Kraftmessdose
Die Erfindung betrifft eine Kraftmessdose, bestehend aus einer kreis symmetrischen Platte mit zentraler Krafteinleitung und starrer Abstützung am Plattenrand.
Zur Messung einer Kraft nützt man allgemein die Tatsache aus, dass ein Messglied mit bekannten mechanischen Eigenschaften unter der Wirkung einer Kraft eine entsprechende Verformung erleidet. Bei bekannten Kraftmessdosen wird diese Verformung durch Messung des Verformungsweges oder der durch sie entstandenen Dehnung bzw. Stauchung ermittelt. Bei den wegen vieler Vorteile häufig vorgezogenen elektrischen Krafimessdosen werden induktive, kapazitive, Ohmsche oder dergleichen Weg oder Dehnungsmesselemente verwendet.
Bei wegmessenden. Kraftmessdosen ist es bereits bekannt, die Kraft auf eine an ihrem Rand starr abgestützte, elastische Platte einwirken zu lassen und sodann die Auslenkung zufolge der Kraft zu messen.
Bei bekannten, auf der Basis einer Dehnungsmessung wirkenden Kraftmessdosen wird ein zylinderförmiges Messglied, auf dem in axialer Richtung und senkrecht dazu Dehnungsmesselemente angebracht sind, der Kraft unterworfen oder ein ringförmiges Messglied, das an seinem Umfang diametral angeordnete Dehnungsmesselemente trägt, senkrecht zur Verbindungslinie der Dehnungsmesselemente der Kraft unterworfen.
Während den wegmessenden Kraftmessdosen Grenzen durch die erreichbare Genauigkeit der Wegmessung gezogen sind, ist es bei den bekannten dehnungsmessenden Kraftmessdosen als nachteilig zu bezeichnen, dass sie eine relativ grosse Bauhöhe besitzen und einer besonders sorgfältigen Bearbeitung und Justage bedürfen. Bei Kraftmessdosen mit zylinderförmigen Messgliedern tritt zufolge der in axialer Richtung wirkenden Kraft in Achsrichtung eine negative Dehnung (Stauchung) vom Betrag - und quer dazu eine positive Dehnung von etwa + 0,3 e auf. Sieht man vier Dehnungsmesselemente vor, z.
B. vier Dehnungsmessstreifen in einer Wheatstoneschen Brücke, zwei in Achsrichtung und zwei quer dazu, so ergibt sich eine Gesamtverstimmung entsprechend 2,6 e. Bei Kraftmessdosen mit ringförmigem Messglied unterliegen die Messelemente sowohl Biege-als auch Zug- bzw. Druckbeanspruchungen. Bei zwei auf der Aussenseite und zwei auf der Innenseite des Ringes angeordneten Messelementen erfahren die auf der Aussenseite angeordneten bei Messung einer Zugkraft als Folge der Biegung eine negative Dehnung und die auf der Innenseite angeordneten eine positive Dehnung. Wegen der Ringform des Messgliedes ändert sich die Dehnung längs der Messelemente.
Den Biegedehnungen überlagert sich bei allen vier Messelementen eine reine Zugdehnung in der Grössenordnung von 5 bis 20 % der Biegedehnung. Bei vier Messelementen ist daher die Gesamtdehnung erfahrungsgemäss etwa 3 bis 3,5 ±.
Die Erfindung ermöglicht, eine bezüglich ihrer Herstellung und Handhabung einfache Kraftmessdose geringer Bauhöhe mit guten Messeigenschaften zu schaffen.
Die erfindungsgemässe Kraftmessdose, bestehend aus einer kreissymmetrischen Platte mit zentraler Krafteinleitung und starrer Abstützung am Platte rand, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Platte als Funktion des Plattenradius so bemessen ist, dass über einem Abschnitt des in zwei Abschnitte aufgeteilten Plattenradius eine radiale Dehnung und über dem andern Abschnitt eine radiale Stauchung auftritt, wobei die Beträge der Dehnung und der Stauchung über die radiale Erstreckung der Platte im wesentlichen konstant und einander mindestens angenähert gleich sind.
Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Erfindung an Hand zweckmässiger Ausführungsformen.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine der Druckkraftmessung dienende mit Dehnungsmesselementen versehene Messdose, Fig. 2 ein Schaubild : für den Dehnungsverlauf über der radialen Erstreckung der Kraftmessdose nach Fig. 1,
Fig. 3 und 4 austauschbare Einzelteile der Kraftmessdose für verschiedene Messzwecke,
Fig. 5 eine Variation der erfindungsgemässen Kraftmessdose mit einem wegmessenden Element.
Die Kraftmessdose nach Fig. 1 besitzt eine kreissymmetrische Platte 1, die am Rande in ein starres ringförmiges Teil 2 übergeht. Hierdurch wird erreicht, dass sich die Platte 1 so verhält, als wenn sie eingespannt wäre. In ihrem Zentrum besitzt die Platte 1 einen Zapfen 3, über den die zu messende Kraft P eingeleitet wird. Der durch die Platte 1 und den Ring 2 umschlossene Raum 4 wird durch einen Deckel 5 abgeschlossen. Die Befestiungsschrauben 6 des Deckels 5 sind ballig ausgebildet und so angeordnet, dass sie gleichzeitig der Abstützung der Kraftmessdose auf ein Widerlager dienen. Hierzu sind drei gegeneinander um 1200 versetzte Befestigungsschrauben 6 vorgesehen.
Die Platte 1 ist in verschiedenen radialen Abständen vom Mittelpunkt von unterschiedlicher Dicke. Die Bemessung ist hierbei so vorgenommen, dass - wie Kurve a in Fig. 2 für eine Plattenhälfte zeigt - die Dehnung in Abhängigkeit vom Plattenradius einen rechteckförmigen Verlauf besitzt. Vom Zapfen 3 in radialer Richtung gesehen, tritt zunächst bei der in Fig. 1 eingezeichneten Kraftrichtung P an der Plattenunterseite eine positive Dehnung konstanten Betrages auf, die bei einer Stelle geringster Plattendicke bei einem bestimmten Radius sprungartig in eine negative Dehnung vom gleichen Betrag übergeht. Der Dehnungsverlauf bei einer Platte konstanter Dicke ist zum Vergleich durch die Kurve b dargestellt.
Im Gegensatz zu einer Platte konstanter Dicke, wie sie bisher bei einigen wegmessenden Kraftmessdosen verwendet wird, sind bei der erfindungsgemä ssen Kraftmessdose Flächen konstanter Dehnung von einer zur Anbringung von Messelementen genügen den Grösse vorhanden. In Fig. 1 sind diese Messelemente mit 7, 8, 9 und 10 bezeichnet. Sie erfahren unter der Kraft P über ihre ganze Messlänge eine dem Betrag nach gleich grosse Dehnung e, die für die Elemente 7 und 10 negativ und für die Elemente 8 und 9 positiv ist. Bei an sich bekannter Zusammenschaltung der Messelemente zu einer Wheatstoneschen Messbrücke ist damit die Verstimmung der Brücke zufolge der Kraft 9 für eine vorgegebene grösste Dehnung E zwischen Ring 2 und Zapfen 3 die maximal mögliche, nämlich entsprechend 4E.
Damit besitzt die erfindungsgemässe Kraftmessdose maximale Empfindlichkeit.
Der Abschluss des Raumes 4 mittels des Deckels 5 dient zum Schutz der Messelemente. Bei Luftdruckschwankungen entsteht leicht zwischen dem Raum 4 und der Umgebung eine Druckdifferenz, die - ebenso wie die Kraft P - eine Dehnung der Platte 1 hervorruft und hierdurch eine entsprechende Kraft vortäuscht. Um dies zu vermeiden, befindet sich im Deckel 5 eine Membran 11, die vom eigentlichen Innenraum 4 einen Raum 12 abtrennt, der über eine Öffnung 13 mit der Umgebung in Verbindung steht. Bei Druckdifferenzen zwischen den Räumen 4 und 12 wölbt sich die Membran 11 entsprechend und bewirkt so einen Druckausgleich.
Anstelle einer Membran können andere zu diesem Zweck geeignete Mittel, beispielsweise ein Faltenbalg, verwendet werden.
Falls ein derartiger Druckausgleich für bestimmte Messzwecke nicht erforderlich ist, kann ein einfacher Deckel vorgesehen sein, wie er in Fig. 3 dargestellt und mit 5a bezeichnet ist. Zusätzlich kann dieser oder ein andersartig gestalteter Deckel mit einem Anschlag zur Begrenzung der Auslenkung der Platte 1 versehen sein. Beim Deckel 5a ist ein derartiger Anschlag 5b vorgesehen
Um mit der erfindungsgemässen Kraftmessdose auch Zugkräfte messen zu können, sind entsprechende Krafteinleitungselemente vorzusehen. In Fig. 4 ist eine Variation des Deckels 5 für diesen Zweck dargestellt. Dieser Deckel 5c besitzt einen Zapfen 5d zur Einleitung der Zugkraft P. Bei Verwendung dieses Deckels bei der Kraftmessdose nach Fig. 1 wirkt die dort eingezeichnete Kraft P selbstverständlich in umgekehrter Richtung.
Im Bedarfsfall ist es weiterhin auch möglich, die erfindungsgemässe Kraftmessdose mit wegmessenden Elementen zu bestücken. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt. Hier ist, bei sonst gleicher Ausbildung der Dosen, am Deckel 5 ein auf induktiver Basis arbeitendes Element 14, das mit einem Fühler 15 die Auslenkung der Platte 1 abtastet, angebracht. Eine analoge Verwendung weg messender Elemente anderen Arbeitsprinzips ist selbstverständlich möglich.
Der Einfluss exzentrischer Krafteinleitungen auf das Messergebnis ist bei der erfindungsgemässen Kraftmessdöse sehr gering, da wegen der radialen Symmetrie eine gegebenenfalls grössere Dehnung eines der Messelemente durch eine entsprechende kleinere Dehnung des zugehörigen, symmetrisch zum Zapfen 3 liegenden anderen Messelementes ausgeglichen wird.
Der Einfluss einer Querkraft Q, die eventuell am Zapfen 1 senkrecht zur Achse angreift, ist ebenfalls gering, da sie wegen der geringen Höhe des Zapfens 3 entsprechend einem kleinen Hebelarm Uim wesentlichen nur eine wegen des grossen Platten querschnittes geringe Beanspruchung der Plattenebene hervorruft, während eine gleich grosse Kraft P in Achsrichtung eine sehr viel grössere Biegebeanspruchung bewirkt.
Load cell
The invention relates to a load cell consisting of a circularly symmetrical plate with a central introduction of force and rigid support on the edge of the plate.
To measure a force, one generally uses the fact that a measuring element with known mechanical properties undergoes a corresponding deformation under the action of a force. In known load cells, this deformation is determined by measuring the deformation path or the elongation or compression caused by it. In the case of the electrical load cells, which are often preferred because of their many advantages, inductive, capacitive, ohmic or the like path or strain measuring elements are used.
With distance measuring. It is already known for load cells to have the force act on an elastic plate rigidly supported at its edge and then to measure the deflection due to the force.
In known load cells that act on the basis of a strain measurement, a cylindrical measuring element, on which strain gauges are attached in the axial direction and perpendicular to it, is subjected to the force, or an annular measuring element, which has diametrically arranged strain gauges on its circumference, is perpendicular to the connecting line of the strain gauges Subject to force.
While the distance measuring load cells are limited by the achievable accuracy of the distance measurement, the known strain measuring load cells are disadvantageous in that they have a relatively large overall height and require particularly careful processing and adjustment. In the case of load cells with cylindrical measuring elements, the force acting in the axial direction results in a negative elongation (compression) in the axial direction of the amount - and a positive elongation of about +0.3 e across it. If one sees four strain gauges, z.
B. four strain gauges in a Wheatstone bridge, two in the axial direction and two across it, the result is a total misunderstanding corresponding to 2.6 e. In the case of load cells with an annular measuring element, the measuring elements are subject to both bending and tensile or compressive loads. With two measuring elements arranged on the outside and two on the inside of the ring, those arranged on the outside experience a negative expansion as a result of the bending when a tensile force is measured and those arranged on the inside experience a positive expansion. Because of the ring shape of the measuring element, the elongation changes along the measuring elements.
The bending strain is superimposed on all four measuring elements by a pure tensile strain in the order of magnitude of 5 to 20% of the bending strain. With four measuring elements, experience shows that the total expansion is around 3 to 3.5 ±.
The invention makes it possible to create a load cell that is simple in terms of its manufacture and handling and has a low overall height and good measuring properties.
The load cell according to the invention, consisting of a circularly symmetrical plate with central application of force and rigid support on the edge of the plate, is characterized in that the thickness of the plate is dimensioned as a function of the plate radius so that over a section of the plate radius divided into two sections a radial expansion and A radial compression occurs over the other section, the amounts of expansion and compression being essentially constant and at least approximately equal to one another over the radial extent of the plate.
The drawings serve to explain the invention on the basis of useful embodiments.
It shows in a schematic representation:
1 shows a cross-section through a load cell provided with strain measuring elements and used for compressive force measurement, FIG. 2 shows a diagram: for the strain profile over the radial extent of the load cell according to FIG. 1,
3 and 4 interchangeable individual parts of the load cell for various measuring purposes,
5 shows a variation of the load cell according to the invention with a displacement-measuring element.
The load cell according to FIG. 1 has a circularly symmetrical plate 1 which merges into a rigid annular part 2 at the edge. This ensures that the plate 1 behaves as if it were clamped. In its center, the plate 1 has a pin 3 through which the force P to be measured is introduced. The space 4 enclosed by the plate 1 and the ring 2 is closed by a cover 5. The fastening screws 6 of the cover 5 are convex and are arranged in such a way that they simultaneously serve to support the load cell on an abutment. For this purpose, three fastening screws 6 offset from one another by 1200 are provided.
The plate 1 is of different thickness at different radial distances from the center. The dimensioning is carried out in such a way that - as curve a in FIG. 2 shows for one plate half - the expansion has a rectangular profile as a function of the plate radius. Seen from the pin 3 in the radial direction, initially with the force direction P shown in FIG. The expansion curve for a plate of constant thickness is shown for comparison by curve b.
In contrast to a plate of constant thickness, as has previously been used in some displacement-measuring load cells, the load cell according to the invention has surfaces of constant expansion of a size sufficient for attaching measuring elements. In FIG. 1, these measuring elements are designated by 7, 8, 9 and 10. Under the force P over their entire measuring length, they experience an elongation e of equal magnitude, which is negative for elements 7 and 10 and positive for elements 8 and 9. In the known interconnection of the measuring elements to form a Wheatstone measuring bridge, the detuning of the bridge due to the force 9 is the maximum possible for a given greatest expansion E between ring 2 and pin 3, namely according to FIG. 4E.
The load cell according to the invention thus has maximum sensitivity.
The closure of the space 4 by means of the cover 5 serves to protect the measuring elements. In the case of air pressure fluctuations, a pressure difference easily arises between the space 4 and the environment, which - like the force P - causes the plate 1 to expand and thereby simulates a corresponding force. In order to avoid this, there is a membrane 11 in the cover 5, which separates a space 12 from the actual interior space 4, which is connected to the surroundings via an opening 13. If there are pressure differences between the spaces 4 and 12, the membrane 11 bulges accordingly and thus effects a pressure equalization.
Instead of a membrane, other means suitable for this purpose, for example a bellows, can be used.
If such a pressure equalization is not necessary for certain measuring purposes, a simple cover can be provided, as shown in FIG. 3 and denoted by 5a. In addition, this or a differently designed cover can be provided with a stop to limit the deflection of the plate 1. Such a stop 5b is provided for the cover 5a
In order to be able to measure tensile forces with the load cell according to the invention, appropriate force introduction elements are to be provided. In Fig. 4 a variation of the cover 5 is shown for this purpose. This cover 5c has a pin 5d for introducing the tensile force P. When this cover is used in the load cell according to FIG. 1, the force P drawn there naturally acts in the opposite direction.
If necessary, it is also possible to equip the load cell according to the invention with displacement-measuring elements. Such an embodiment is shown in FIG. Here, with otherwise the same design of the cans, an element 14 working on an inductive basis is attached to the cover 5, which element scans the deflection of the plate 1 with a sensor 15. An analogous use of distance measuring elements with different working principles is of course possible.
The influence of eccentric force introductions on the measurement result is very small with the load cell according to the invention, since, due to the radial symmetry, a possibly greater expansion of one of the measuring elements is compensated for by a corresponding smaller expansion of the associated other measuring element, which is symmetrical to pin 3.
The influence of a transverse force Q, which may act on the pin 1 perpendicular to the axis, is also small because, due to the low height of the pin 3, corresponding to a small lever arm U, it essentially only causes low stress on the plate plane due to the large plate cross-section, while a the same force P in the axial direction causes a much greater bending stress.