Entwicklung und Anwendung einer 5-Komponenten-SpannungsmeSzelle*

Dietmar Schulze, Christopher Lyle und Jorg Schwedes**

AnlaB zur Entwicklung einer neuen SpannungsmeBzelle war die Auf- gabe, die Spannungen zu messen, die ein Schiittgut auf die Wand ei- nes Silos oder eines Fordergerates ausiibt. In vielen Fallen ist es nicht im voraus klar, welche Richtungen die Schubspannungen an der Wand eines solchen Systems haben. Daher ist es notwendig, neben der Wandnormalspannung auch die GroBe und die Richtung der Schubspannungen an der Wand zu erfassen. Fur diesen Zweck wurde eine geeignete SpannungsmeBzelle entwickelt. Diese SpannungsmeBzelle setzt die mechanischen Spannungen, die auf ihre MeBflache wirken, in elektrische Signale um. Die vom Schuttgut beanspruchte Wand wird an einer Stelle durch die Span- nungsmeBzelle ersetzt. Die Belastung der MeBflache durch das Schuttgut fuhrt zu Verformungen in der SpannungsmeBzelle, die mit DehnungsmeBstreifen erfaBt werden. Je vier der verwendeten Wider- stands-DehnungsmeBstreifen werden zu einer Wheatstoneschen Voll- brucke verschaltet. Mit der 5-Komponenten-SpannungsmeBzelle lassen sich gleichzeitig die Resultierende N der auf die MeBflacheA wirkenden Normalspan- nung, die Lage ihres Angriffspunktes (Koordinaten ex, ey) und die Re- sultierende S der Schubspannung (Kraftkomponenten S,, Sy) erfassen (Abb. 1). Zur Messung dieser funf Informationen werden fiinf Deh- nungsmeBstreifen-Volbriicken benotigt. Abb. 2 zeigt den Grundkorper einer 5-Komponenten-Spannungs- meBzelle, der bereits mit DehnungsmeBstreifen beklebt und verdrah- tet ist. Die Form des Grundkorpers und die Lage der DehnungsmeB- streifen wurde in mehreren Schritten und unter Verwendung der Fini- te-Elemente-Methode dahingehend optimiert, daB sowohl die Emp- findlichkeit als auch die Steifigkeit der SpannungsmeBzelle moglichst groB sind. Eine zu weiche SpannungsmeBzelle wiirde zu einer uner- wiinschten Beeinflussung des Spannungszustandes im Schuttgut und damit zu zu niedrigen MeBwerten fiihren. Zum Schutz vor Verschmutzung und Beschadigung wurde ein Gehau- se (Abb. 3) fur die SpannungsmeBzelle konstruiert, das den leichten

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Abb. 1. ErfaBbare MeBgroBen.

* Vortrag von D. Schulze auf dem Jahrestreffen der Verfahrens- Ingenieure, 21. bis 23. Sept. 1988 in Hannover.

** Dip1.-Ing. D. Schulze, Dip].-Ing. C. Lyle und Prof. Dr.-Ing. J. Schwedes, Institut fur Mechanische Verfahrenstechnik der TU Braunschweig, Volkmaroder Str. 415, 3300 Braunschweig.

und schnellen Ein- und Ausbau des Gesamtsystems ,,SpannungsmeB- zelle mit Gehause” an verschiedenen MeBpositionen erlaubt. Die zum Schiittgut weisende Seite des Gehauses bildet eine mit der Span- nungsmeBzelle verschraubte Belastungsplatte, auf die die zu messen- den Schiittgutspannungen wirken. Das Gesamtsystem wird so in eine Wand (z. B. die eines Silos) eingebaut, daB die MeBflache mit der Wandoberflache eine Ebene bildet. Der zwischen der Belastungsplat- te und dem Gehause befindliche Spalt wird mit einer alterungsbestan- digen Gummimasse abgedichtet.

Abb. 2. 5-Komponenten-Spannungsme8zelle.

Die Kalibrierung erfolgt nach dem Einbau der SpannungsmeBzelle in das Gehause und dem Abdichten des Spaltes zwischen Belastungs- platte und Gehause (Abb. 3), so dai3 eventuell vorhandene Einfliisse der Gummimasse auf die MeBergebnisse erfaBt werden. Beim Kali- brieren werden 25 Koeffizienten bestimmt, die eine 5 x 5-Matrix bil- den, die den (linearen) Zusammenhang zwischen den MeBsignalen und den zu messenden GroBen eindeutig und vollstiindig wiedergibt. Erfolgen die Messungen mit Hilfe eines Rechners, kann bereits wah- rend der Messung die Umrechnung der gemessenen Signale in die wirksamen Belastungen erfolgen.

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Abb. 3. SpannungsmeBzelle mit Gehause.

844 Chem.-1ng.-Tech. 61 (1989) Nr. 10, S. 844-845 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1989 0009-286X/89/1010-0844 $ 02.50/0

Nach dem hier vorgestellten Prinzip arbeitende 5-Komponenten- SpannungsmeBzellen wurden mit einer Belastungsplatte mit dem Durchmesser 50 mm hergestellt. Der MeBbereich betragt 30 kPa (Normalspannung) bzw. 15 kPa (Schubspannung). Bei maximaler Normalspannung verschiebt sich die Mesflache um etwa 12 pm, bei maximaler Schubspannung um 48 pm in Belastungsrichtung.

teln. Dabei konnte die Funktionstuchtigkeit der hier vorgestellten SpannungsmeBzellen gezeigt werden.

Eingegangen am 5. September 1988

Schliisselworte: Spannung, MeBzelle, MeBtechnik, Schuttgut.

Im Institut fur Mechanische Verfahrenstechnik wurden 5-Kompo- nenten-SpannungsmeBzellen u. a. eingesetzt, um die Spannungen und Bewegungsverhaltnisse am Boden eines Silos mit Raumarm zu ermit-