CH717316A2 - Load cell. - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Kraftmessdose zur Ermittlung von Punkt- und/oder Flächenkräften, umfassend: einen elastisch deformierbaren Frontkörper (1) zum Kontaktieren einer zu bestimmenden Kraft (F) an einer Außenseite des Frontkörpers (1), eine Übertragungshülse (2), die mit einer zum Frontkörper zugewandten Stirnseite einen umlaufenden Bereich an einer zur Außenseite gegenüberliegenden Innenseite des Frontkörpers, vorzugsweise einem umlaufenden Randbereich an der Innenseite des Frontkörpers, kontaktiert, und einen elastisch deformierbaren Messkörper (3), der an einer zum Frontkörper abgewandten Stirnseite der Übertragungshülse angeordnet ist, wobei die Innenseite des Frontkörpers und/oder die dem Frontkörper zugewandte Innenseite des Messkörpers derart ausgestaltet ist/sind, dass die beiden Innenseiten von Front- und Messkörper einander berühren. Die Kraftmessdose ist dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungshülse einen sich vom Frontkörper hin zum Messkörper verjüngenden Querschnitt aufweist.The invention relates to a load cell for determining point and / or surface forces, comprising: an elastically deformable front body (1) for contacting a force (F) to be determined on an outside of the front body (1), a transmission sleeve (2), which with an end face facing the front body makes contact with a circumferential area on an inside of the front body opposite to the outside, preferably a circumferential edge area on the inside of the front body, and an elastically deformable measuring body (3) which is arranged on an end face of the transmission sleeve facing away from the front body, wherein the inside of the front body and / or the inside of the measuring body facing the front body is / are designed in such a way that the two inner sides of the front body and measuring body touch one another. The load cell is characterized in that the transmission sleeve has a cross section that tapers from the front body towards the measuring body.
Description
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftmessdose zur Ermittlung von Punkt- und/oder Flächenkräften. Die Kraftmessdose der Erfindung kommt beispielsweise beim Wiegen von Gegenständen, in Prüfanlagen oder in Drehmomentstützen zum Einsatz. The present invention relates to a load cell for determining point and / or surface forces. The load cell of the invention is used, for example, when weighing objects, in test systems or in torque supports.
[0002] Die zunehmende Automatisierung von Prozessen und komplexen vollautomatischen Vorgängen erfordert eine entsprechend angepasste Sensorik zur zuverlässigen Durchführung einer damit einhergehenden Prozesskontrolle. Besondere Bedeutung kommt hier Kraftsensoren, bspw. in Form einer Kraftmessdose zuteil. Hohe Anforderungen werden dabei an die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit einer Messung gestellt, so dass diese Kraftmessdosen auch für den Einsatz in chemischen Prozessen oder im Lebensmittelbereich genutzt werden können. Dabei ist es von Vorteil, wenn eine solche Kraftmessdose eine möglichst flache Bauform besitzt und zudem besonders leicht gereinigt werden kann. [0002] The increasing automation of processes and complex, fully automatic operations requires a correspondingly adapted sensor system for the reliable implementation of an accompanying process control. Force sensors, for example in the form of a load cell, are of particular importance here. High demands are placed on the reliability and reproducibility of a measurement, so that these load cells can also be used in chemical processes or in the food sector. It is advantageous here if such a load cell has a design that is as flat as possible and, in addition, can be cleaned particularly easily.
[0003] Darüber hinaus wird bei dem nicht zu vermeidenden Eingriff in den Messraum, in dem bspw. das gewichtsmäßig zu bestimmende Gut angeordnet ist, bei einer der Messung der Kraft oder Flächenkraft eine zunehmende Miniaturisierung gefordert, um den Platzbedarf für die Montage der Kraftmessdose klein zu halten. In addition, in the unavoidable intervention in the measuring room, in which, for example, the material to be determined by weight is arranged, increasing miniaturization is required when measuring the force or surface force in order to minimize the space required for mounting the load cell to keep.
[0004] Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Kraftmessdosen bekannt, die unterschiedliche Bauformen aufweisen. Die bekannteste Bauform ist dabei der sogenannte Ringtorsionsaufnehmer, wie er bspw. in der DE 3 924 629 C2, der EP 1 181 514 B1, der DE 10 2016 109 292 A1 oder der DE 3 837 683 A1 in verschiedenen Ausführungsformen dargestellt ist. Eine andere bekannte Bauform stellen die sogenannten stabförmige Aufnehmer dar (vgl. DE 19 537 288 A1). A large number of load cells which have different designs are known from the prior art. The best-known design is the so-called ring torsion transducer, as shown in various embodiments in DE 3 924 629 C2, EP 1 181 514 B1, DE 10 2016 109 292 A1 or DE 3 837 683 A1. Another known design is represented by the so-called rod-shaped sensors (cf. DE 19 537 288 A1).
[0005] Jede dieser Bauformen hat ihre individuellen Vor- und Nachteile, so weisen Ringtorsionsaufnehmer eine relativ flache Bauhöhe auf während stabförmige Aufnehmer Vorteile bei einer nicht zentrischen Krafteinleitung besitzen. Prinzipbedingt erfolgt der elektrische Anschluss bei beiden Typen radial, was hinsichtlich der Kompaktheit der Kraftmessdose von Nachteil ist. Each of these designs has its individual advantages and disadvantages, so ring torsion transducers have a relatively flat overall height, while rod-shaped transducers have advantages in the case of a non-centric introduction of force. In principle, the electrical connection is made radially in both types, which is a disadvantage with regard to the compactness of the load cell.
[0006] Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Kraftmessdose zu schaffen, die die jeweiligen Vorteile der beiden bisher am Markt befindlichen Bauformen kombiniert. Zudem soll die erfindungsgemäße Kraftmessdose auch bei sehr beengten Platzverhältnissen einsetzbar sein, bei denen die aus dem Stand der Technik bekannten Umsetzungen nicht verwendet werden können. Insbesondere ist eine Kraftmessdose vorzusehen, die einfacher herzustellen ist und bei der die Kraftmesssensoren einfacher anzubringen und zu verschalten sind. It is the aim of the present invention to create a load cell that combines the respective advantages of the two designs previously available on the market. In addition, the load cell according to the invention should also be able to be used in very confined spaces, in which the implementations known from the prior art cannot be used. In particular, a load cell is to be provided which is easier to manufacture and in which the load cells are easier to attach and connect.
[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Kraftmessdose nach dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt. This object is achieved by a load cell according to the invention according to claim 1. Advantageous embodiments are listed in the dependent claims.
[0008] Demnach umfasst eine erfindungsgemäße Kraftmessdose zur Ermittlung von Punkt- und/oder Flächenkräften einen elastisch deformierbaren Frontkörper zum Kontaktieren einer zu bestimmenden Kraft an einer Außenseite des Frontkörpers, eine Übertragungshülse, die mit einer zum Frontkörper zugewandten Stirnseite einen umlaufenden Bereich an einer zur Außenseite gegenüberliegenden Innenseite des Frontkörpers, vorzugsweise einem umlaufenden Randbereich an der Innenseite des Frontkörpers, kontaktiert, und einen elastisch deformierbaren Messkörper, der an einer zum Frontkörper abgewandten Stirnseite der Übertragungshülse angeordnet ist, wobei die Innenseite des Frontkörpers und/oder die dem Frontkörper zugewandte Innenseite des Messkörpers derart ausgestaltet ist/sind, dass die beiden Innenseiten von Front- und Messkörper einander berühren. Die Kraftmessdose ist dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungshülse einen sich vom Frontkörper hin zum Messkörper verjüngenden Querschnitt aufweist. Accordingly, a load cell according to the invention for determining point and / or surface forces comprises an elastically deformable front body for contacting a force to be determined on an outside of the front body, a transmission sleeve, which has a circumferential area on one to the outside with a face facing the front body opposite inside of the front body, preferably a circumferential edge area on the inside of the front body, and an elastically deformable measuring body, which is arranged on an end face of the transmission sleeve facing away from the front body, the inside of the front body and / or the inside of the measuring body facing the front body is / are designed in such a way that the two inner sides of the front body and measuring body touch one another. The load cell is characterized in that the transmission sleeve has a cross section that tapers from the front body towards the measuring body.
[0009] Aufgrund der Querschnittsverringerung der Übertragungshülse vom Frontkörper hin zum Messkörper ist es möglich, die durch die Kraftmessdose vorzunehmende Kraftmessung auf einfache Art und Weise in einem Messraum anzuordnen. Dabei ist lediglich eine Bohrung vorzusehen, in die die miteinander verbundene Struktur aus Frontkörper, Übertragungshülse und Messkörper einzubringen ist. Die Querschnittsverringerung der Übertragungshülse sorgt dann dafür, dass der Messkörpers ausreichend Platz bei einer während der Kraftmessung erfolgenden Verformung aufweist Due to the reduction in cross section of the transmission sleeve from the front body to the measuring body, it is possible to arrange the force measurement to be made by the load cell in a simple manner in a measuring room. In this case, only one bore is to be provided, into which the interconnected structure of the front body, transmission sleeve and measuring body is to be introduced. The reduction in cross section of the transmission sleeve then ensures that the measuring body has sufficient space in the event of a deformation occurring during the force measurement
[0010] Dabei kann vorgesehen sein, dass sich die Querschnittsfläche der Übertragungshülse im Verlauf von dem Frontkörper hin zum Messkörper gleich bleibt oder verringert, sich jedoch nicht mehr vergrößert. It can be provided that the cross-sectional area of the transmission sleeve remains the same or decreases in the course of the front body towards the measuring body, but no longer increases.
[0011] Auch kann vorgesehen sein, dass der Messkörper sich so an die Querschnittsfläche der ihm zugewandten Stirnseite der Übertragungshülse anschließt, dass er in Querschnittsrichtung nicht über die Übertragungshülse hinausgeht. It can also be provided that the measuring body adjoins the cross-sectional area of the end face of the transmission sleeve facing it in such a way that it does not go beyond the transmission sleeve in the cross-sectional direction.
[0012] Die Querschnittsfläche des Messkörpers (bei einer Längsrichtung, die sich vom Frontkörper hin zum Messkörper erstreckt) ist dabei gleich oder kleiner als die größte oder kleinste Querschnittsfläche der Übertragungshülse. The cross-sectional area of the measuring body (in a longitudinal direction that extends from the front body to the measuring body) is equal to or smaller than the largest or smallest cross-sectional area of the transmission sleeve.
[0013] Nach dem grundlegenden Funktionsprinzip der Kraftmessdose führt eine Krafteinwirkung auf den Frontkörper zu einer entsprechenden elastischen Verformung des Frontkörpers. Da die Innenseite des Frontkörpers mit der Innenseite des Messkörpers in Berührung steht, wird diese elastische Verformung über die sich berührenden Elemente von Front- und Messkörper weitergegeben, so dass es zu einer entsprechenden Verformung des Messkörpers kommt. Diese Verformung kann dann über eine Kraftmesseinrichtung gemessen werden, so dass die auf die Kraftmessdose einwirkende Kraft bestimmbar ist. According to the basic functional principle of the load cell, an action of force on the front body leads to a corresponding elastic deformation of the front body. Since the inside of the front body is in contact with the inside of the measuring body, this elastic deformation is passed on via the touching elements of the front body and measuring body, so that a corresponding deformation of the measuring body occurs. This deformation can then be measured using a force measuring device, so that the force acting on the load cell can be determined.
[0014] Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Übertragungshülse an seinem zum Frontkörper gewandten stirnseitigen Endabschnitt einen radial nach außen auskragenden Flansch aufweist, der vorzugsweise durchgehend in Umfangsrichtung ausgebildet ist. It can further be provided according to the invention that the transmission sleeve has a radially outwardly projecting flange on its end portion facing the front body, which flange is preferably formed continuously in the circumferential direction.
[0015] Zudem kann vorgesehen sein, dass auch die Übertragungshülse aus einem elastisch deformierbaren Material besteht. In addition, it can be provided that the transmission sleeve also consists of an elastically deformable material.
[0016] An dem von der Übertragungshülse abgewandten Flanschkragen kann dabei ein Verbindungsbereich mit dem Frontköper ausgebildet sein. Der zur Übertragungshülse zugewandte Flanschkragen kann zum Auflegen auf eine komplementär ausgebildete Stufe eines Gehäuses oder einer entsprechend ausgeformten Bohrung genutzt werden. A connection area with the front body can be formed on the flange collar facing away from the transmission sleeve. The flange collar facing the transmission sleeve can be used to place it on a complementary step of a housing or a correspondingly shaped bore.
[0017] Nach einer weiteren optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Übertragungshülse zwischen seinen beiden stirnseitigen Endabschnitten einen radial nach innen verlaufenden Übergangsbereich aufweist, der vorzugsweise in Umfangsrichtung durchgehend ausgebildet ist. Dieses zusätzlich zu dem nach außen abkragenden Flansch vorsehbare Merkmal beschreibt also eine Querschnittsverminderung in einem von den beiden stirnseitigen Endabschnitten umfassten mittleren Abschnitt. Steckt man also die Übertragungshülse in eine entsprechend dimensionierte zylindrische Ausnehmung (bspw. eine Bohrung oder ein Gehäuse), so kann der nicht querschnittsverminderte Bereich der Übertragungshülse zur Fixierung und Stabilisierung genutzt werden, wohingegen der dazu nach innen abgesetzte Bereich einen (vorzugsweise umlaufenden) Spalt gegenüber der zylindrischen Ausnehmung aufweist. According to a further optional modification of the invention it can be provided that the transmission sleeve has a radially inwardly extending transition region between its two end-face end sections, which is preferably formed continuously in the circumferential direction. This feature, which can be provided in addition to the outwardly protruding flange, thus describes a cross-section reduction in a central section encompassed by the two end-face end sections. If the transmission sleeve is inserted into a correspondingly dimensioned cylindrical recess (e.g. a bore or a housing), the area of the transmission sleeve that is not reduced in cross-section can be used for fixation and stabilization, whereas the inwardly offset area has a (preferably circumferential) gap opposite having the cylindrical recess.
[0018] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kraftmessdose mit einer mehrere Dehnungsmesssensoren umfassenden Kraftmesseinrichtung versehen, wobei die Dehnungsmesssensoren an der zum Frontkörper abgewandten Außenseite des Messkörpers angeordnet sind, vorzugsweise wobei die Dehnungsmesssensoren Dehnungsmessstreifen sind, die einen hohen k-Faktor von 4,5 bis 5,5 aufweisen und/oder aus Titanoxynitrid (TiON) bestehen. According to a further advantageous embodiment of the invention, the load cell is provided with a force measuring device comprising several strain measuring sensors, the strain measuring sensors being arranged on the outside of the measuring body facing away from the front body , 5 to 5.5 and / or consist of titanium oxynitride (TiON).
[0019] Dabei kann es von Vorteil sein, wenn die mehreren Dehnungsmessstreifen zu einer Wheatstoneschen Vollbrücke verschaltet sind. Eine besonders genaue Bestimmung der Kraft erhält man, wenn in der Wheatstoneschen Vollbrücke pro Halbbrücke jeweils ein Dehnmessstreifen auf Stauchung und einer auf Dehnung belastet ist, wodurch sich eine maximale Empfindlichkeit auf Krafteinwirkung erzielen lässt. It can be advantageous if the multiple strain gauges are connected to form a Wheatstone full bridge. A particularly precise determination of the force is obtained if in the Wheatstone full bridge per half bridge one strain gauge is loaded for compression and one for expansion, which allows maximum sensitivity to the action of force to be achieved.
[0020] Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Kraftmessdose ferner einen temperaturabhängigen Widerstand an der Außenseite des Messkörpers zur Kompensation eines Temperatureinflusses der durch die Kraftmesseinrichtung ausgeführten Messung. Der temperaturabhängige Widerstand wird dann dazu genutzt, die temperaturinduzierte Dehnung bzw. Stauchung des Messkörpers zu kompensieren, da diese auch von der Kraftmesseinrichtung erfasst und bei der Ermittlung einer einwirkenden Kraft herangezogen wird. Diesen Effekt gilt es zu kompensieren, wozu nun der temperaturabhängige Widerstand herangezogen wird. The load cell according to the invention preferably further comprises a temperature-dependent resistor on the outside of the measuring body to compensate for a temperature influence of the measurement carried out by the force measuring device. The temperature-dependent resistance is then used to compensate for the temperature-induced expansion or compression of the measuring body, since this is also recorded by the force measuring device and used when determining an acting force. It is important to compensate for this effect, for which purpose the temperature-dependent resistance is now used.
[0021] Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Frontkörper, Übertagungshülse und Messkörper zu einer gemeinsamen Achse dreh- oder rotationssymmetrisch sind, vorzugsweise zu dieser Achse jeweils koaxial angeordnet sind. Der mechanische Aufbau dieser Teile und auch deren zusammengefügte Struktur kann hierbei radial symmetrisch sein, wobei insbesondere die Krafteinleitungsachse einer zu bestimmenden Kraft mit der Symmetrieachse zusammenfällt, also identisch zu ihr sein kann. According to a further advantageous modification of the invention it can be provided that the front body, transmission sleeve and measuring body are rotationally or rotationally symmetrical about a common axis, preferably are each arranged coaxially to this axis. The mechanical construction of these parts and their assembled structure can be radially symmetrical, in particular the force application axis of a force to be determined coincides with the axis of symmetry, that is to say can be identical to it.
[0022] Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Krafteinleitung einer Kraft hin zum Messkörper über die sich berührenden Innenseiten von Frontkörper und Messkörper erfolgt. Dazu kann die Innenseite des Frontkörpers eine sich hin zum Messkörpers erstreckenden Ausgestaltung aufweisen. Vorzugsweise besitzt dabei die Innenseite eine kreisförmige Grundfläche, die sich ausgehend von einem Rand der Grundfläche immer weiter hin zum Messkörper erstreckt. Selbiges kann dabei auch für die Innenseite des Messkörpers gelten, wobei der Kontaktabschnitt der beiden Innenseite natürlich unterschiedlich ausgebildet sein kann, so eine der beiden Innenseiten spitz zuläuft und in eine entsprechende Ausnehmung der anderen Innenseite aufgenommen ist oder diese gar durchstößt. Beide Innenseiten können dabei von einem Rand zu ihrer Mitte hin kontinuierlich ansteigen. Furthermore, it can be provided according to the invention that the introduction of a force towards the measuring body takes place via the touching insides of the front body and the measuring body. For this purpose, the inside of the front body can have a configuration that extends towards the measuring body. The inside preferably has a circular base area which, starting from an edge of the base area, extends ever further towards the measuring body. The same can also apply to the inside of the measuring body, the contact section of the two inside can of course be designed differently, so one of the two inside is pointed and received in a corresponding recess on the other inside or even pierces it. Both inner sides can rise continuously from one edge to their center.
[0023] Die sich in Richtung des Messkörpers hin erstreckende Innenseite des Frontkörpers kann dabei eine in etwa trichterförmige Grundstruktur aufweisen, die unter Umständen einen bogenartigen Anstieg besitzt und um ihren Mittelpunkt eine Ausnehmung zum Einführen eines Messkörperbestandteils aufweist. Diese Struktur der Innenseite des Frontkörpers wird in der Fachsprache auch Kraftflusskonzentrator genannt, da damit eine auf den Frontkörper einwirkende Kraft auf eine geringe Fläche fokussiert bzw. konzentriert wird. The inside of the front body extending in the direction of the measuring body can have an approximately funnel-shaped basic structure, which may have an arc-like rise and around its center has a recess for inserting a measuring body component. This structure of the inside of the front body is also called a force flow concentrator in technical terminology, since a force acting on the front body is thus focused or concentrated on a small area.
[0024] Vorzugsweise kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Außenseite des Frontköpers und/oder die Außenseite des Messkörpers eben ausgebildet ist/sind. Preferably, it can be provided according to the invention that the outside of the front body and / or the outside of the measuring body is / are flat.
[0025] Diese Ausgestaltungen sind besonders vorteilhaft, da eine ebene Außenseite des Frontkörpers eine einfache Reinigung zulässt, die ohne viel Aufwand durchführbar ist und zudem das Anlagern von Fremdpartikeln im Gegensatz zu einer mit Kanten versehenen oder nicht ebenen Ausführung erleichtert. These configurations are particularly advantageous because a flat outside of the front body allows easy cleaning, which can be carried out without much effort and also facilitates the attachment of foreign particles in contrast to an edged or non-flat design.
[0026] Nach einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Innenseite des Frontkörpers sich zu ihrer Mitte hin in Richtung Messkörper erhebt und/oder die Innenseite des Messkörpers sich zu ihrer Mitte hin in Richtung Frontkörper erhebt, wobei ein radialer Zwischenraum zwischen der Übertragungshülse und den einander kontaktierenden Innenseiten verbleibt, vorzugsweise wobei die Innenseite des Messkörpers in eine mittige Ausnehmung des Frontkörpers eindringt oder diese durchdringt. According to a further development of the invention it can be provided that the inside of the front body rises towards its center towards the measuring body and / or the inside of the measuring body rises towards its center towards the front body, with a radial gap between the transmission sleeve and the inner sides in contact with one another remain, preferably wherein the inner side of the measuring body penetrates or penetrates a central recess of the front body.
[0027] Vorzugsweise umfasst die Kraftmessdose darüber hinaus einen Aufnahmekörper, insbesondere eine Bohrung, zum Aufnehmen der miteinander verbundenen Bauteile umfassend Frontkörper, Übertragungshülse und Messkörper, wobei der sich vom Frontkörper hin zum Messkörper verjüngende Querschnitt der Übertragungshülse in seinem noch nicht verjüngten Bereich für eine Befestigung und Zentrierung und in seinem verjüngten Bereich für einen radialen Abstand der Übertragungshülse und des Messkörpers zum Aufnahmekörper sorgt, wobei vorzugsweise der Aufnahmekörper eine zylindrische Grundform aufweist, die im Bereich des Frontkörpers einen stufenartig nach innen gerichteten Auflageflansch besitzt, um einen ebenen oder nahezu ebenen Abschluss von Frontkörper im Aufnahmekörper bei einer Kraftmessdose, deren Übertragungshülse an der frontkörperseitigen Stirnseite eine Flanschauskragung aufweist, zu ermöglichen. Preferably, the load cell also comprises a receiving body, in particular a bore, for receiving the interconnected components comprising the front body, transmission sleeve and measuring body, the cross section of the transmission sleeve tapering from the front body to the measuring body in its not yet tapered area for attachment and centering and, in its tapered area, ensures a radial distance between the transmission sleeve and the measuring body and the receiving body, the receiving body preferably having a cylindrical basic shape, which in the area of the front body has a step-like, inwardly directed support flange to provide a flat or almost flat end of To enable the front body in the receiving body with a load cell, the transmission sleeve of which has a flange projection on the front body side.
[0028] Ferner kann vorgesehen sein, dass mindestens ein elektrischer Anschluss zu der Kraftmesseinrichtung axial erfolgen kann, vorzugsweise über an der zur Innenseite gegenüberliegenden Außenseite des Messkörpers angeordnete Kontaktierungsflächen. Vorteilhaft hieran ist, dass im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Kraftmessdosen eine axiale Anschlussführung der Kraftmessdose möglich ist. Eine einfache Bohrung kann demnach bereits als Aufnahmekörper bzw. als Aufnahme ausreichend sein, so dass die Verwirklichung der vorliegenden Kraftmessdose sehr kostenschonend und bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen einsetzbar ist. Furthermore, it can be provided that at least one electrical connection to the force measuring device can be made axially, preferably via contacting surfaces arranged on the outside of the measuring body opposite to the inside. The advantage here is that, in contrast to load cells known from the prior art, an axial connection of the load cell is possible. A simple bore can therefore already be sufficient as a receiving body or as a receptacle, so that the implementation of the present load cell is very cost-saving and can be used in a large number of applications.
[0029] Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der Frontkörper, die Übertragungshülse und/oder der Messkörper aus einem Metall ist, vorzugsweise einem hochfesten Metall, bevorzugterweise aus dem martensitischen Stahl 1.4542 oder 1.4548 und/oder der Nickelbasislegierung Inconel 718, deren chemische Zusammensetzung aus 50,0 -5 5,0% Ni, 17,0 - 21,0% Cr, 4,75 - 5,50% TA+Nb, 2,80 - 3,30% Mo, 0,65 - 1,15% Ti, 0,20 - 0,80% Al, ≤ 0,3% Cu, ≤ 0,08% C, ≤ 0,35% Si und ≤ 1,0% Co besteht. Furthermore, it can be provided according to the invention that the front body, the transmission sleeve and / or the measuring body is made of a metal, preferably a high-strength metal, preferably made of the martensitic steel 1.4542 or 1.4548 and / or the nickel-based alloy Inconel 718, their chemical Composition of 50.0-5 5.0% Ni, 17.0-21.0% Cr, 4.75-5.50% TA + Nb, 2.80-3.30% Mo, 0.65-1 , 15% Ti, 0.20-0.80% Al, ≤ 0.3% Cu, ≤ 0.08% C, ≤ 0.35% Si and ≤ 1.0% Co.
[0030] Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient von Frontkörper, Übertragungshülse und Messkörper identisch ist oder um weniger als 5% vom nominal größten Koeffizient abweicht. Dadurch wird erreicht, dass ungewünschte, asymmetrische bzw. inhomogene Deformationen bedingt durch die thermische Ausdehnung des Materials vermieden werden. It can preferably be provided that the thermal expansion coefficient of the front body, transmission sleeve and measuring body is identical or deviates by less than 5% from the nominally largest coefficient. This ensures that undesired, asymmetrical or inhomogeneous deformations caused by the thermal expansion of the material are avoided.
[0031] Ferner kann nach einer optionalen Modifikation vorgesehen sein, dass eine Anschlussplatine vorgesehen ist, die an der Außenseite des Messkörpers angeordnet ist, vorzugsweise wobei die Anschlussplatine stoffschlüssig mit der Außenseite des Messkörpers verbunden ist. Die Anschlussplatine kann zum elektrischen Anschluss der Kraftmesseinrichtung vorgesehen sein. Furthermore, it can be provided according to an optional modification that a connection board is provided which is arranged on the outside of the measuring body, preferably wherein the connection board is materially connected to the outside of the measuring body. The connection board can be provided for the electrical connection of the force measuring device.
[0032] Die Erfindung betrifft ferner eine Kraftmessdose, deren Dehnungsmesssensoren und/oder deren temperaturabhängiger Widerstand mittels Dünnschichttechnologie auf den Messkörper aufbringbar ist oder aufgebracht worden ist. The invention also relates to a load cell whose strain measuring sensors and / or whose temperature-dependent resistance can be or has been applied to the measuring body by means of thin-film technology.
[0033] Weiter kann vorgesehen sein, dass der gesamte Aufbau aus Frontkörper, Übertragungshülse und Messkörper eine so geringe Dicke in axialer Richtung aufweist, dass dieser mittels verfügbaren Dünnschicht-Beschichtungsanlagen beschichtet werden kann. So ist dann bspw. das Aufbringen der Dehnungsmesssensoren einfach zu bewerkstelligen. It can further be provided that the entire structure of the front body, transmission sleeve and measuring body has such a small thickness in the axial direction that it can be coated by means of available thin-film coating systems. In this way, for example, the strain measurement sensors can be easily applied.
[0034] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden aufgrund der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen: Fig. 1: zeigt eine Schnittansicht der wichtigsten Bestandteile der erfindungsgemäßen Kraftmessdose, Fig. 2: zeigt eine weitere Schnittansicht der aus der Fig. 1 bekannten Struktur, die in eine Aufnahmeöffnung eingesteckt ist und darüber hinaus mit weiteren Bestandteilen versehen ist, Fig. 3: zeigt das Schaltbild einer Wheatstoneschen Vollbrücke, und Fig. 4: zeigt eine Draufsicht auf die Außenseite des Messkörpers.Further advantages, features and details of the invention will become apparent on the basis of the following description of the figures. 1 shows a sectional view of the most important components of the load cell according to the invention, FIG. 2 shows a further sectional view of the structure known from FIG 3: shows the circuit diagram of a Wheatstone full bridge, and FIG. 4: shows a plan view of the outside of the measuring body.
[0035] Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kraftmessdose, bei der ein elastisch deformierbarer Frontkörper 1 zum Kontaktieren einer Kraft F ausgebildet ist. Dieser Frontkörper 1 weist eine in etwa eben ausgebildete Außenseite auf, die dazu geeignet ist, eine darauf einwirkende Kraft F zu bestimmen. Die zur Außenseite des Frontkörpers 1 abgewandte Innenseite weist einen sich zu dessen Mitte sich hin erhebenden Kraftflusskonzentrator 4 auf. Dieser Kraftflusskonzentrator 4 bewirkt, dass eine von der Außenseite des Frontkörpers einwirkende Kraft F auf einen bestimmten Bereich auf der Innenseite konzentriert wird. Eine mögliche Ausgestaltung des Kraftflusskonzentrators 4 ist dabei eine trichterförmige oder winklig zur ebenen Fläche der Außenseite verlaufende Erhöhung an der Innenseite, die sich in etwa senkrecht zu der durch die ebene Außenseite des Frontkörpers 1 gebildeten Ebene erhebt. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Frontkörper eine Scheibe ist, bei der eine erste flächige Seite die Außenseite und die zweite flächige Seite die Innenseite darstellt. 1 shows a sectional view of the load cell according to the invention, in which an elastically deformable front body 1 is designed for contacting a force F. This front body 1 has an approximately flat outer side which is suitable for determining a force F acting on it. The inside facing away from the outside of the front body 1 has a force flow concentrator 4 rising towards its center. This force flow concentrator 4 has the effect that a force F acting from the outside of the front body is concentrated on a specific area on the inside. One possible embodiment of the power flow concentrator 4 is a funnel-shaped or angled elevation on the inside, which rises approximately perpendicular to the plane formed by the flat outside of the front body 1. It is preferably provided that the front body is a pane in which a first flat side represents the outside and the second flat side represents the inside.
[0036] In einem Randbereich des Frontkörpers 1 schließt sich dabei eine Übertragungshülse 2 an, die über eine flanschartige Auskragung 7 von dem Kontaktbereich zu dem Frontkörper nach innen hin versetzt ausgeformt ist, und dann im Wesentlichen parallel zu der Krafteinleitungsachse 19, bzw. in Normalenrichtung zur ebenen Außenseite des Frontkörpers 1 weg von dem Frontkörper 1 verläuft. Diese Übertragungshülse berührt an ihrem von dem Frontkörper 1 angewandten stirnseitigen Ende einen Messkörper 3, der die durch die Übertragungshülse 2 definierte Öffnung abschließt. Der Messkörper 3 besitzt dabei eine zum Frontkörper 1 gewandte Innenfläche, sowie eine vom Frontkörper 1 abgewandte Außenfläche. Die Innenfläche besitzt ähnlich wie die Innenfläche des Frontkörpers einen sich parallel zur Krafteinleitungsachse 19 erstreckenden Abschnitt, der den Kraftflusskonzentrator 4 kontaktiert. In an edge area of the front body 1, a transmission sleeve 2 connects, which is formed offset inwardly from the contact area to the front body via a flange-like projection 7, and then essentially parallel to the force application axis 19, or in the normal direction runs to the flat outside of the front body 1 away from the front body 1. At its front end applied by the front body 1, this transmission sleeve touches a measuring body 3 which closes the opening defined by the transmission sleeve 2. The measuring body 3 has an inner surface facing the front body 1 and an outer surface facing away from the front body 1. Similar to the inner surface of the front body, the inner surface has a section which extends parallel to the force introduction axis 19 and which makes contact with the force flow concentrator 4.
[0037] Wie in der Fig. 1 dargestellt, kann sogar vorgesehen sein, dass der Kraftflusskonzentrator 4 radial zur Krafteinleitungsachse 19 eine Ausnehmung oder eine gar durchgehende Ausnehmung aufweist, in die das dazu parallel verlaufende Gegenstück des Messkörpers 3 eindringt. So kann auch ein Teil dieses in die Ausnehmung des Kraftflusskonzentrators 4 eindringenden Elements des Messkörpers 3 hin zur Außenseite des Frontkörpers 1 verlaufen. Dem Fachmann is dabei bewusst, dass dies nicht für jede von der Erfindung umfasste Kraftmessdose der Fall sein muss, sondern dass auch ein normaler Eingriff oder das plane Anliegen zweier geradliniger Ebenen der beiden sich berührenden Kontaktstücke das Wirkprinzip der Erfindung verwirklicht. As shown in FIG. 1, it can even be provided that the force flux concentrator 4 has a recess or even a continuous recess radially to the force application axis 19, into which the counterpart of the measuring body 3, which runs parallel to it, penetrates. In this way, part of this element of the measuring body 3 penetrating into the recess of the force flow concentrator 4 can also run towards the outside of the front body 1. The person skilled in the art is aware that this does not have to be the case for every load cell covered by the invention, but that normal engagement or the planar application of two straight planes of the two contact pieces that touch one another also realizes the operating principle of the invention.
[0038] Die Übertragungshülse 2 ist dabei so ausgelegt, dass zwischen den sich parallel zur Krafteinleitungsachse 19 ausgeführten und sich einander berührenden Bestandteilen der jeweiligen Innenseiten von Frontkörper 1 und Messkörper 3 ein radialer Freiraum 5 ausgebildet ist, der den Kontaktabschnitt von Frontkörper 1 und Messkörper 3 umlaufend umgibt. Ferner erkennt man, dass die Übertragungshülse 2 neben ihrer flanschartigen Auskragung 7 im Kontaktbereich mit dem Frontkörper 1 eine Querschnittsverringerung (nahe dem Bezugszeichen 8) besitzt, die ein besonders einfaches Montieren der Kraftmessdose in einen Aufnahmekörper, wie beispielsweise einem Gehäuse oder einer entsprechend dimensionierten Bohrung 18 ermöglicht. Wichtig ist dabei, dass diese Querschnittsverminderung die Bewegbarkeit des Messkörpers 3 bei einem Einwirken einer Kraft F ermöglicht, so dass das grundlegende Wirkprinzip der Kraftmessung beibehalten werden kann. The transmission sleeve 2 is designed so that between the parallel to the force application axis 19 and touching components of the respective inner sides of the front body 1 and measuring body 3, a radial free space 5 is formed, which the contact portion of the front body 1 and measuring body 3 surrounds all around. It can also be seen that the transmission sleeve 2, in addition to its flange-like projection 7, has a cross-sectional reduction (near reference number 8) in the contact area with the front body 1, which makes it particularly easy to mount the load cell in a receiving body, such as a housing or a correspondingly dimensioned bore 18 enables. It is important that this cross-sectional reduction enables the measuring body 3 to be moved when a force F acts, so that the basic operating principle of the force measurement can be maintained.
[0039] Ferner kann vorgesehen sein, dass an der zum Frontkörper 1 abgewandten Außenseite des Messkörpers 3 eine Kraftmesseinrichtung angegeben ist, welche eine Dehnung der Außenseite des Messkörpers 3 erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt. Dazu können mehrere Dehnungsmesssensoren in Form von Dehnungsmessstreifen miteinander verschaltet sein, vorzugsweise entsprechend einer Wheatstoneschen Brücke, so dass eine durch das Einwirken der Kraft F bedingte Ausdehnung der Außenseite erfasst und in ein elektrisches Signal entsprechend zu einer einwirkenden Kraft umgewandelt wird. Das Anbringen an der Außenseite des Messkörpers 3 ist ausreichend weit vom Messraum 13 entfernt, so dass die typischerweise dort herrschenden rauen Bedingungen nicht auf die Kraftmesseinheit wirken können. Furthermore, it can be provided that on the outside of the measuring body 3 facing away from the front body 1, a force measuring device is specified which detects an expansion of the outside of the measuring body 3 and converts it into an electrical signal. For this purpose, several strain gauges can be interconnected in the form of strain gauges, preferably according to a Wheatstone bridge, so that an expansion of the outside caused by the action of the force F is detected and converted into an electrical signal corresponding to an acting force. The attachment to the outside of the measuring body 3 is sufficiently far removed from the measuring space 13 so that the harsh conditions that typically prevail there cannot affect the force measuring unit.
[0040] Vorteilhaft an der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, dass der Aufbau aus dem flachen, elastisch deformierbaren Frontkörper, beispielsweise in Form einer Scheibenfeder, der Übertragungshülse 2 und dem Messkörper 3, der mittig zur Krafteinleitungsachse einen Kontakt mit dem Frontkörper 1 aufweist, eine besonders geschickte Krafteinleitung einer zu messenden Kraft aufweist. So ist der axiale Abstand 15 von Krafteinleitung zu Kraftausleitung sehr gering, was einen vereinfachten Einbau und eine besonders wirkungsvolle Messung anhand einer durch Biegung des Messkörpers 3 ermöglicht. Die Krafteinleitung erfolgt dabei über den Frontkörper, der über den Kraftflusskonzentrator 4 die einwirkende Kraft an den Messkörper 3 weitergibt. Dort wird der Kraftfluss umgelenkt, so dass sie über die Übertragungshülse aus dem Flansch 7 ausgeleitet wird. Da der Flansch 7 und der Frontkörper 1 aneinander anliegen, ist der axiale Abstand 15 von Krafteinleitung und Kraftausleitung sehr gering, so dass sehr kompakte und strukturell vorteilhafte Anordnungen von Kraftmessdosen umsetzbar sind. The advantage of the embodiment of the present invention shown in Fig. 1 is that the structure of the flat, elastically deformable front body, for example in the form of a disc spring, the transmission sleeve 2 and the measuring body 3, which is in contact with the center of the force application axis Has front body 1, has a particularly skillful introduction of force of a force to be measured. The axial distance 15 from force introduction to force output is very small, which enables a simplified installation and a particularly effective measurement based on a bending of the measuring body 3. The force is introduced via the front body, which transfers the acting force to the measuring body 3 via the force flow concentrator 4. There the power flow is deflected so that it is diverted from the flange 7 via the transmission sleeve. Since the flange 7 and the front body 1 rest against one another, the axial distance 15 between force introduction and force discharge is very small, so that very compact and structurally advantageous arrangements of load cells can be implemented.
[0041] Fig. 2 zeigt dabei die Bauteile aus Fig. 1 in einem eingesteckten Zustand eines Aufnahmekörpers, beispielsweise einer Bohrung 18. Man erkennt, dass die flanschartige Auskragung 7 an dem zum Frontkörper 1 gewandten Endbereich der Übertragungshülse 2 mit einem Auflageflansch 12 zusammenwirkt bzw. darauf aufliegen, so dass eine mittig auf die Kraftmessdose einwirkende Kraft F über den Frontkörper 1 in den Messkörper 3 eingebracht wird und über die Übertragungshülse in Richtung zum Frontkörper 1 aus dem Flansch 7 in den Aufnahmekörper 16 eingeleitet wird. Erstellt man nun eine entsprechend abgestufte Bohrung, deren Auflagefläche 12 für den Flansch 7 der Übertragungshülse im Wesentlichen so tief gelegt ist, wie eine Summe der Dicken von dem Randbereich des Frontkörpers 1 und dem Flansch 7 der Übertragungshülse 2, kann auf einfache Art und Weise eine fast eben oder eben ausgeführte Kraftmessdose vorgesehen sein. Dies erleichtert das Reinigen einer solchen Kraftmessdose erheblich, da aus der Außenseite des Frontkörpers 1 vorspringenden oder zurückversetzten Elemente vorgesehen sind. Fig. 2 shows the components from Fig. 1 in an inserted state of a receiving body, for example a bore 18. It can be seen that the flange-like projection 7 on the end region of the transmission sleeve 2 facing the front body 1 interacts or with a support flange 12 . rest on it, so that a force F acting centrally on the load cell is introduced into the measuring body 3 via the front body 1 and is introduced into the receiving body 16 via the transmission sleeve in the direction of the front body 1 from the flange 7. If you now create a correspondingly stepped hole, the bearing surface 12 of which for the flange 7 of the transmission sleeve is essentially as deep as a sum of the thicknesses of the edge region of the front body 1 and the flange 7 of the transmission sleeve 2, a be provided almost flat or flat load cell. This considerably facilitates the cleaning of such a load cell, since elements projecting or set back from the outside of the front body 1 are provided.
[0042] Ist der Innendurchmesser der Bohrung 18 auf den Außendurchmesser der Übertragungshülse in einem von dem Flansch beabstandeten Bereich abgestimmt, der jedoch noch keiner Querschnittsverringerung unterzogen ist, so dient dieser Bereich zu einem Zentrieren und Befestigen der miteinander verbundenen Bauteile Frontkörper 1 Übertragungshülse 2 und Messkörper 3. Dieser Befestigungs- und Zentrierungsbereich 8 der Übertragungshülse kontaktiert im Wesentlichen eine Innenwand der Bohrung 18, so dass ein Einstecken in die Bohrung 18 auch eine fixierende und gegenüber dem Messraum 13 abdichtende Wirkung besitzt. So kann ein Einpressen auch zu einer abdichtenden Verbindung führen, bei dem der Messraum 13 von dem Anbringungsort der Kraftmesseinrichtung dichtend getrennt ist. If the inner diameter of the bore 18 is matched to the outer diameter of the transmission sleeve in an area spaced from the flange, but which has not yet been subjected to a reduction in cross section, this area serves to center and secure the interconnected components front body 1, transmission sleeve 2 and measuring body 3. This fastening and centering area 8 of the transmission sleeve essentially makes contact with an inner wall of the bore 18, so that insertion into the bore 18 also has a fixing effect and a sealing effect with respect to the measuring space 13. Pressing in can thus also lead to a sealing connection in which the measuring space 13 is sealingly separated from the location of the force measuring device.
[0043] Zudem erkennt man, dass an der von dem Frontkörper 1 abgewandten Außenseite des Messkörpers 3 eine Anschlussplatine 14 angeordnet ist, die axial an die Außenseite des Messkörpers 3 durch Sintern oder Aufpressen stoffschlüssig verbunden ist. Diese Anschlussplatine 14, die vorzugsweise aus hochtemperaturfestem Leiterkartenmaterial oder einer Keramik sein kann, ermöglicht das axiale Heranführen von elektrischen Anschlüssen für die Kraftmesseinrichtung. Somit ist es möglich, einen in Radialrichtung gesehen sehr kompakten Aufbau zu erzeugen, der auch das Einschieben der Kraftmessdose in eine Bohrung ermöglicht. Von einer zum Messraum 13 gegenüberliegenden Seite kann demnach die Anschlussplatine besonders leicht verkabelt werden. In addition, it can be seen that on the outside of the measuring body 3 facing away from the front body 1, a connection board 14 is arranged, which is axially materially connected to the outside of the measuring body 3 by sintering or pressing. This connection board 14, which can preferably be made of high-temperature-resistant printed circuit card material or a ceramic, enables electrical connections for the force measuring device to be brought up axially. It is thus possible to produce a very compact structure, seen in the radial direction, which also enables the load cell to be pushed into a bore. Accordingly, the connection board can be wired particularly easily from a side opposite the measuring space 13.
[0044] Die bei der Kraftmessvorrichtung vorzusehenden Dehnmessstreifen 9 können mittels Dünnschichttechnologie auf den Messkörper 3 aufgebracht werden. Dabei gewährt die den Messraum 13 gegenüberliegende Anordnungsposition einen optimalen Schutz gegenüber vom Messraum 13 ausgehenden Beschädigungen. Ferner kann auch an der Außengeräte des Messkörpers 3 ein temperaturabhängiger Widerstand vorgesehen sein, der das Ausdehnen und das Zusammenziehen des Messkörpers 3, der nur aufgrund einer Temperaturschwankung erfolgt und nichts mit einer Kraftmessung zu tun hat, herausgerechnet bzw. kompensiert werden. The strain gauges 9 to be provided in the force measuring device can be applied to the measuring body 3 by means of thin-film technology. The arrangement position opposite the measuring space 13 ensures optimum protection against damage emanating from the measuring space 13. Furthermore, a temperature-dependent resistor can also be provided on the external device of the measuring body 3, which can be calculated or compensated for the expansion and contraction of the measuring body 3, which only occurs due to a temperature fluctuation and has nothing to do with a force measurement.
[0045] Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer Wheatstoneschen Brücke, die jeweils vier Dehnmessstreifen aufweist. Ein Dehnmessstreifen 9 ist dabei ein von einer Dehnung bzw. einer Stauchung des Messkörpers 3 abhängiger Widerstand, so dass bei einer entsprechenden Brückenverschaltung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, die Ausgangsspannung UABin Abhängigkeit von der Eingangsspannung Uo einen Rückschluss auf den aktuellen Dehn- oder Stauchungszustand des Messkörpers 3 zulässt. Damit kann pro Halbbrücke jeweils ein Dehnmessstreifen auf Stauchung und einer auf Dehnung belastet sein, was aus der Fig. 4 durch die unterschiedlichen Pfeilrichtungen der jeweils links neben dem Dehnmessstreifen dargestellten Pfeile erkennbar ist. Dies ermöglicht eine verbesserte Empfindlichkeit auf eine Krafteinwirkung des Messkörpers 3. Zudem sind die Dehnmessstreifen 9 mit gleicher Belastungsart in den beiden Halbbrücken jeweils diagonal gegenüber zueinander angeordnet. Hieraus ergibt sich eine maximale Empfindlichkeit auf die Krafteinleitung von wobei k der Verstärkungskoeffizient der Dehnungsmessstreifen 9 ist. 3 shows a circuit diagram of a Wheatstone bridge, each of which has four strain gauges. A strain gauge 9 is a resistance that is dependent on an expansion or compression of the measuring body 3, so that with a corresponding bridge connection, as shown in FIG. or compression state of the measuring body 3 allows. In this way, one strain gauge can be loaded for compression and one for expansion per half bridge, which can be seen in FIG. 4 by the different arrow directions of the arrows shown on the left next to the strain gauge. This enables an improved sensitivity to a force acting on the measuring body 3. In addition, the strain gauges 9 with the same type of load in the two half bridges are each arranged diagonally opposite one another. This results in a maximum sensitivity to the introduction of force of where k is the gain coefficient of the strain gauges 9.
[0046] Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung kann zudem vorgesehen sein, dass nicht nur die Dehnungsmessstreifen 9 mithilfe eines generativen Verfahrens, bspw. der Dünnschichttechnologie auf die Außenseite des Messkörpers 3 aufgebracht worden sind, sondern dass sowohl der Frontkörper 1, die Übertragungshülse 2 und auch der Messkörper 3 mithilfe eines generativen Fertigungsverfahrens erzeugt worden sind. According to an optional modification of the invention, it can also be provided that not only the strain gauges 9 have been applied to the outside of the measuring body 3 using a generative method, for example thin-film technology, but that both the front body 1, the transmission sleeve 2 and the measuring body 3 have also been produced with the aid of a generative manufacturing process.
[0047] Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die Außenseite des Messkörpers 3, so dass man die mehreren Dehnungsmessstreifen 9, die Kontaktierungsflächen 11 und den temperaturabhängigen Widerstand 10 gut erkennen kann. Zudem erkennt man die sich im Querschnitt vergrößernde Übertragungshülse 2 und den sich nach außen erstreckenden Flanschabschnitt 7, der bündig mit dem Frontkörper 1 abschließt. 4 is a plan view of the outside of the measuring body 3, so that the multiple strain gauges 9, the contact surfaces 11 and the temperature-dependent resistor 10 can be clearly seen. In addition, the transmission sleeve 2, which is enlarged in cross-section, and the flange section 7 extending outwards, which is flush with the front body 1, can be seen.
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