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Pneumatische Mikrometer- Messlehre Die Erfindung betrifft eine Mikrometer-
Messiehre mit zwei Kanälen, die über zwei kalibrierte, einander gleiche Öffnungen
parallel von ein und derselben Druokgasuelle versorgt werden und mit in die Atmosphäre
münd enden Austrittsöffnungen, bei der wenigstens einer der Kanäle, nämlich der
Messkanal, mit einer Austrittsöffnung versehen ist, die zum Messen des Abstandes
einer Fläche dient, während die beiden Kanäle durch eine Leitung miteinander verbunden
sind, die durch eine frei bewegliche Trennwand (Membran) abgeteilt ist, welche mit
einer Kegelspitze verbunden ist, die in einer zylindrischen, in die Atmosphäre mündenden
Austrittsöffnung des anderen der beiden Kanäle, nämlich des Steuerkanals in Achsrichtung
der Leitung beweglich ist Die bekannten Geräte dieser Art haben eng begrenzte Messbereiche,
die in vielen Anwendungsfällen nicht über ein bestimmtes
Maximum
hinaus erweitert werden können, ohne die einwandfreie Wirkungsweise des Gerätes
zu beeinträchtigen, wie im einzelnen in der Beschreibung erläutert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die pneumatischen mikrometer-Messlehren
der in Rede stehenden Art im Hinblick auf die Erweiterung ihres Messbereiches zu
verbessern, dabei aber die Bedingungen der Proportionalität der Auslenkungen der
Kegelspitze und der Veränderungen der Querschnitte der Öffnungen, sowie eines günstigen
Verbrauchs an Druckluft und einer einwandfreien Arbeitsweise zu erfüllen.
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Erfindungsgemäß weist hierzu der Messkanal gleichfalls eine zylindrische,
in die Atmosphäre mündende öffnung auf, die mit einer achsialen , beweglichen, mit
der Membran verbundenen Kegelspitze versehen ist, welche im Verhältnis zu derjenigen
des Steuerkanals entgegengesetzt angebracht ist.
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Unter diesen Voraussetzungen sind, wie gleichfalls in der Be schreibung
erläutert wird, die zu fordernden Proportionalitäts-Bedingungen erfUllt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen pneumatischen Mikrometer- Messlehre zeigen, beschrieben.
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Die Zeichnungen zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung des
gesamten Gerätes, das mit einem Stopfen zur Messung der Konizität einer Bohrung
versehen ist, Figur 2 einen Stopfen zur Messung des Achsabstandes, der in Verbindung
mit dem Gerät nach- Fig. 1 verwendbar ist, und Figur 3 eine schematische Darstellung
der Gestalt der Steuer-Öffnungen mit veränderbarem Querschnitt in größerem Maßstab.
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Die in Fig. 1 schematisch dargestellte pneumatische Mikrometer-Messlehre
weist zwei Kanäle 1,2 auf, die in Parallelschaltung von ein und derselben Druckgasquelle
3 über zwei gleiche-kalibrierte Eingangsöffnungen 4 bzw. 5 versorgt werden. Der
eine der Kanäle 1, im Beispiel als Steuerkanal bezeichnet, hat eine erste, in die
Atmosphäre mündende Austrittsöffnung 6, in der eine Kegelspitze 7 montiert ist,
die in dieser Hoffnung in achsialer Richtung beweglich ist, so daß sie den wirksamen
Querschnitt dieser Offnung verändert, und die mit einer Membran 9 fest verbunden
ist, welche dicht und sehr weich ist, derart, daß sie sich ohne Gegenkraft in einer
Dose 8 verformen kann, und dadurch in deren Innerem zwei abgeteilte Räume 8A und
dB bildet, die an die beiden Kanäle 1 bzw. 2 angeschlossen sind.
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Der andere Kanal 2, im Beispiel als Messkanal bezeichnet, ist mit
einer über eine MessdWse in die Atmosphäre mündenden Austrittsöffnung 11 versehen,
während der Steuerkanal 1 eine weitere in die Atmosphäre tRndende Austrittsöffnung
10 aufweist. Für bestimmte Anwendungsfälle hat die Austrittsöffnung 10 des Steuerkanals
1 einen konstanten Querschnitt und es wird lediglich eine einzige Messöffnung verwendet,
nämlich die Öffnung 11 des Kanals 2. In anderen Anwendungsfällen, nämlich bei Differentialmessungen,
auf die später noch einzugehen ist, sind die beiden Austrittsóffnungen 10 und 11
des Mess- und des Steuerkanals mit Öffnungen zum Messen des Abstandes einer Fläche
verbunden, Der Messkanal 2 ist übrigens im allgemeinen mit mindestens einer in die
Atmosphäre gehenden weiteren Öffnung 18 versehen. In jedem Falle wird das Messergebnis
an dem Mikrometer M abgelesen, das mit der Kegelspitze 7 verbunden ist, welche von
der Membran unter der Wirkung des differentiellen Druckes, dem sie ausgesetzt ist,
ausgelenkt wird, bevor sie ihre Gleichgewichtslage, bei der die Drücke in den beiden
Kanälen einander gleich sind, erreicht hat, d.h., die Summe der Querschnitte der
in die Atmosphäre mündenden Öffnungen ist für
die beiden Kanäle
gleich, da die beiden Eingangsdüsen 4 und 5 identisch sind.
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Es soll nun gezeigt werden, daß das Gerät für eine bestimmte Anwendung
einen begrenzten Messbereich hat, der nicht über ein gegebenes Maximum hinaus erweitert
werden kann.
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Hierzu sollen zwei Beispiele dienen, von denen sich das erste auf
die Messung der Konizität einer Bohrung, eines Gegenstandes und das zweite auf die
Messung des Achsabstandes zweier Bohrungen eines Pleuels bezieht.
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Zur Messung der Konizität der Bohrung 17 eines Gegenstandes 12 wird
ein Stopfen Tl verwendet, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, der zwei Öffnungen 13
und 14auSweist, die parallel zur Srnwand angeordnet und mit dem Steuerkanal 1 verbunden
sind, und der zwei weitere Öffnungen 15 und 16 aufweist, die parallel zur Stirnwand
angeordnet und mit dem Messkanal 2 verbunden sind.
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Die Öffnungen 13, 14, 15 und 16 sind untereinander gleich und können
durch kreisförmige Löcher vom Durchmesser d gebildet und in kleinen Abständen von
den Wandungen der zu messenden konischen Bohrung angeordnet sein. Die Öffnung 18
hat einen Querschnitt SO, der dem Ringquerschnitt der Öffnung 6 gleich ist, wenn
sich die Membran 9 in der Mitte zwischen ihren Endlagen befindet. Diese Öffnung
liegt parallel zu den Austrittsöffnungen 15 und 16 des Messkanals.
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Nun sei mit d der Durchmesser des Querschnitts der Kegelspitze 7 in
der Ebene der Öffnung 6, wenn sich die Membran 9 in ihrer Mittellage befindet, bezeichnet.
Der Halbwinkel am Ende der Kegelspitze 7 sei a und die Auslenkung der Kegelspitze
parallel zu ihrer Achse sei x (in positivem Sinne gezahlt und bei zunehmendem Ringquerschnitt
6 von der Mittellage der Membran aus gesehen). Für eine gegebene Lage der Kegelspitze,
die durch einen bestimmten Wert von x definiert ist, ist die Fläche des
Ringquerschnitts
6: So + #/4 #do2 - (do - 2xtga)2# = So + #do xtga #1- xtga/do# Mit h1 und h2 seien
die Abstände der Öffnungen 13 und 14 von den Wandungen 17 und mit h1' und h2 die
Abstände der Öffnungen 15 und 16 von den Wandungen 17 bezeichnet. Wenn die Membran
im Gleichgewicht ist, sind die Geeamtquerschnitte der Austrittsöffnungen der beiden
Zweige gleich und es ergibt sicht xtga So + # doxtga # 1-# + #d(h1 + h2) = #d(h'1=h'2)
+So do Das heißt: xtga doxtga #1 - # = d [(h'1+h'2) - (h1+h2)] do Wird der Durchmesser
der konischen Bohrung 17 in Höhe der Öffnungen 13 und 14 mit D und der Durchmesser
der konischen Bohrung 17 in Höhe der Öffnungen 15 und 16 mit D' bezeichnet, so ist
leicht ersichtlich, daßt (h'1+h'2) - (h1+h2) = D' -D + D1-D'1 wird, wobei D1 und
D1' die Durchmesser des Mess- Stopfens Ti in Höhe der Öffnungen 13 und 14 einerseits
und 15 und 16 andererseits sind.
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Daraus folgt : x#1-xtga/do#= d/dotga (D' -D + D1 -D'1) Dieser Ausdruck
gestattet die Feststellung, daß die Auslenkung der Kegelspitze 7 nur dann den Veränderungen
von (D'-D) proportional ist, wenn die Bedingung x.tga, gegenüber eins verd
nachlässigbar
klein ist.
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Nun sind aber die zeitweiligen Verformungen der Membran aus ihrer
Mittellage heraus zwangsläufig begrenzt, denn in dieser Membran dürfen keine Spannungen
entstehen, da sie in jeder Lage geschmeidig und biegsam sein muß. Daher sind die
Werte für x begrenzt auf + xo, wobei 1o die Hälfte der zulässigen Auslenkung der
Membran ist. In den so definierten Grenzen für x muß, so-fern x den Veränderungen
(D'-D) mit einer Annäherung proportional sein soll, die einen maximalen relativen
Fehler von z.B 1/100 ergibt, xo.tg a 1/100 sein.
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do Somit ist für gegebene Werte von 1o und do der maximale Wert a,
bei dem tg aO = d0 x gegeben und wenn dieser Maximalwert des Winkels a der Kegelspitze
angenommen wird, ist die Amplitude der messbaren Veränderungen von (D'-D), die mit
"Mess-2 bereich" bezeichnet wird, # do 1OO.d Damit ist aber für einen vorgegebenen
Anwendungsfall der minimale Wert für d gegeben und auch der maximale Wert für do,
und folglich ist auch der maximale Wert für den Messbereich fest gelegt.
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Tatsächlich dürfen die Werte für h1, h2, h1', h2' den Wert d/10 nicht
überschreiten, damit der Durchsatz einer Öffnung dem Abstand von der ihr gegenüberliegenden
Fläche proportional ist; diese Bedingung ist unerlässlich, wenn das Mass-(D'-D)
nicht von der Lage der konischen Bohrung 17 im Messorgang abhängen soll. Der minimale
Wert von d ist also gleich dem zehnfachen der Toleranz der Durchmesser D und D'.
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Wenn der Durchmesser d so gewählt ist und die Werte für h1, h2, h1',
h2' durch die Toleranender Durchmesser D und Dt gegeben sind, verändert sich der
Gesamtaustrittsquerschnitt der
Öffnungen 13 und 14 einerseits und
der Öffnungen 15 und 16 andererseits des Messorgans in definierten Grenzen. Zur
Erzielung des geringetmöglichen Verbrauchs des Gerätes an Druckluft muß sich der
Ringquerschnitt der Öffnung 6 in den gleichen Grenzen verändern. Nun ist aber dieser
Querschnitt praktisch gleich dem Produkt aus der Länge des Kreisumfangs mit dem
Durchmesser d und dem Abstand e der Ränder der Ringöffnung 6 an der Oberfläche der
Kegelspitze 7, und dieser Abstand darf nicht kleiner sein als etwa 10 Mikron, damit
der Durchsatz der Ringöffnung proportional der Auslenkung x der Kegelspitze ist,
so daß der maximale Wert für d vorgegeben und gleich dem Quotienten des minimalen
Querschnitts der Ringöffnung geteilt durch den zulässigen minimalen Wert für re.
ist.
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Nun soll der Fall der Messung eines Achsabstandes betrachtet werden.
Das Meßorgan ist in Fig. 2 dargestellt. Es geht darum, den Abstand 1 zwischen den
parallelen Achsen zweier Bohrungen 19 und 20 eines Pleuels 12A zu bestimmen. Hierzu
werden zwei Stopfen 21 und 22 verwendet, die fest miteinander verbunden sind und
deren parallele Achsen den Abstand 10 voneinander haben, wobei dieser Abstand nur
wenig von 1 verschieden ist.
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DieStopfen 21 und 22 treten in die Bohrungen 19 bzw. 20 ein und besitzen
jeweils zwei lessöffnungen 23, 24 für den Stopfen 21 und 25, 26 für den Stopfen
22. Die Öffnungen 23 und 26 sind parallel angeordnet und über die Leitung 10 mit
dem Steuerkanal 1 verbunden und die Öffnungen 24 und 25 sind parallel angeordnet
und über die Leitung 11 mit dem Meßkanal 2 der Lehre verbunden.
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Bezeichnet man mit h1 und h2 die Abstände der Öffnungen 24 und 25
von den Wandungen der Bohrungen 19 bzw. 20 und ist h1' und h2t die Abatände der
Öffnungen 23 und 26 von den Wandungen dieser Bohrungen 19 und 20, so ist leicht
ersichtlich, daß (ht1+h12) - (h1+h2) = 2 (1-10)
oder, wenn die Meßwerte
für die Konizität eingesetzt werden: (ht1+h'2) - (h1+h2) xtle;ado d Es zeigt sich
also, daß mit derselben Lehre der Messbereich für die Veränderungen von 1 gleich
ist der Hälfte des Messbereiches für die Konizität.
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Die beiden Beispiele zeigen, daß der maximale Messbereich für eine
bestimmte Anwendung vorgegeben ist. Zum Beispiel ist für do = 3mm und d = 2mm der
Messbereich- 45 Mikron im Falle einer Konizitätsmessung und - 22,5 Mikron im Falle
der Messung eines Achsabstandes.
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Diese Meesbereiche sind oft für bestimmte Anwendungsfälle nicht ausreichend
und das Ziel der Erfindung ist es, sie zu erweitern, und dabei die Bedingungen in
Bezug auf die Proportionalität, den geringen Druckluftverbrauch und das einwandfreie
Arbeiten der Lehre zu erfüllen.
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Hierzu wird der Messkanal 2 mit einer veränderbaren, in die Atmosphäre
mündenden Öffnung versehen, die genau die gleichen Eigenschaften aufweist wie die
Steueröffnung 6 des Steuerkanals 1, deren Querschnittsveränderungen aber denen der
letztgenannten Öffnung 6 entgegengerichtet sind, d.h. daß in der Ringöffnung 18
z.B. eine bewegliche Kegelspitze 7A gleichfalls mit der Membran 9 verbunden, jedoch
in entgegengesetztem Sinne wie die Kegelspitze 7 gerichtet ist. Im allgemeinen ist
die Kegelspitze 7 der Wirkung einer schwachen Rückholfeder unterworfen, so daß die
Kegelspitze 7A mit einer identischen Rückholfeder zu versehen ist.
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Unter diesen Bedingungen gilt, wenn gemäß Fig. 3 mit do der mittlere
Durchmesser der Kegelapitze 7 bezeichnet wird, d.h.
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also der Durchmesser ihres Querschnitts in Höhe der Öffnung 6, wenn
sie in ihrer Mittellage steht, mit d1 der Durchmesser der Offnung 6, mit a der Halbwinkel
am Kopf der konischen
Oberfläche der Kegelspitze, mit x eine beliebige
Auslenkung der Kegelspitze, mit Sm die Summe der Querschnitte der Austrittsöffnungen
des Steuerkanals mit Ausnahme der Öffnung 6, und mit Sm' die Summe der Querschnitte
der Austrittsöffnungen des Meßkanals 2 mit Ausnahme der Öffnung 18, daß bei Gleichgewicht
nach einer gleichzeitigen Auslenkung der beiden Kegelspitzen um die Strecke x die
Summe der Querschnitte der Austrittsöffnungen der beiden Kanäle die gleiche ist,
das heißt also: ir |d12-(do -2xtga)2| + Sm = 4 |d12-(do +2xtga)2|+Sm' und damit
: Sm - 5m = 2#doxtg a.
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Es zeigt sich aso, daß die Differenz der Querschnitte der Öffnungen
infolge einer Veränderung der zu messenden Kote der Strecke der gemeinsamen Auslenkung
x der beiden Kegelspitzen 7 und 7A proportional ist, wie auch die Konizität der
beiden Spitzen sei, vorausgesetzt, daß sie einander gleich sind. Hieraus ergibt
sich, daß der Messbereich nur noch von der gewünschten Empfindlichkeit der Meßlehre
begrenzt ist, also von der Empfindlichkeit, die sich gerade im umgekehrten Sinne
wie der Messbereich ändert