bands am Ende 7b durch Anschweißen an einem Querelement 16 erreicht ist, das an der Kopf- oder Stirnfläche 1' des Profils 1 anliegt. Die Zugspannung des Bands 2 wird mittels einer Einstellschraube 17 eingestellt, die in ein Feingewinde eingeschraubt ist, welches unmittelbar in der Bohrung des die Stange 7 aufnehmenden Durchgangs 1d geformt ist.
  • Der Ruhe- oder Anlagepunkt der Stange 7 gegen den Kopf der Einstellschraube 17 repräsentiert den Punkt der Verankerung der Stange 7 am Gehäuse 1, nämlich den Nullpunkt (der sich in diesem Falle einem der Enden des Meßstabs und nicht, wie im vorherigen Fall, in der Mitte befindet).
  • Das Spannen des dünnen Bands 2 kann - anstatt eine einzige Spannstange 7 zu verwenden - mittels eines Satzes von Stangen erfolgen, beispielsweise drei Stangen 20, 21, 22 gemäß den Fig. 5 bis 7. Die schematische Darstellung von Fig. 5 veranschaulicht eine erste Stange 20, die in ihrer Mitte 20' an der Mitte bzw. am Zentrum des Gehäuses 1 - wie im Fall von Fig. 1 - fixiert ist und deren beide Enden fest mit zwei steifen Querelementen 23a, 23b verbunden sind; eine zweite Stange 21 ist mit dem einen Ende am Querelement 23 fixiert und trägt am anderen Ende eines der Enden 2a des dünnen Bands 2; weiterhin ist eine dritte Stange 22 mit dem einen Ende am Querelement 23b fixiert, und sie trägt am gegenüberliegenden Ende das andere Ende 2b des dünnen Bands 2 unter Zwischenfügung der bereits in Fig. 1 gezeigten Mittel 10, 14 zur Ermöglichung einer Einstellung der Spannung des Bands 2.
  • Fig. 6 ist eine perspektivische Schnittansicht der in Fig. 5 umrissenen Dreistangenstruktur. Fig. 7 zeigt dagegen, wie die drei Stangen 20, 21, 22 in den Durchgängen 1d, 1e, 1f des Gehäuses 1 (vgl. Fig. 2) untergebracht sind. Die Funktion dieses Satzes aus drei Stangen, ebenso wie die einer einzigen Stange 7, ist im folgenden näher beschrieben.
  • Die Stange 7 oder die drei Stangen 20, 21, 22 aus Metall oder einem anderen geeigneten homogenen Werkstoff sind im Trägergehäuse auf einer parallel zur Achse des Gehäuses verlaufenden Achse untergebracht und nur an einem Punkt verankert; dieser Punkt ist bevorzugt die Mitte bzw. das Zentrum, doch kann die Verankerung auch am einen Ende oder in einer beliebigen anderen Position längs der Meßstablänge vorgesehen sein.
  • Sobald das Band 2 an den Enden der einzigen Stange oder des Satzes aus drei Stangen verankert worden ist, wird es einer zweckmäßigen Spannung unterworfen (z. B. auf die in der oben erwähnten EP-Patentanmeldung Nr. 0 105 119 beschriebenen Weise); das vorgespannte Band 2 nimmt dabei für sich eine aufgehängte Stellung parallel und nahezu tangierend zur Stange oder zum Satz der Stangen ein. Die Stangen müssen einen bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, der gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung in Beziehung zu der für den Meßumwandler vorgesehenen Anwendungsart gewählt wird. Dank der Halterungsanordnung gemäß der Erfindung ist die Ausdehnung der Stange oder des Stangensatzes von der Ausdehnung des Trägergehäuses vollständig unabhängig, weil die Stange bzw. die Stangen daran nur an einer Stelle verankert ist bzw. sind.
  • Wenn der Verankerungspunkt der Stange im Zentrum bzw. in der Mitte und nicht am einen Ende liegt, breiten sich die Ausdehnungen der Spannstange, des Bands und des Trägergehäuses von der Mitte der Skala in zwei entgegengesetzten Richtungen aus, so daß der Verankerungspunkt der Stange am Trägergehäuse als "Gleichgewichtspunkt" oder "Nullpunkt der Ausdehnung des Meßsystems" definiert werden kann.
  • In der Praxis koinzidiert im Fall der Verwendung des Meßumformers mit dieser Ausgestaltung beispielsweise in Zuordnung zur Längsachse (X-Achse) eines Werkzeugmaschinenbetts der "Nullpunkt der Ausdehnung", wenn er am Zentrum liegt, mit der Achsmitte des Maschinenbetts, weil er dabei auch der "Nullpunkt" der Maschinenbett- Ausdehnungen ist.
  • Unter Berücksichtigung der obigen Gegebenheiten wird es gemäß einem ersten Grundmerkmal der vorliegenden Erfindung möglich - durch Verwendung einer Band-Spannstange einer hohen Ausdehnungskraft in bezug auf die Spannkraft (Tr) des Meßbands (wie gemäß der genannten EP-Patentanmeldung Nr. 0 105 119 vorgesehen) -, Umformer bzw. Wandler zum Messen linearer Größen zu realisieren, die eine Wärmeausdehnung praktisch vergleichbar derjenigen der Spannstange aufweisen, welche von der Ausdehnung des Trägergehäuses unabhängig ist.
  • Unter den angegebenen Bedingungen folgt bei einer Temperaturänderung der Stange die in das vorgespannte Band 2 eingeätzte Meßskala dem dilatometrischen Verhalten der Spannstange, und zwar unabhängig vom eigentlichen Ausdehnungskoeffizienten des Bands.
  • Da die auf das Band ausgeübte Spannstangenkraft (Tr) eine Ausdehnung des Bands erheblich stärker bestimmt als die reziproke Kompression der Spannstange, ist es möglich, Stangen zu verwenden, die aus dem gleichen Werkstoff wie das Band oder einem anderen homogenen und isotropen Werkstoff eines gegenüber dem Band unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Dies erfolgt zum Zwecke der Erzielung (für bestimmte Anwendungsfälle des Meßumformers), bei gleicher Art der Meßstab-Bänder, von Meßumformern mit einer Wärmeausdehnung gleich der Wärmeausdehnung der maschinell zu bearbeitenden Werkstoffe. Dies gilt speziell für die maschinelle Bearbeitung (Zerspanung) von Werkstoffen hoher Wärmeausdehnung bei beliebiger Raumtemperatur (wie Messing, Kupfer usw.) sowie von Werkstoffen einer niedrigen Wärmeausdehnung.
  • Die auf das Band bei konstanter Temperatur (Δt = O) ausgeübte oder einwirkende Spannkraft (Tr) bleibt konstant, während sie bei Δt ≠ O leichten Änderungen (ΔTr = fΔα) entsprechend der Differenz des Ausdehnungskoeffizienten zwischen Stange und Band unterliegt.
  • In praktischen Anwendungsfällen sollte im Hinblick auf die von solchen Meßumformern geforderten Leistungen und die geforderte Präzision unter der Voraussetzung, daß bei einer Temperaturänderung Δt = 1ºC, ΔTr eine solche Kraft liefern, daß die Wärmeausdehnung der Stange um 1·10&supmin;&sup6; beeinflußt wird, wobei die Spannkraft (Tr) als praktisch konstant (ΔTr → O) angesehen und damit (um die Sache zu vereinfachen) aus der Berechnung ausgeklammert werden kann, die für die Bestimmung des optimalen Querschnitts (A2) der Spannstange in bezug auf die Art des Bands und seinen Querschnitt (A1) erforderlich ist.
  • Unter der Voraussetzung, daß bei den Messungen des Meßumformers ein Fehler bei der Wärmeausdehnung des Bands, vorbestimmt zu 1·10&supmin;&sup6;, toleriert werden kann, ist für die Berechnung des Querschnitts der Spannstange als Bedingung vorauszusetzen, daß die Stange und das Band stets gleiche Länge besitzen, gleiche Temperatur aufweisen und gleichzeitig den gleichen Temperaturänderungen unterliegen, und daß alle die relevanten Kräfte - Spannkraft (Tr) und Wärmeausdehnungskraft - Beanspruchungen implizieren, die weitgehend innerhalb des Bereichs der proportionalen Elastizität von Band und Stange enthalten sind.
  • Für die Berechnung des Querschnitts (A2) der Spannstange können die folgenden Rechenformeln in Erwägung gezogen werden; um die Sache zu vereinfachen, sei angenommen, daß der Längen-Dehnungskoeffizient (αe2 = 1/E&sub2; und (αex&sub1; = 1/E¹ der Spannstange bzw. des Bands bei der im gesamten Betriebsbereich des Meßumformers herrschenden Temperatur (allgemein von 0º bis +50ºC) unverändert bleibt.
  • Es sei angenommen, daß:
  • λ&sub1; = Längen-Dehnung des Bands: Δt = 1ºC.
  • λ&sub2; = Längen-Dehnung der Stange : Δt = 1ºC.
  • Δλ = Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen Stange und Band: Δt = 1ºC.
  • α&sub1; = Koeffizient der Linearausdehnung des Bands.
  • α&sub2; = Koeffizient der Linearausdehnung der Stange.
  • = Länge der Stange = Band in cm.
  • E&sub1; = Elastizitätsmodul des Bands - kg/cm²
  • E&sub2; = Elastizitätsmodul der Stange - kg/cm².
  • A&sub1; = Querschnitt des Bands - cm².
  • A&sub2; = Querschnitt der Stange - cm².
  • ΔP = Auf die Stange als Funktion von Δλ wirkende Kraft.
  • Δλe1 = Dehnung oder Kompression des Bands.
  • Δλe2 = Dehnung oder Kompression der Stange, bestimmt durch Δ P.
  • Für Spannstangen mit linearem Ausdehnungskoeffizienten (α2 1) bei Δ = 1ºC bestimmt sich die Ausdehnungsdifferenz zwischen Band und Stange durch:
  • Δλ = (λ2-λ1) = (α2-α1) (1)
  • vorausgesetzt, daß:
  • Da einer solchen Änderung Δλ mit Δt = 1ºC eine Änderung in der Längen-Ausdehnung des Bands
  • entspricht, gilt unter der Voraussetzung von:
  • ΔP = ΔλE&sub1;A&sub1;
  • Unter Voraussetzung des tolerierbaren Fehlers der Ausdehnungen der Messungen bezüglich der Ausdehnung der Stange zu Δt = 1ºC und 1.10&supmin;&sup6; erhält man Δλ&sub2; = (-1,10&supmin;&sup6; ), wozu eine AusdehnungΔλ2 = Δλ korrespondiert. Dabei ergibt sich:
  • und unter der Voraussetzung, daß gilt:
  • gilt die Voraussetzung von (A&sub2; > A&sub1;) mit:
  • Da bei einer gleichen oder gleich großen einwirkenden Axialkraft die Ausdehnungen dem Schnitt umgekehrt proportional sind, ergibt sich, daß der Ausdehnungsfehler bei Verwendung von Stangen des Schnitts S > A&sub2; sich reduziert zu: s·Δ = A&sub2;·Δλ2,
  • woraus sich ergibt:
  • Um bei praktischer Anwendung bei dem oder mit dem Meßumformer der obigen Berechnung vergleichbare Ergebnisse zwischen der Stange, dem Band und den diese aufnehmenden Sitzen zu erzielen, müssen die Größen- bzw. Maßtoleranzen derart sein, daß eine freie Gleitbewegung mit einem Mindestmaß an Reibungswiderstand möglich ist.
  • Die allgemein bekannten Gegebenheiten der Feinmechanik können auch in diesem Fall angewandt werden (niedrige Rauhigkeit und hohe Oberflächenhärte der Teile, Trockenkontakt, freie Kopplung usw.).
  • Im folgenden sind zwei Beispiele für gemäß der vorliegenden Erfindung realisierte Meßumformer angegeben:
  • Beispiel 1
  • Meßumformer für Linearmessung von 1 m, gefertigt mit einer INVAR-Stange eines Durchmessers von 6 mm und eines Bands aus nichtrostendem Stahl mit einem Schnitt bzw. Querschnitt von 0,01·1,0 cm (vorgespannt nach der oben angegebenen EP-Patentanmeldung Nr. 0 105 119) für Messungen mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von + 5·10&supmin;&sup7;ºC. Charakteristika: Band Stange Werkstoff: nichtrostender Stahl INVAR Querschnitt Elastizitätsmodul Zugfestigkeit Ausdehnungskoeffizient Spezifisches Gewicht
  • Aus Formel (3) ergibt sich
  • Im Fall der verwendeten INVAR-Stange eines Durchmessers von 6 mm (S = 0,283 cm²) ergibt sich der Ausdehnungskoeffizientfehler nach Gleichung (4) zu:
  • Außerdem ergibt sich der Ausdehnungskoeffizient des Meßumformers zu: -1,544·10&supmin;&sup6;
  • Beispiel 2
  • Meßumformer wie in Beispiel 1, gefertigt mit einer Messingstange eines Durchmessers von 6 mm und einem Band aus nichtrostendem Stahl entsprechend dem vorher angegebenen: Charakteristika: Band Stange Werkstoff: nichtrost. Stahl Messing Querschnitt Elastizitätsmodul Zugfestigkeit Ausdehnungskoeffizient Spezifisches Gewicht
  • Dabei erhält man:
  • Bei der verwendeten Messingstange eines Durchmessers von 6 mm (S = 0,283) ergibt sich der Ausdehnungskoeffizientfehler anhand von Gleichung (4) zu
  • Der Ausdehnungskoeffizient des Meßumformers ergibt sich zu: 18,13·10&supmin;&sup6;
  • Als Alternative zum obigen Meßumformer mit einer einzigen INVAR-Spannstange ist das Beispiel aus bzw. mit einem Meßumformer der gleichen Charakteristika vorgesehen, ausgebildet mit einem gemäß der angegebenen EP-Patentanmeldung Nr. 0 105 119 vorgespannten Band, das an den Enden eines Satzes aus drei Stangen gespannt oder gestreckt ist, von denen zwei Stahlstangen in Gegenüberstellung zu den Enden einer Messingstange fixiert sind, um eine Spannung des Bands zu erreichen, wobei der Gesamtausdehnungskoeffizient zu Null hin tendiert und kein INVAR-Metall verwendet wird. (Das COLBY-System zum Kompensieren von Ausdehnungen durch Gegenüberstellung oder Kontraposition von Stangen unterschiedlicher Ausdehnungen ist an sich bekannt, weil es bereits früher in großem Maßstab eingesetzt worden ist.)
  • Der genannte Meßumformer ist mit einer Länge von 1 m hergestellt worden, und zwar unter Verwendung des Meßbands oder der Meßskala aus dem Band aus nichtrostendem Stahl, wie in Beispiel 1 erwähnt, und mit der gleichen Art von Stahlstange.
  • Für die Messingstange ist die gleiche Stangenart wie in Beispiel 2 verwendet worden.
  • Der Satz aus drei Stangen (von denen die beiden Stahlstangen gleiche Länge besitzen müssen) ist in an sich bekannter Weise bezüglich der Längenverhältnisse zweckmäßig bemessen worden, um den Temperaturkoeffizienten (Δt/Δa = 0) über die Länge von 1 m auf Null zu führen, wie dies für die Verankerung der Bandenden aufgestellt oder vorgegeben ist.
  • Zum Berechnen sowohl des optimalen Querschnitts (A&sub2;) der drei in gegenüberstehender Reihe verbundenen Stangen als auch des sich aus der Verwendung von Stangen des Querschnitts S = A&sub2; ergebenden Ausdehnungsfehlers sind die angegebenen Formeln in bezug auf den resultierenden Elastizitätskoeffizienten (EX) unter zweckmäßiger Berücksichtigung modifiziert worden.
  • Mit einem solchen Dreistangensystem kann die Aufhebung der Ausdehnung durch Modifizieren bzw. Abwandeln des Längenverhältnisses der zentralen Messingstange gegenüber den seitlichen Stangen erzielt werden.
  • Die Bandspannstange für Linearmeßumformer oder -wandler unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei stets das gleiche Band benutzt wird, kann aus einem einzigen Element oder aus zwei oder mehr Elementen, die in Reihe verbunden sind, aus den folgenden Werkstoffen, auch in beliebiger Kombination, geformt werden:
  • - INVAR, Stahl, Messing, Zink, geschmolzenes Siliziumoxid, Glas, Keramik.
  • Es ist ersichtlich, daß bei Verwendung einer einzelnen Art eines Bands für die Meßskala oder den Meßstab (vorgespannt gemäß der genannten EP-Patentanmeldung Nr. 0 105 119) in kostensparender und sehr einfacher Weise durch Ersatz der Spannstange Meßumformer erhalten werden können, die sich besonders gut für spezifische Anwendungszwecke eignen, welche spezielle Wärmeausdehnungskoeffizienten des Meßsystems erfordern.
  • Dies schließt nicht die Verwendung für gängige Anforderungen an Meßumformer mit einem Ausdehnungskoeffizient von 8·10&supmin;&sup6; bis 12·10&supmin;&sup6;/ºC aus, die beim derzeitigen Stand der Technik allgemein mit einer Meßskala bzw. einem Meßstab aus Glas oder nichtrostendem Stahl gefertigt werden.

Claims (3)

1. Meßumformer der Bauart mit einem steifen Trägergehäuse (1), einem Längenmaßstab in Form eines dünnen vorgespannten Stahlbandes (2), in welches die Marken der Meßskala eingeätzt sind und welches an seinen Enden mit dem Trägergehäuse über Aufhänge- und Spannmittel fixiert ist, ferner mit einem Längenmaßstab-Lesekopf (4), der in dem Gehäuse längs des Bandes gleitend untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Trägergehäuse mindestens eine Spannstange (7) zugeordnet ist, die an dem Gehäuse an einem einzigen Punkt (15) fixiert und frei bezüglich dieses mit ihren verbleibenden Teilen ausdehnbar ist, und daß die Aufhänge- und Spannmittel (8-12) der Enden des dünnen Bandes (2) des Längenmaßstabes an den Enden (7a, 7b) der Stange (7) verankert sind, wobei diese letztere einen ausreichend größeren Querschnitt als das daran verankerte dünne Band (2) hat, derart, daß die Stange im wesentlichen unempfindlich gegenüber der auf das Band ausgeübten Spannkraft ist, und daß die Stange aus einem Werkstoff mit einem vorbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist.
2. Meßumformer nach Anspruch 1, bei dem die Spannstange (7) aus einem Satz von in Reihe angeordneten Stangenlängen (20, 21, 22) unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten besteht, um einen vorbestimmten linearen Ausdehnungskoeffizienten des Stangensystems zu erzielen.
3. Umformer nach Anspruch 2, bei dem die Spannstange (7) aus drei Stangenlängen (20, 21, 22) besteht, wobei zwei (21, 22) aus Stahl und eine (20) aus Messing gefertigt ist und die Stangenlängen derart in Kontraposition angeordnet sind, daß eine vollständige Kompensation der thermischen Ausdehnung erreicht ist.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5698090A (en) * 1991-09-10 1997-12-16 Hospal Industrie Artificial kidney for adjusting a concentration of substance in blood
FR2680975B1 (fr) * 1991-09-10 1998-12-31 Hospal Ind Rein artificiel muni de moyens pour doser une substance dans le sang.
GB9215767D0 (en) * 1992-07-24 1992-09-09 Lk Ltd Scale assembly
DE19854318A1 (de) * 1998-11-25 2000-05-31 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Längenmeßeinrichtung
DE102007044128A1 (de) * 2007-09-15 2009-03-19 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Längenmesseinrichtung
EP2325610B1 (de) * 2010-03-18 2011-11-09 Fagor, S. Coop. Optoelektronisches Messgerät
ES2693900T3 (es) 2016-08-02 2018-12-14 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Dispositivo de medición de la longitud

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1050061A (de) * 1900-01-01
US3816002A (en) * 1972-10-10 1974-06-11 H Wieg Apparatus for measuring displacement between two relatively movable members
DE2631233A1 (de) * 1976-07-12 1978-04-27 Dresden Feinmess Gekapselte laengenmesseinrichtung
DE2712421C2 (de) * 1977-03-22 1982-06-24 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut Gekapselte Längenmeßeinrichtung
DE2911047A1 (de) * 1979-03-21 1980-10-02 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Laengenmesseinrichtung mit laengsverschieblichem masstab
FR2505482A1 (fr) * 1981-05-05 1982-11-12 Snecma Dispositif de mesure de la dilatation globale d'un turboreacteur
IT1152526B (it) * 1982-09-03 1987-01-07 Giacomo Giacomello Trasdutture a nastro metallico per misure micrometriche di grandezze lineari
DE3302151C2 (de) * 1983-01-22 1987-02-12 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut Gekapselte Längenmeßvorrichtung
DE3316081A1 (de) * 1983-05-03 1984-11-08 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut Messeinrichtung
DE3319600A1 (de) * 1983-05-30 1984-12-06 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut Laengenmesseinrichtung
DE3419527A1 (de) * 1984-05-25 1985-11-28 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut Positionsmesseinrichtung
ATE53117T1 (de) * 1984-07-18 1990-06-15 Rsf Elektronik Gmbh Lineares messsystem.

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