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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen der
Abweichung der Querschnittsfläche eines Kanals von einem vorgegebenen Nennwert mit
mindestens zwei dicht in die Wandung einer gemeinsamen, ein Druckmittel enthaltenden
Meßkammer eingesetzten, längs einander schneidender Achsen verschieblichen, einseitig
an die Innenwandung des auszumessenden Kanals anlegbaren Tastkolben.
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Bei der Fertigung von Teilen oder Konstruktionen, die Uffnungen,
Durchlässe oder Kanäle enthalten oder begrenzen, ergibt sich oft die Notwendigkeit,
unabhängig von deren absoluter Querschnittsfläche die Abweichung dieser Fläche von
einem vorgegebenen Nennwert zu bestimmen. Der naheliegendste, allerdings auch mühseligste
Weg, eine solche Bestimmung durchzuführen, besteht darin, charakteristische Durchmesser
der Uffnungen auszumessen und aus diesen dann die entsprechenden Flächen zu berechnen.
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Zur Durchführung dieser Bestimmungsmethode sind außer üblichen Maßstäben
eine ganze Reihe verschiedenartiger Vorrichtungen bekannt, bei denen die interessierenden
Längen in Verschiebungen von Tastkolben umgesetzt werden, die ihrerseits Druck-und
Strömungsverhältnisse in hydraulischen Geräten beeinflussen.
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So ist aus der schweizerischen Patentschrift 328 119 eine Längenmeßvorrichtung
bekannt, bei der zwei Tastknöpfe an den Begrenzungsflächen der zu ermittelnden Länge
angelegt werden. Die Rückseiten der Tastkolben sind als Prallflächen für eine aus
ortsfesten Düsen ausströmende Flüssigkeit ausgebildet.
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Je nach dem von der Meßlänge abhängigen Abstand der Prallflächen von
den Düsen ändert sich die aus den Düsen ausströmende Flüssigkeitsmenge und mit ihr
der Druck in einem an die Düsen angeschlossenen Vorratsbehälter, der als Maß für
die interessierende Länge dient.
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Die deutsche Patentschrift 636 111 beschreibt eine Zentriervorrichtung
für Bohrköpfe, die auch als Meßgerät für die Ermittlung des Bohrungsdurchmessers
geeignet ist. Die Vorrichtung besitzt einen federbelasteten Taster, der über einen
Hebelmechanismus auf eine Membran wirkt, die eine Wand einer geschlossenen Druckmeßkammer
bildet. Der gewünschte Enddurchmesser der Bohrung bzw. die Zentrierung des Rohrkopfes
ist erreicht, wenn während einer vollen Umdrehung des Bohrkopfes, der den Taster
trägt, um seine Achse keine Schwankung des Druckes in der Meßkammer auftritt.
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Die französische Patentschrift 926 151 hat ein mit hydraulischen
Mitteln arbeitendes Mikrometer zum Gegenstand, das die Bewegung eines Tastkolbens,
dessen eines Ende an den Begrenzungen der zu messenden Länge anliegt, in Druckänderungen
in einer geschlossenen Kammer, deren eine Wand eine von dem Kolben beaufschlagte
Membran bildet, bzw. in Verschiebungen einer mit der Druckkammer verbundenen Flüssigkeitskapillaren
umsetzt.
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Die deutsche Patentschrift 893 264 befaßt sich mit einem Durchmesser-
bzw. Längenprüfer. der zwei Tasthebel besitzt, die jeweils mit einem Ende an dem
zu messenden Werkstück anliegen und mit dem anderen das Volumen einer Meßkammer
ändern, deren Innendruck gemessen wird und ein Maß für die Werkstücklänge bildet.
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Aus der USA.-Patentschrift 2 68() 912 ist eine Durchmesserlehre für
Bohrungen bekannt. die eine Mehrzahl von an dem Meßobjekt anlegbaren Tatern
aufweist,
deren einander zugewandte Enden einen Durchtrittsspalt für Druckluft begrenzen.
Die Spaltgröße und über sie das pro Zeiteinheit durch den Spalt hindurchtretende
Druckluftvolumen stellen ein Maß für die Summe der Tastverschiebungen und damit
für den Durchmesser der auszumessenden Bohrung dar.
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Der wesentliche Mangel aller vorgenannten Geräte besteht hinsichtlich
des eingangs aufgezeigten Zwecks einer Querschnittsflächenbestimmung darin, daß
sie sämtlich nur eindimensionale Größen zu ermitteln gestatten, aus denen dann die
interessierende Fläche errechnet werden muß. Dieser letztere Verfahrensschritt aber
gestaltet sich, insbesondere dann, wenn Querschnittsflächen mit unregelmäßigen Begrenzungslinien
ermittelt werden sollen, sehr mühselig, da zum einen eine große Anzahl von Längen
zu messen ist, die zum anderen in einer Vielzahl von Rechenoperationen in Beziehung
zueinander gesetzt werden müssen, wenn ein auch nur annähernd genaues Ergebnis der
Flächenbestimmung erforderlich ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Anwendung der
bekannten mechanisch-hydraulischen Meßwertwandlung eine Vorrichtung zu schaffen,
die unmittelbar und ohne Rechenschritte zur Anzeige der gesuchten Querschnittsfläche
führt, also von vornherein eine zweidimensionale Größe ermittelt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung
der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die dem Meßkammerinneren zugewandten
Stirnflächenquerschnitte der Tastkolben sich umgekehrt zueinander verhalten wie
die vorgegebenen Nennweiten des auszumessenden Kanals in Richtung der Verschiebungsachsen
der Tastkolben.
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Die Erfindung besteht also in einem Gerät, das Merkmale verschiedener
bekannter Vorrichtungen in sich vereinigt und bei der Abstimmung und Bemessung der
einzelnen Bauteile von der neuen Erkenntnis Gebrauch macht, daß bei einem bestimmten
Verhältnis der Kolbenflächen die hydraulische Addition von deren Verschiebung gegenüber
einer vorgegebenen Normallage, die dem Nennwert der interessierenden Uffnung entspricht,
der Abweichung der Uffnung von diesem Nennwert proportional ist.
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Soll die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Querschnittsfläche
mit teilweise sehr unregelmäßig verlaufenden Begrenzungslinien eingesetzt werden,
so empfiehlt es sich, in Weiterbildung der Erfindung, mindestens senkrecht zu den
unregelmäßigen Teilen der Begrenzungslinien eine Mehrzahl von längs zueinander parallelen
und in Abständen aufeinanderfolgenden Achsen verschieblichen Tastkolben in der Meßkammerwandung
zu führen, deren dem Meßkammerinneren zugewandten Stirnflächenquerschnitte untereinander
gleich sind und sich zu den entsprechenden Stirnfiichenquerschnitten längs ihre
Verschiebungsachse schneidender Achsen verschieblicher Tastkolben umgekehrt verhalten
wie die jeweils zugehörigen Summen aus den Nennweiten des auszumessenden Kanals
in Richtung aller einzelnen Verschiebungsachsen.
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Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung sehr kleiner
Querschnittsflächen, also etwa in engen Kanälen, Verwendung finden soll bzw bei
schlechter Zugänglichkeit der Meßstellc. so ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung
von Vorteil, hei der die dem auszumessenden Kanal iugewindten Enden der Tastkolben
als Taste'enger iusgehildei hand.
die über gelenkige Hebelsysteme
mit den in der Meßkammerwandung geführten Teilen der Tastkolben verbunden sind und
Verschiebungen ihrer Enden längs einander schneidender Achsen in Tastkolbenbewegungen
umsetzen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung soll nunmehr unter Bezugnahme
auf die Zeichnung ein mögliches Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung
näher beschrieben werden. Dabei sind in der Zeichnung Fig. 1 eine stark schematisierte
Darstellung der Vorrichtung selbst und Fig. 3 ein Schema zur Erläuterung des bei
der Vorrichtung zugrunde gelegten Meßprinzips.
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Wie aus den F i g. 1 und 2 zu entnehmen ist, wird bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Messung der Fläche eines Durchlasses 10 von unregelmäßigem Querschnitt
ein Annäherungsprinzip benutzt. Die zu messende Fläche wird durch eine Anzahl von
in Strichpunktlinien bei x, y und s gezeichneten Rechtecken angenähert. Die Abmessungen
dieser Rechtecke entlang zweier zueinander normaler Achsen betragen h bzw. Cl, C2..
Cn, und die gesuchte Fläche F des Durchlasses 10 berechnet sich damit zu
Erfindungsgemäß wird dieses Annäherungsverfahren durch ein geschlossenes hydraulisches
System verwirklicht, bei dem in der Wandung 11 einer ein Druckmittel enthaltenden
Meßkammer 17 eine Mehrzahl von Tastkolben P axial verschieblich geführt sind, die
mit Tastfingern 14 an einander gegenüberliegenden, sich in Längsrichtung erstreckenden
Begrenzungen des Durchlasses 10 zur Anlage kommen können. Das in Fig. 1 dargestellte
System besitzt drei Sätze von Tastkolben P, die entsprechend den seitlichen Abmessungen
Ci, C2, Cn in Fig. 2 angeordnet sind. Zur Messung der Abmessung h des Durchlasses
10 ist ein einziger Tastkolben'R mit einem Tastfinger 15 vorgesehen, der an einer
der sich seitlich erstreckenden Begrenzungen des Durchlasses 10 anliegt. Ein fester
Kontakt 16 ist in die Wandung 11 der Meßkammer 17 gegenüber dem Tastkolben R eingepreßt
und ergibt einen festen Bezugspunkt für die Ausrichtung der Vorrichtung in dem Durchlaß
10.
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In einer Anzeigekammer 18 ist mit einem Anzeigefinger 19 ein Anzeigekolben
T verschieblich geführt, und eine Leitung 20 stellt eine Strömungsverbindung zwischen
der Meßkammer 17 und der Anzeigekammer 18 her, so daß sich der Anzeigekolben T entsprechend
der algebraischen Summe der Druckmittelverdrängungen aus der Meßkammer 17 durch
Verschiebungen der Tastkolben P und R verschiebt.
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Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß dann, wenn die Querschnitte
der Kolben P und R in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen, das von dem
Verhältnis zwischen den Nennabmessungen des zu messenden Kanals 10 abhängig ist,
die Verschiebtlng des Anzeigekolbens T der Abweichung der Fläche des Durchlasses
10 von ihrem Nennwert proportional wird. In der Praxis braucht man daher lediglich
an dem Anzeigefinger 19 ein Meßgerät für Li nearverschiebungen von mechanischer
oder elekrascher Bauart anzuschließen, um unmittelbar die
Abweichung der Durchlaßfläche
von ihrem Nennwert ablesen zu können.
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Dazu muß erfindungsgemäß das Verhältnis der Querschnittsflächen eines
jeden der Kolben R zu der eines jeden der Kolben P gleich dem Verhältnis der Summe
der gemessenen seitlichen Abmessungen C zur Summe der gemessenen Längsabmessungen
h sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine einzige Längsabmessung
gemessen, so daß die erforderliche Bedingung bestimmt werden kann als
in welcher Gleichung rR den Radius eines Kolbens R und rp den Radius eines Kolbens
P bedeutet. Diese Beziehung kann wie folgt abgeleitet werden: Unter Bezugnahme auf
das Diagramm Fig.2 kann der gesamte Differentialquotient der Fläche A ausgedrückt
werden als
Der gesamte Differentialquotient der Strömungsmittelverdrängung V läßt sich schreiben
als
Wenn jetzt die Bedingung eingeführt wird, daß
dann ist die Beziehung zwischen der Abweichung in der Verdrängung und der Abweichung
in der gemessenen Fläche konstant: dV ~ r12 dA h 1 Das heißt, die Abweichung in
der Fläche ist proportional dem Volumen des in dem System verdrängten Druckmittels
und damit gegeben durch die lineare Verschiebung des Anzeigekolbens T. Dieses Ergebnis
ist nicht abhängig davon, ob eine besondere Anzahl von Tastkolben zur Messung einer
jeden Querabmessung vorhanden ist, wenn nur die zuvor aufgestellte Beziehung zwischen
den Querschnittsflächen der einzelnen Kolben und den beiden Ciruppen erfüllt. Uberdies
ist das System anwendbar auf die Messung sowohl regulärer als auch irregulärer Flächen
aller Formen, wobei lediglich eine größere Anzahl von Tastkolben notwendig werden
kann, um eine zufriedenstellend genaue Messung sehr unregelinäßiger Flächen zu erhalten.
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Bei sehr kleinen Abmessungen zu überprüfenden Fläche kann es sich
empfehlen, die an der Fläche anliegenden Tastfinger nicht unmittelbar, sondern über
gelenkige Hebelsysteme mit dem Tastkolben zu verbinden, was jedoch an dem Meßprinzip
selbst nichts ändert.