BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Messelement für eine Massen- oder Kraftmessvorrichtung, mit zwei gegenseitigen Abstand aufweisen- den, parallelen Federkörpern, die an ihrer Oberfläche jeweils wenigstens einen Dehnungsmessstreifen tragen, mit wenigstens einem Verbindungssteg, der mit jeweils einem Ende der Federkörper fest verbunden ist, mit einem Krafteinleitteil und mit einem zur Befestigung des Messelements an einer festen Fläche dienenden Verbindungsteil.
Ein solches Messelement, das auch als Kraftsonde bezeichnet werden kann, ist ein Wandler, der eine Komponente eines Kraftvektors in ein elektrisches Signal verwandelt. Die Messung ist indirekt, d.h. die Verformung der Federkörper wird erfasst und in das elektrische Signal umgewandelt. Dieses elektrische Signal kann entweder direkt ausgewertet (z.B. angezeigt) werden, oder das Messelement kann als Nullkraftdetektor in einem Kompensationsmesssystem eingesetzt werden. Zum Messen der Verformung der Federkörper dienen an deren Oberflächen vorgesehene Dehnungsmessstreifen (DMS) oder DMS-Widerstände, deren Widerstandswert sich mit der Verformung (Dehnung oder Stauchung, je nach Vorzeichen) ändert.
Eine Massenmessvorrichtung, in der ein solches Messelement einsetzbar ist, ist eine Waage. Durch die Gravitation, die auf der Erdoberfläche nahezu konstant ist, wirkt aufjede Masse eine Kraft in Richtung Erdmittelpunkt. In einer Kraftmessvorrichtung lässt sich mit dem Messelement diese Kraft erfassen.
Die DMS-Widerstände aus Metall oder Halbleitermaterial ändern ihren Widerstandswert unter dem Einfluss der Verformung, und zwar einerseits, weil sich der spezifische Widerstand ändert, und andererseits, weil sich die Länge und der Querschnitt des verformten Materials ändern. Leider liegen die dabei erzielbaren Widerstandsänderungen in der gleichen Grössenordnung wie die Widerstandsänderungen durch Temperatureinfluss.
Zum möglichst genauen Messen sollten die DMS-Wider- stände stark verformt werden. Die Grenze wird dann erreicht, wenn das Material der Federkörper, welche diese DMS-Widerstände tragen, plastisch verformt wird, weil dann kein eindeutiger Zusammenhang zwischen zu messender Kraft und Oberflächendehnung mehr besteht. Praktische Werte der Dehngrenze von Federstahl oder Cu-Be-Bronze für solche Messelemente sind ca.
0,1% Dehnung. Handelsübliche DMS-Widerstände weisen bei 0,1% Dehnung eine typische Widerstandsänderung von 0,2% auf.
Wollte man ein Messelement mit einer Genauigkeit von 0,1% bauen, müsste man den Widerstandswert eines einzelnen DMS Widerstands mit einer absoluten Genauigkeit von 0,2% x 0,1% = 2 ppm messen. Eine solche Messung ist auch in einem Labor bei konstanter Umgebungstemperatur sehr schwierig durchführbar und unter schlechteren Bedingungen praktisch unmöglich.
Daher werden bei solchen Messelementen immer zwei, vier oder mehr als vier DMS-Widerstände gleichzeitig eingesetzt. Diese können zu Halbbrücken oder Vollbrücken zusammengeschaltet werden. Je nach Messmethode werden dann Wlderstandsdifferen- zen oder Widerstandsverhältnisse gemessen, also relative Messungen durchgeführt. Darüber hinaus hat der Einsatz von mehreren DMS-Widerständen noch weitere Vorteile, nämlich Kompensation von Temperatureinflüssen; Kompensation von Alterungseffekten; Verringerung der Empfindlichkeit für Kraftkomponenten oder Momente, die nicht gemessen werden sollen; die Lage des Krafteinleitpunktes braucht nicht exakt zu sein; und Linearisierung der Kennlinie des Messelements. Alle diese Vorteile werden allerdings nur bei entsprechend geschicktem Aufbau des Messelements erzielt.
Ein Messelement der eingangs genannten Art ist bekannt (Firmenprospekt HBM Plattform-Wägezellen PW der Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, D-6100 Darmstadt 1, Datenblatt D 21.29.0, vw-d 12.88-15.0 SD, aus dem Jahre 1988).
Die Fig. la und 1b zeigen das bekannte Messelement in einer Prinzip- bzw. Querschnittdarstellung. Im Prinzip besteht das Messelement aus zwei Federkörpern 10, 12 in Form von zwei parallelen Balken, die an ihrem rechten Ende jeweils mit einem Verbindungssteg 14 fest verbunden sind, der zugleich als Verbindungsteil zur Befestigung des Messelements auf einer festen Fläche 16 dient. Die anderen beiden Enden (in Fig. la links) der beiden Federkörper 10, 12 sind jeweils mit einem Krafteinleitteil 18 fest verbunden, auf welches, wie dargestellt, die zu erfassende Kraft F einwirkt. Die beiden zur Zeichenebene senkrechten Ebenen, welche die Federkörper 10, 12 enthalten, sind rechtwinkelig zur Richtung der Krafteinleitung angeordnet. Die Querschnittansicht in Fig.
Ib zeigt die praktische Ausführung des Messelements, das aus einem Kupferberylliumblock herausgefräst worden ist und durch angeschraubte Montageteile über seinen Verbindungssteg 14 mit einer Grundplatte 20 bzw. über sein Krafteinleitteil 18 mit einer Wägeplattform 22 verbunden ist. Bei einer solchen Messzelle sind weitere mechanische Einbauteile wie Lenkersysteme zum Abfangen von Seitenlasten sowie Hebelwerke und Lagerungen für die Kraftübertragung überflüssig. Daher zeigt Fig. 1b praktisch eine vollständige Waage, die mit dem Messelement ausgerüstet ist. Die Dehnungsmessstreifen-Schaltung 24 ist in Laminiertechnik aufgebaut. Die komplette DMS-Schaltung einschliesslich der Leiterbahnen und der Abgleichelemente ist bei dem bekannten Messelement in Form von zwei Halbbrücken laminiert.
Die schematisch angedeuteten Dehnungsmessstreifen sind mit 26 und 28 bezeichnet.
Das Konstruktionsprinzip dieses bekannten Messelements hat sich für Kräfte von einigen 10 N bis zu einigen 10 000 N bewährt. Für kleine Kräfte ist dieses Prinzip nicht besonders geeignet, denn: - es müssen zwei Federkörper gleichzeitig gebogen werden, so dass also die zu messende Kraft auf zwei Federkörper aufgeteilt wird; - die Federkonstante ist klein, weshalb das Messelement lange Einschwingzeiten aufweist; - die Empfindlichkeit hat eine grosse Streuung, weil sie von der Plazierung der Dehnungsmessstreifen abhängig ist; und - die Elastizitätsgrenze des Materials, aus dem die Federkörper bestehen, wird schlecht genutzt, da einzelne Zonen die maximale Dehnungsgrenze erreichen, wenn andere noch gar nicht gedehnt sind.
Diesen Nachteilen steht allerdings der Vorteil gegenüber, dass das Messelement aus einem einzigen Materialblock hergestellt werden kann. Dieser Vorteil kann aber nicht den Nachteil aufwiegen, dass dieses Konstruktionsprinzip für kleine Kräfte nicht besonders geeignet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messelement der eingangs genannten Art so auszubilden, dass es zur Messung kleiner Massen oder Kräfte besonders gut geeignet ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass bei einem Messelement der eingangs genannten Art die Federkörper bandförmige Federn sind, dass der eine Federkörper an seinem anderen Ende nur mit dem Krafteinleitteil und der andere Federkörper an seinem anderen Ende nur mit dem Verbindungsteil verbunden ist und dass die beiden Ebenen, welche die bandförmigen Federn enthalten, parallel zur Richtung der Krafteinleitung angeordnet sind.
Bei dem Messelement nach der Erfindung sind nur die einen Enden der Federkörper durch den Verbindungssteg miteinander verbunden, wogegen am anderen Ende des einen Federkörpers, das nur mit dem Krafteinleitteil verbunden ist, die zu messende Kraft eingeleitet und am anderen Ende des anderen Federkörpers, das nur mit dem Verbindungsteil verbunden ist, die Reaktionskraft eingeleitet wird. Da die beiden Ebenen, welche die band förmigen Federn enthalten, die an ihren anderen Enden im Gegensatz zum Stand der Technik nicht miteinander verbunden sind, parallel zur Richtung der Krafteinleitung angeordnet sind, sind die Richtung, in der das Messelement die zu messende Kraft erfasst, und die Richtungen, in der die Dehnungsmessstreifen die Dehnung der Federkörper erfassen, alle parallel zueinander.
Dadurch ergeben sich folgende besondere Vorteile: - In den bandförmigen Federkörpern ist das Biegemoment konstant. Dadurch ist auch die Oberflächendehnung konstant, und die Empfindlichkeit der Dehnungsmessstreifen hängt nicht mehr von deren genauer Plazierung ab.
- Die Federkörper können bei dem Messelement nach der Erfindung theoretisch beliebig klein gemacht werden. Die Grenze ist durch die kleinsten Dehnungsmessstreifen gegeben, die eingesetzt werden können. Je kürzer die Federkörper sind, desto höher wird die Federkonstante und desto kleiner wird die Einschwingzeit des Messelements, was bei Waagen besonders vorteilhaft ist.
Je kürzer die Federkörper sind, um so besser ist auch die Linearität des Messelements.
- Die Federkörper mit den applizierten Dehnungsmessstreifen können vor dem Zusammenbau des Messelements nach den Kriterien Widerstandswert, Temperaturdrift des Widerstandswertes, Empfindlichkeit und Temperaturdrift der Empfindlichkeit selektioniert werden. Je identischer die beiden Federkörper mit den Dehnungsmessstreifen sind, desto besser ist das Messelement. Bei dem bekannten Messelement kann nicht selektioniert werden, vielmehr muss ein solches Messelement zeitaufwendig abgeglichen werden.
- Die Federkörper, der Verbindungssteg, das Verbindungsteil und das Krafteinleitteil können mehr oder weniger unabhängig voneinander auf optimale Eigenschaften ausgelesen und dimensioniert werden, da das Messelement nach der Erfindung aus verschiedenen Materialien gefertigt werden kann. Das Messelement lässt sich daher für den vorgesehenen Messzweck besser massschneidern, weil weniger Kompromisse gemacht werden müssen.
- Die Federkörper können einfach durch Ablängen von Bändern hergestellt werden. Dadurch erhält man eine hohe Gleichförmigkeit der die Empfindlichkeit beeinflussenden Dimensionen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ermöglichen die parallel angeordneten, identisch ausgebildeten Federn, aus denen jeder Federkörper besteht, eine sehr breite Fläche zum Einleiten der Kraft.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ist das Messelement kompakter als in der Ausgestaltung nach Anspruch 4, es gibt aber Fälle, in denen die Kompaktheit weniger wichtig ist als eine möglichst günstig gelegene Stelle zur Krafteinleitung.
In der Ausgestaltung nach Anspruch 6 eignet sich das Messelement besonders gut zur Verwendung in einer Massenmessvorrichtung oder Waage.
Das Messelement nach der Erfindung mit seinen bandförmigen Federn mit Dehnungsmessstreifen und den verschiedenen übrigen Teilen ist ein kinematisches System mit zwei Freiheitsgraden und zwei Momentaufnehmern (die beiden bandförmigen Federn mit den Dehnungsmessstreifen), das möglichst steif ausgebildet sein soll (eine hohe Resonanzfrequenz ergibt ein schnelles mechanisches Einschwingen), das gleichzeitig unempfindlich auf unerwünschte Einflüsse (Temperatur, Verschiebung der Masse oder Kraft) reagiert und wirtschaftlich herstellbar ist und sich wegen des verhältnismässig schnellen Einschwingens für geringe Kräfte oder Massen besonders eignet. In einigen Fällen kann allerdings eine geringere Steifigkeit weniger vorteilhaft als ein besonders gutes Dämpfungsvermögen sein.
In diesem Fall bietet die Ausgestaltung nach Anspruch 9 die Möglichkeit, durch entsprechende Materialwahl des Krafteinleitteils, des Verbindungsteils und/oder des Verbindungssteges das Dämpfungsvermögen des Messelements masszuschneidern.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen
Fig. la und lb in einer Prinzip- bzw. Querschnittdarstellung das eingangs bereits erläuterte bekannte Messelement,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform des Messelements nach der Erfindung mit zwei Federkörpern,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des Messelements nach der Erfindung mit aus Federpaaren gebildeten Federkörpern,
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des Messelements nach der Erfindung, welche im Pnnzip der Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht, bei welcher sich aber das Krafteinleitteil in den Raum ausserhalb des Zwischenraums zwischen den beiden Feder körpern erstreckt,
Fig. 5 eine vierte Ausführungsform des Messelements nach der Erfindung zum Messen einen Zugspannung ineinem Seil oder dergleichen, und
Fig.
6 eine fünfte Ausführungsform des Messelements nach der Erfindung für eine Massenmessvorrichtung mit grosser Wägeplattform.
Die Fig. la und lb sind oben bereits erläutert worden. Auf diese beiden Figuren wird weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 6 nochmals eingegangen.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des Messelements für eine Vorrichtung zum Messen einer Masse oder Kraft F. Das Messelement hat zwei gegenseitigen Abstand aufweisende, zueinander parallele Federkörper 10, 12, die an ihrer Oberfläche jeweils wenigstens einen Dehnungsmessstreifen 26 bzw. 28 tragen. Diese können, wie bei dem bekannten Messelement, nur auf den beiden voneinander abgewandten äusseren Oberflächen oder aber auf den beiden einander zugewandten inneren Oberflächen oder auf den inneren und auf den äusseren Oberflächen appliziert sein, was auch für alle im folgenden beschriebenen Ausführungs- formen gilt. Die Federkörper 10, 12 sind als bandförmige Federn ausgebildet und bestehen vorzugsweise aus Federstahlband, aus welchem sie einfach durch Ablängen hergestellt werden können.
Die Federkörper 10, 12 sind mit ihrem einen (in Fig. 2 unten befindlichen) Ende 10.1, 12.1 fest mit einem Verbindungssteg 14 verbunden, der vorzugsweise aus einem starren Material hoher Festigkeit und/oder aus einer starren Konstruktion besteht Die Federkörper 10, 12 sind an ihrem andern (in Fig. 2 oben befindlichen) Ende 10.2 bzw. 12.2 mit einem Verbindungsteil 15 bzw. mit einem Krafteinleitteil 18 fest verbunden. Die bandförmigen Federkörper 10, 12 liegen in zueinander parallelen Ebenen El bzw. E2 (in Fig. 4 angedeutet), und das Verbindungsteil 15 und das Krafteinleitteil 18 liegen in einer dritten Ebene E3 (in Fig. 2 angedeutet), die zu den anderen beiden Ebenen El, E2 rechtwinkelig ist. Das Verbindungsteil 15 und das Krafteinleitteil 18 sind ebenso wie der Verbindungssteg 14 in der ersten Ausführungsform des Messelements plattenförmige Körper.
Der Verbindungssteg 14 ist parallel zu der Ebene E3 angeordnet. Über das Verbindungsteil 15 ist das Messelement an einer festen Fläche 16 befestigt, was, wie ersichtlich, die einzige Befestigung des Messelements darstellt
Die Ebenen El und E2 sind zu der Richtung der Einleitung der Kraft F parallel. Die Dehnungsmessstreifen 26, 28 sind mit einer in Fig. 2 und in den übrigen Figuren nicht dargestellten Dehnungsmessstreifen-Schaltung 24 verbunden, wie sie in Fig. lb angedeutet ist. Das Verbindungsteil 15 und das Krafteinleitteil 18 sind lediglich über die beiden Federkörper 10, 12 und den Verbindungssteg 14, nicht aber direkt miteinander verbunden.
Dieser Aufbau in Verbindung mit der Parallelität von Federkörpern und Richtung der Krafteinleitung sowie der bandförmigen Ausbildung der Federkörper 10, 12 macht den wesentlichen Unterschied gegenüber dem bekannten Messelement nach den Fig. la und lb aus, der der das dashier bçsshrisUGnç MeasemenFfür die Messung fiM,eSs,siunss klei- ner Kräfte besonders geeignet macht.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Messelements, das sich von der ersten Ausführungsform nach Fig. 2 hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass jeder Federkörper aus einem Paar bandförmiger Federn besteht Das bietet die Möglichkeit, in acht Zonen Dehnungsmessstreifen 26, 28 und ausserdem eine sehr breite Fläche zum Einleiten der Kraft F vorzusehen.
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des Messelements, die sich von der nach Fig. 2 oder 3 hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass sich das Krafteinleitteil 18 von seiner Verbindungsstelle mit dem Federkörper 12 aus nicht in den Raum zwischen den beiden Ebenen El, E2 erstreckt, sondern in den Raum ausserhalb der beiden Ebenen (in Fig. 4 rechts von der Ebene E2).
Darüber hinaus liegt die Ebene, welche den Verbindungssteg 14 enthält, nicht unterhalb der das Verbindungsteil 15 und das Krafteinleitteil 18 enthaltenden dritten Ebene E3 (wie in Fig. 2), son dem oberhalb derselben.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine vierte bzw. fünfte Ausführungsform des Messelements. Mit Ausnahme der Art ihrer Verwendung stimmen beide Ausführungsformen überein, weshalb es ausreicht, die Ausfiihrungsform nach Fig. 6 näher zu beschreiben. In dieser Ausführungsform ist das Messelement in einer Massen messvorrichtung oder Waage vorgesehen, wobei das Verbindungsteil 15 mit einer Grundplatte 20 und das Krafteinleitteil 18 mit einer zu der Grundplatte parallelen Wägeplattenform 22 auf die dargestellte Weise verbunden ist. Der Verbindungssteg 14 bildet eine Stufe, die einenends an ihrer unteren Seite (in Fig. 6 links) und anderenends an ihrer oberen Seite (in Fig. 6 rechts) mit den Federkörpern 10 bzw. 12 verbunden ist. Die in Fig. 6 mit H bezeichnete Höhe der Stufe ist gleich der freien Länge Ljedes Federkörpers.
Die Ausführungsform nach Fig. 5 kann z.B. zum Messen einer Zugspannung in einem Seil benutzt werden. Daher wird das Krafteinleitteil 18 mit einem Ende und das Verbindungsteil 15 mit dem anderen Ende des (nicht dargestellten) Seils verbunden.
In allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die bandförmigen Federn identisch ausgebildet, und zwar zu einem Zweck, der in der Beschreibungseinleitung bereits dargelegt worden ist. Die Federkörper 10, 12 bestehen vorzugsweise, wie ebenfalls bereits dargelegt, aus Federstahlband. Das Krafteinleitteil 18, das Verbindungsteil 15 und der Verbindungssteg 14 bestehen aus einem anderen Material, z.B. aus Cu-Be-Bronze, Messing, Stahl oder dergleichen, also aus einem Material hoher Festigkeit. Es ist aber auch möglich, das Krafteinleitteil, das Verbindungsteil und/oder den Verbindungssteg aus einem Material mit dämpfenden Eigenschaften herzustellen, z.B. aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff oder dergleichen.
DESCRIPTION
The invention relates to a measuring element for a mass or force measuring device, with two mutually spaced, parallel spring bodies, each carrying at least one strain gauge on its surface, with at least one connecting web, which is firmly connected to one end of the spring body a force introduction part and with a connecting part serving to fasten the measuring element to a fixed surface.
Such a measuring element, which can also be referred to as a force probe, is a transducer that converts a component of a force vector into an electrical signal. The measurement is indirect, i.e. the deformation of the spring body is recorded and converted into the electrical signal. This electrical signal can either be evaluated directly (e.g. displayed) or the measuring element can be used as a zero force detector in a compensation measuring system. Strain gauges (strain gauges) or strain gauge resistors are provided on their surfaces to measure the deformation of the spring bodies, the resistance value of which changes with the deformation (strain or compression, depending on the sign).
A mass measuring device in which such a measuring element can be used is a balance. Due to the gravitation, which is almost constant on the earth's surface, a force acts on each mass towards the center of the earth. This force can be measured with the measuring element in a force measuring device.
The strain gauge resistors made of metal or semiconductor material change their resistance value under the influence of the deformation, on the one hand because the specific resistance changes and on the other hand because the length and the cross section of the deformed material change. Unfortunately, the changes in resistance that can be achieved are in the same order of magnitude as the changes in resistance due to the influence of temperature.
In order to measure as accurately as possible, the strain gauge resistors should be strongly deformed. The limit is reached when the material of the spring elements, which carry these strain gage resistors, is plastically deformed, because then there is no longer a clear connection between the force to be measured and the surface elongation. Practical values of the proof stress of spring steel or Cu-Be bronze for such measuring elements are approx.
0.1% elongation. Commercially available strain gauge resistors show a typical change in resistance of 0.2% at 0.1% elongation.
If you wanted to build a measuring element with an accuracy of 0.1%, you would have to measure the resistance value of a single strain gauge resistor with an absolute accuracy of 0.2% x 0.1% = 2 ppm. Such a measurement is very difficult to carry out even in a laboratory at constant ambient temperature and is practically impossible under poorer conditions.
Therefore, two, four or more than four strain gauge resistors are always used simultaneously with such measuring elements. These can be interconnected to half bridges or full bridges. Depending on the measurement method, resistance differences or resistance conditions are then measured, ie relative measurements are carried out. In addition, the use of several strain gauge resistors has other advantages, namely compensation of temperature influences; Compensation for aging effects; Reducing sensitivity to force components or moments that should not be measured; the position of the force application point need not be exact; and linearization of the characteristic of the measuring element. However, all of these advantages are only achieved if the measuring element is designed appropriately.
A measuring element of the type mentioned at the outset is known (company brochure HBM platform load cells PW from Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, D-6100 Darmstadt 1, data sheet D 21.29.0, vw-d 12.88-15.0 SD, from 1988).
La and 1b show the known measuring element in a schematic or cross-sectional view. In principle, the measuring element consists of two spring bodies 10, 12 in the form of two parallel bars, each of which is firmly connected at its right end to a connecting web 14, which at the same time serves as a connecting part for fastening the measuring element to a fixed surface 16. The other two ends (on the left in FIG. 1 a) of the two spring bodies 10, 12 are each firmly connected to a force introduction part 18, on which, as shown, the force F to be detected acts. The two planes perpendicular to the plane of the drawing, which contain the spring bodies 10, 12, are arranged at right angles to the direction of the application of force. The cross-sectional view in Fig.
Ib shows the practical design of the measuring element, which has been milled out of a copper beryllium block and is connected by screwed mounting parts via its connecting web 14 to a base plate 20 or via its force application part 18 to a weighing platform 22. With such a measuring cell, additional mechanical built-in parts such as handlebar systems for intercepting side loads as well as lever mechanisms and bearings for power transmission are superfluous. Therefore, Fig. 1b shows practically a complete scale, which is equipped with the measuring element. The strain gauge circuit 24 is constructed using laminating technology. The complete strain gauge circuit including the conductor tracks and the adjustment elements is laminated in the known measuring element in the form of two half bridges.
The schematically indicated strain gauges are designated by 26 and 28.
The design principle of this known measuring element has proven itself for forces from a few 10 N to a few 10,000 N. This principle is not particularly suitable for small forces, because: - two spring bodies must be bent at the same time, so that the force to be measured is divided between two spring bodies; - The spring constant is small, which is why the measuring element has long settling times; - The sensitivity has a large spread because it depends on the placement of the strain gauges; and - the elastic limit of the material from which the spring bodies are made is poorly used, since individual zones reach the maximum stretch limit when others are not yet stretched.
However, these disadvantages are offset by the advantage that the measuring element can be produced from a single block of material. However, this advantage cannot outweigh the disadvantage that this design principle is not particularly suitable for small forces.
The object of the invention is to design a measuring element of the type mentioned in the introduction so that it is particularly well suited for measuring small masses or forces.
This object is achieved according to the invention in that, in the case of a measuring element of the type mentioned at the outset, the spring bodies are band-shaped springs, in that one spring body is connected at its other end only to the force introduction part and the other spring body is connected at its other end only to the connecting part, and in that the two levels, which contain the band-shaped springs, are arranged parallel to the direction of the force application.
In the measuring element according to the invention, only the one ends of the spring bodies are connected to one another by the connecting web, whereas at the other end of the one spring body, which is only connected to the force introduction part, the force to be measured is introduced and at the other end of the other spring body, the only is connected to the connecting part, the reaction force is initiated. Since the two planes, which contain the band-shaped springs, which are not connected to one another at their other ends, in contrast to the prior art, are arranged parallel to the direction of the force application, the direction in which the measuring element detects the force to be measured is and the directions in which the strain gauges measure the elongation of the spring bodies are all parallel to each other.
This results in the following special advantages: - The bending moment is constant in the band-shaped spring bodies. As a result, the surface stretch is also constant, and the sensitivity of the strain gauges no longer depends on their precise placement.
- The spring body can theoretically be made arbitrarily small in the measuring element according to the invention. The limit is given by the smallest strain gauges that can be used. The shorter the spring body, the higher the spring constant and the shorter the settling time of the measuring element, which is particularly advantageous for scales.
The shorter the spring body, the better the linearity of the measuring element.
- Before assembling the measuring element, the spring body with the applied strain gauges can be selected according to the criteria of resistance value, temperature drift of the resistance value, sensitivity and temperature drift of sensitivity. The more identical the two spring bodies with the strain gauges, the better the measuring element. The known measuring element cannot be selected, rather such a measuring element has to be adjusted in a time-consuming manner.
- The spring body, the connecting web, the connecting part and the force introduction part can be read out and dimensioned more or less independently of one another for optimal properties, since the measuring element according to the invention can be manufactured from different materials. The measuring element can therefore be better tailored for the intended measuring purpose because fewer compromises have to be made.
- The spring bodies can be easily produced by cutting strips. This results in a high uniformity of the dimensions influencing the sensitivity.
Advantageous embodiments of the invention form the subject of the dependent claims.
In the embodiment of the invention according to claim 2, the parallel arranged, identically designed springs, from which each spring body consists, allow a very wide area for introducing the force.
In the embodiment of the invention according to claim 3, the measuring element is more compact than in the embodiment according to claim 4, but there are cases in which the compactness is less important than a conveniently located point for applying the force.
In the embodiment according to claim 6, the measuring element is particularly well suited for use in a mass measuring device or balance.
The measuring element according to the invention with its band-shaped springs with strain gauges and the various other parts is a kinematic system with two degrees of freedom and two moment sensors (the two band-shaped springs with the strain gauges), which should be as rigid as possible (a high resonance frequency results in a fast mechanical Settling), which at the same time is insensitive to undesirable influences (temperature, displacement of the mass or force) and is economical to manufacture and is particularly suitable for low forces or masses because of the relatively rapid settling. In some cases, however, a lower stiffness can be less advantageous than a particularly good damping capacity.
In this case, the configuration according to claim 9 offers the possibility of tailoring the damping capacity of the measuring element by appropriate choice of material for the force introduction part, the connecting part and / or the connecting web.
Several embodiments of the invention are described below with reference to the drawings. Show it
La and lb in a schematic or cross-sectional view of the known measuring element already explained at the beginning,
2 shows a first embodiment of the measuring element according to the invention with two spring bodies,
3 shows a second embodiment of the measuring element according to the invention with spring bodies formed from spring pairs,
4 shows a third embodiment of the measuring element according to the invention, which corresponds in principle to the embodiment according to FIG. 2, but in which the force introduction part extends into the space outside the space between the two spring bodies,
Fig. 5 shows a fourth embodiment of the measuring element according to the invention for measuring a tensile stress in a rope or the like, and
Fig.
6 shows a fifth embodiment of the measuring element according to the invention for a mass measuring device with a large weighing platform.
Figures la and lb have already been explained above. These two figures are discussed again below in connection with FIG. 6.
2 shows a first embodiment of the measuring element for a device for measuring a mass or force F. The measuring element has two mutually parallel, mutually parallel spring bodies 10, 12, each carrying at least one strain gauge 26 or 28 on their surface. As in the known measuring element, these can only be applied to the two outer surfaces facing away from one another or else to the two inner surfaces facing one another or to the inner and outer surfaces, which also applies to all the embodiments described below. The spring bodies 10, 12 are designed as band-shaped springs and preferably consist of spring steel band, from which they can be produced simply by cutting to length.
The spring bodies 10, 12 are fixedly connected at their one end 10.1, 12.1 (located at the bottom in FIG. 2) to a connecting web 14, which preferably consists of a rigid material of high strength and / or of a rigid construction. The spring bodies 10, 12 are at its other end (located at the top in FIG. 2) 10.2 or 12.2 with a connecting part 15 or with a force introduction part 18. The band-shaped spring bodies 10, 12 lie in mutually parallel planes E1 and E2 (indicated in FIG. 4), and the connecting part 15 and the force introduction part 18 lie in a third plane E3 (indicated in FIG. 2), which is related to the other two Levels El, E2 is rectangular. The connecting part 15 and the force introduction part 18, like the connecting web 14 in the first embodiment of the measuring element, are plate-shaped bodies.
The connecting web 14 is arranged parallel to the plane E3. The measuring element is fastened to a fixed surface 16 via the connecting part 15, which, as can be seen, represents the only fastening of the measuring element
The planes El and E2 are parallel to the direction of the introduction of the force F. The strain gauges 26, 28 are connected to a strain gauge circuit 24, not shown in FIG. 2 and in the other figures, as is indicated in FIG. 1b. The connecting part 15 and the force introduction part 18 are only connected to one another via the two spring bodies 10, 12 and the connecting web 14, but not directly.
This structure in conjunction with the parallelism of spring bodies and the direction of force application as well as the band-shaped design of spring bodies 10, 12 makes the essential difference compared to the known measuring element according to FIGS. La and lb, which the dashier bçsshrisUGnç MeasemenF for the measurement fiM, eSs , makes small forces particularly suitable.
FIG. 3 shows a second embodiment of the measuring element, which differs from the first embodiment according to FIG. 2 mainly in that each spring body consists of a pair of band-shaped springs. This offers the possibility of strain gauges 26, 28 in eight zones and also a very wide one Provide a surface for introducing the force F.
4 shows a third embodiment of the measuring element, which differs from that according to FIGS. 2 or 3 mainly in that the force introduction part 18 does not extend from its connection point with the spring body 12 into the space between the two planes E1, E2, but in the room outside the two levels (in Fig. 4 to the right of level E2).
In addition, the level which contains the connecting web 14 is not below the third level E3 containing the connecting part 15 and the force introduction part 18 (as in FIG. 2), but above that.
5 and 6 show a fourth and fifth embodiment of the measuring element. With the exception of the type of use, both embodiments agree, which is why it is sufficient to describe the embodiment according to FIG. 6 in more detail. In this embodiment, the measuring element is provided in a mass measuring device or balance, the connecting part 15 being connected to a base plate 20 and the force introduction part 18 to a weighing plate shape 22 parallel to the base plate in the manner shown. The connecting web 14 forms a step which is connected at one end to the spring bodies 10 and 12 on its lower side (on the left in FIG. 6) and at the other end on its upper side (on the right in FIG. 6). The height of the step denoted by H in FIG. 6 is equal to the free length of Ljedes spring body.
The embodiment of Fig. 5 can e.g. used to measure tensile stress in a rope. Therefore, the force introduction part 18 is connected to one end and the connecting part 15 to the other end of the rope (not shown).
In all the embodiments described above, the band-shaped springs are of identical design, for a purpose which has already been explained in the introduction to the description. The spring bodies 10, 12 are preferably made of spring steel strip, as also already explained. The force introduction part 18, the connecting part 15 and the connecting web 14 are made of a different material, e.g. made of Cu-Be bronze, brass, steel or the like, i.e. from a material with high strength. However, it is also possible to produce the force introduction part, the connecting part and / or the connecting web from a material with damping properties, e.g. made of a glass fiber reinforced plastic or the like.