CN100362327C - 称量秤的测力元件以及称量秤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测力元件，其包括一力传感器，该力传感器设有包含若干传感器(28TF，28TB，28BF，28BB)的变形体。所述变形体将安装在秤架上的力传感器的一部件连接至一力引入部件。传感器(28TF，28TB，28BF，28BB)连接至至少一扁平带状电缆(22T，22B)的导体径迹(281，282，283)，该带状电缆连接至一用于处理测量信号的电路模块，从而将传感器(28TF，28TB，28BF和28BB)互连在一起而形成一测量桥接电路。本发明的导体径迹(281，282，283)以这样的方式构造，以使得由测量桥接电路的节点(K1，K2，K3，K4)至传感器(28TF，28TB，28BF，28BB)的接头的所有连接线具有至少近似相等的电阻值。

Description

称量秤的测力元件以及称量秤
技术领域
本发明涉及一种称量秤的测力元件以及带有这种测力元件的称量秤。
背景技术
称量秤的测力元件通常配备有一力传感器，该力传感器在一侧连接至一用作支座的秤架，在另一侧连接至一称重托盘架，将被测量的力通过该称重托盘架引入。
如参考文献[1]，DE 199 39 633 A1所述以及在参考文献[2]，EP 0 670479 A1中称为“反作用力件”或“受力体”的力传感器具有一弹性变形体，该弹性变形体将力传感器的一安装在秤架上的固定部件连接至一力作用部件，对于称量秤而言，则是连接至一称重负载作用部件。一般来说，力传感器在位于变形体与用于将该力传感器连接至该称量秤架和称重托盘架的部件之间的过渡部位上具有若干横向沟槽。该横向沟槽用于机械去耦该变形体，在该变形体中，利用传感器(优选的是利用应变仪)测量由作用力所引起的变形。
该变形体优选构造为一平行四边形形状的测量元件，该测量元件具有类似于平行四边形的导向构件布置(例如参见参考文献[3]，EP0511521 A1)。
表示测量过程的模拟信号由应变仪产生，该应变仪优选在一桥接电路中彼此相连。通常在一转换电路中对该信号进行数字化并随后对其进行更多的处理步骤。例如参考文献[4]，U.Tietze，Ch.Schenk，Halbleiterschaltungstechnik，第十一版，第一次重印，Springer Verlag，柏林1999，第1242-1243页中描述了一种带应变仪的桥接电路的基本结构。
为支持对数字化测量信号的进一步处理，参考文献[2]中所述的测量元件具有一存储补偿数据的存储模块，这些补偿数据对于每个测量元件都是特定的，并用于测量信号的修正。
如参考文献[5]，专利说明书GB 1 462 808所述，前述修正尤其应用于由于非线性、滞后现象、温度和蠕变效应所引起的误差。在工厂制造期间，通过特殊试验和测量过程确定修正所需的补偿数据并存储在存储模块中(也参见参考文献[1])。
然而，处理前述测量异常的优选方式是通过对测量元件进行适当设计，从而使得误差保持尽量小并只需很少量的补偿。在已公开的参考文献[6]，专利申请EP 0 702 220 A1中提出了一种解决方案，其中测量桥接电路的四个应变仪、用于平衡桥路的调节电阻器以及与温度相关的电阻器集成在一利用薄膜沉积工艺制造的印刷电路中，与温度相关的电阻器用于对与应变仪和变形体的温度偏差有关的误差进行修正。该印刷电路在一很宽的区域上与变形体紧密地接合，并且通过一挠性(或柔韧)扁平带状电缆连接至一用于处理该桥接电路输出信号的电路布置中(也参见参考文献[2]，附图2)。
然而，这涉及到变形体上的印刷电路可能会对该变形体的测量性能有着不利影响的风险。因此，该测量元件通常优选采用更简单的电路结构，其中只有应变仪布置在变形体上，接入一测量桥路并通过连接导线连接至一电路布置。人们也希望找到一种就温度效应而言优化具有前述更简单电路结构的测量元件的方法，以减少温度相关偏差所需的补偿量。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有可达到前述目的所需改进的称量秤的测力元件，并且也提供一种适于安装该创造性测力元件的称量秤。
就测力元件而言，本发明的目的尤其在于找到一种避免对测量传感器和测量桥接电路的测量活动的不必要影响的方法。
本发明的又一个目的是找到一种确保测量元件即使在长时间使用之后也能在不降低性能指标的情况下使用的方法。
作为本发明的再一个目的，测力元件应当具有一简单并且成本低的设计，而且维修费用应当便宜。
为此，本发明提出了一种带有力传感器的测力元件，该力传感器包括一配备有尤其由应变仪所组成的传感器的变形体，所述变形体将力传感器的安装在秤架上的固定部件与力传感器的一力引入部件相连，其中该传感器连接至导体，而导体又可连接至一用于处理测量信号的电路模块，该电路模块与该力传感器耦合但与变形体分隔开，用于将传感器接合在一测量桥接电路中的接线布置于电路模块之上，以及导体被设计为使得由测量桥接电路的节点至应变仪的接线终端的所有导线具有基本相等的电阻值，该导体穿过至少一个扁平带状电缆，该电缆包括一个其上印刷有导体径迹的挠性带或箔，其中，扁平带状电缆具有一置于其端部的切口，所述切口被构造成使得传感器的触头之间的区域可以方便地接近。
本发明还提供了一种带有如上所述的测力元件的称量秤。
根据本发明的测力元件具有力传感器，在该力传感器中，一配备有若干传感器的变形体形成位于力传感器的一固定安装在秤架上的部件与一力作用部件之间的连接件。该若干个传感器连接至通向一电路模块的至少一扁平带状电缆的若干导电径迹上，该电路模块用于处理测量信号并且也包含若干根接线(连接件)，传感器通过这些接线接入一测量桥接电路。根据本发明，导电径迹的设计使得所有的从测量桥路的节点至传感器触头(接触端点)的连接导线具有近似相等的电阻值。
这通过将通向更远距离传感器的导体径迹设计成至少在其部分长度上具有扩大的导电横截面的方式获得。利用一挠性带(柔韧带)或箔作为基底并在其上印刷适当尺寸的导体径迹，便可以一非常简单的方式在扁平带状电缆中实现该思路。下面所用的术语“扁平带状电缆”表示任何种类的具有至少一导线的类似于挠性电连接件，特别是具有应用于一基底材质上的导体径迹的连接元件。
从电路模块至传感器触头的连接导线还可以包括具有不同尺寸的若干分段和/或一连接导线，该连接导线可用作由至少两个传感器所共用的连接件。
传感器的一特别简单且精确定制的连接件可以用两个扁平带状电缆获得，其中一个电缆将变形体顶面上的若干传感器连接至电路模块，另一个电缆将变形体底面上的若干传感器连接至电路模块。
另外，扁平带状电缆可以具有额外的导体径迹，通过该导体径迹，例如可以将安装在变形体上的一温度传感器连接至电路模块。
已经发现，在若干个高电阻应变仪连接至一扁平带状电缆的测力元件中，测量结果具有不稳定性以及会缓慢升高的偏差。
根据本发明，通过使用若干个在其与传感器相连接的端部具有一切口的扁平带状电缆，就可以避免前述问题。该切口的形状和布置使得扁平带状电缆连接至传感器之后传感器触头之间的区域仍可以很方便或自由地接近。因此，如果在焊接之后有任何焊接残渣或其它杂质遗留在传感器触头之间，可以很容易地将这些残渣去除，从而防止了由于传感器触头之间的残余电导率而出现漏泄电流的问题。根据本发明的思路设计的测压元件还具有另一优点，即在长期使用之后，只需少量的维护费用就可以将其回复到工厂规格。例如，一简单的清理工作可能就已足够。
附图说明
以下将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中：
图1图示出了根据本发明的一测力元件2，其与一称重托盘架4以及一紧固件3螺栓连接在一起并包括一配备有传感器28、29的力传感器20以及一电路模块25；
图2表示图1中的模块化测力元件2的侧视图；
图3表示图1中的模块化测力元件2的力传感器20，其具有分别用于连接紧固件3、称重托盘架4以及一金属元件23的螺钉36、46、231，该紧固件3形成一至称量秤架5的连接件，该金属元件23用于保持电路模块24；
图4表示测力元件2的俯视图，其具有两个在电路模块24和传感器28、29之间提供连接的扁平带状电缆22T、22B；
图5图示出了一优选电路模块24的模块化结构，该电路模块通过带状连接器22T、22T`、22B与传感器28、29通讯，并通过另一连接元件500与一处理模块501通讯；
图6图示出了一测力元件的一部分，其中一扁平带状电缆以常规方式连接至一带有应变仪的模块220；
图7示出了图6中的模块，根据本发明，一具有切口224的扁平带状电缆22T与其相连。
具体实施方式
图1和图2图示出了根据本发明的一模块化测力元件2，其通过螺钉36、46连接至一称重托盘架4和一紧固件3，并且包括一配备有应变仪28TF、28TB、28BF和28BB的力传感器20以及一温度传感器29。该测力元件还包括一电路模块24。
如图4所示，应变仪28TF、28TB、28BF和28BB由两个分开的挠性带状电缆22T、22B连接至电路模块24，其中应变仪连接入一如参考文献[4]第1242-1243页所述的测量桥接电路。
通过一角形金属元件23与力传感器机械并热耦合在一起的电路模块24包括一用于存储补偿数据的存储模块245(参见图5)，并且其还包括至少一用于对模拟测量信号进行转换的电路布置243、244。
因此，在本发明思路的一优选实现方式中所示的测力元件2可以作为一模块安装在一称量秤中。而且，如果需要，更换测力元件2的过程简单而且便宜。
在图3的一优选实施例中所示的力传感器20具有一变形体207，其设计为一平行四边形测力元件(参见图3，元件20`)。变形体207将力传感器20的一安装在秤架上的固定部件208连接至力作用部件，在该情况下为负载接受部件206。为了去耦变形体207的应力场，力传感器在与部件208和206的边界处具有横向沟槽209，部件208和206用于连接紧固件3和称重托盘架4。在由测量元件构成的虚拟平行四边形联结件的角部，变形体207具有若干变薄材质部分，在该处安装有应变仪28TF、28TB、28BF和28BB。该变薄材质部分处的最大弯曲形变位置可用在该平行四边形平面的垂直方向上延伸的弯曲轴aTF、aTB、aBF和aBB表示。
此外，一所需的用于温度补偿的温度传感器29布置于变形体207的顶面的中央处。由于图示布置的特点在于纵向上的温度梯度，因此由传感器29所测得的温度便表示在变形体207内出现的温度的一平均值。基于该平均值，可以对由温度变化而引起的测量偏差进行更精准地修正。
图5示出了电路模块24的模块化结构的一优选实施例，该电路模块24通过接线条241和带状连接器22T、22T`、22B连接至应变仪28TF、28TB、28BF、28BB和温度传感器29，并通过接线条242和另一个带状连接器500连接至一处理模块501。该处理模块又连接至一显示装置502和一接口模块503。处理模块501置于称量秤内部，并与电路模块24隔开，以避免这两个模块之间的热耦合。因此，处理模块501所产生的热对根据本发明的模块化测力元件2没有影响。
电路模块24包括两个转换电路243、244。第一转换电路243将应变仪桥接电路28TF、28TB、28BF、28BB的模拟信号转换为双级脉冲宽度已调信号pwm1，而第二转换电路244将温度传感器29的模拟信号转换为双级脉冲宽度已调信号pwm2，通过带状连接器500将信号pwm1、pwm2发送至处理模块501，在该处对信号进行进一步处理。优选的是，在将称量秤启动之后，从存储模块245中可再调出有用的补偿数据，以便可以对随后的测量偏差进行修正。
如参考文献[4]第1243-1250页以及参考文献[6]所述，传感器可能具有对其测量功能不利的温度系数，因此需要温度补偿。然而，在图1所示测力元件2的开发中，已经发现在高水平的测量精度下，传感器自身的温度系数并不是唯一要考虑的因素，将传感器连接至测量桥接电路的连接导线的温度系数也有着重要的影响。于是便找到了下述解决方案，从而可以在实际应用中避免由于连接导线所引起的测量偏差。
该解决方案的总体思路是对扁平带状电缆22T、22B的导体径迹281、282、283使用特别计算出的尺寸，该扁平带状电缆将传感器28TF、28TB、28BF、28BB连接入测量模块24，在此这些传感器连接入一测量桥接电路，从而使得从该测量桥接电路的节点至传感器28TF、28TB、28BF、28BB的终端280的所有连接导线具有至少近似相等的电阻值。在所有导体径迹281、282、283受到等量温度变化的情况下，在测量桥接电路中得到的电阻变化将会因此彼此抵消。
因此，形成该测量桥接电路的连接导线的导体径迹281、282、283应当优选与力传感器20热耦合，以使得在出现温度变化时导体径迹281、282、283中的电阻同等地变化。在一实现热耦合的优选解决方案中，用粘合剂将扁平带状电缆22T、22B粘合至力传感器20。
由于其中电路模块24与力传感器20热耦合的测力元件2具有模块化结构，就有可能获得极好的结果。当然，将本发明应用于没有集成电子测量电路的非模块化测力元件中也是很有利的。
可通过几种不同的可能措施在该测量桥接电路的连接导线中获得相等的电阻值。在一优选构思中，连接至较远传感器28TF、28BF的导体径迹282、283的连接导线在其部分长度上被赋予了一扩大的导电横截面。平衡电阻值的其他方法对于本领域的技术人员而言是很熟悉的，例如不考虑距离的不同而均使用等长的导线或电线，或者采用弯曲模式，以使其长度相匹配。
在一特别简单且准确的解决方案中，传感器28TF、28TB、28BF、28BB可以通过两个扁平带状电缆22T、22B进行连接，其中电缆22T将电路模块24连接至位于变形体20顶部的传感器28TF、28TB，电缆22B将电路模块24连接至位于变形体20的底部的传感器28BF、28BB。
此外，通向传感器28TF、28TB、28BF、28BB接点的连接导线可以包括分段281TF、282TF、283TF、281TB、282TB、283TB；…，其中不同的分段具有不同的尺寸和/或由传感器中的至少两个所共用。
在图5所示的电路布置中，扁平带状连接器22T具有导体径迹282TF、282BF，这两个导体径迹分别连接至传感器28TF、28TB并在测量桥接电路的节点K1处与从节点K1至电路模块24的一单独导线281T接合在一起。此外还示出了扁平带状连接器22B的一类似电路布置，其中两个导体径迹分别连接至传感器28BF、28BB并且在节点K2处相接合。因而，在电路模块24上就不再是八个连接件，连接终端的数目降低至六个终端241-1、241-2、241-3、241-4、241-5和241-6。两对导体径迹分别在通过终端对241-2、241-3和241-4、241-5进入电路模块24之后在节点K3和K4处接合在一起。
扁平带状电缆还可以具有额外的导体径迹291、292(参见图5)，例如将电路模块24和一布置在变形体20上的温度传感器29连接在一起。
还发现，在带有若干个连接至扁平带状电缆的高电阻应变仪的测力元件中可能出现不稳定性和缓慢升高的测量偏差。
图6示出了一测力元件的详细图，其中一扁平带状电缆22的导体径迹282TF、283TF以常规方式连接至带有一高电阻应变仪的模块220的若干个触头221。作为焊接工序的结果或者由于其它因素，在靠近触头221的扁平带状电缆22前端处会出现杂质222的积聚，触头221通过焊点280连接至导体径迹282TF、283TF。杂质222会导致触头221之间绝缘电阻的降低。因此，该电阻可能会降低至不可忽视的程度，从而使得触头之间的漏泄电流引起不能接受的测量误差。
在图6中更加明显的是，几乎不能将积聚在扁平带状电缆22前端的杂质去除。
图7图示出了一扁平带状电缆22，其连接至与图6所示模块220相同类型的模块、不过其包括一具有创造性特点的切口224，以使得模块220的触头221之间的区域可以很方便或自由地接近。
因此，在形成焊点280之后触头221之间具有焊接残渣或其他杂质的情况下，可以毫无困难地将这些杂质物去除，从而避免了残余传导以及相关漏泄电流的问题。根据本发明的测力元件2还具有另一优点，即在长期操作之后，只需适当的维修费用就可以通过清理得到恢复。
利用一带有若干翼部38的U形轮廓紧固件3将图1所示的模块化测力元件2安装在一称量秤上。力传感器的安装在秤架上的固定部件208由若干个螺钉36连接至紧固件3。紧固件3的若干翼部38具有若干个用于适配螺钉32的通孔31，这些螺钉32用于将紧固件3安装在若干支架构件51上，这些支架构件51为此配置于秤架5之上，并配备有若干个螺纹嵌件。
称重托盘架的带有锥形底架41的称重托盘架4由若干个螺钉46连接至力传感器20的力作用部件或负载接受部件206。
此外，如图2中所示，连接至紧固件3的一螺栓33穿过称重托盘架4的一侧部43上的一孔44。螺栓33配备有两个螺母34、35，该两个螺母在上下方向上可调节，以确定称重托盘架4、尤其是其侧部43的移动范围，从而防止由于该模块化测力元件上的拉力或推力而引起的过载。
通过如图1中的实例所示的新开发的模块化测力元件已经对本发明的技术方案进行了充分的说明。然而，在此公开的信息足以使本领域的普通技术人员将本发明应用于其它测力元件和测量系统。将本发明应用于其中一薄膜上布置有应变仪的压力测量系统中也是很有利的(参见参考文献[4]第1242、1243页)。
参考文献目录：
[1]德国公开专利申请DE 199 39 633 A1
[2]欧洲专利申请EP 0 670 479 A1
[3]英国专利说明书GB 1 462 808
[4]U.Tietze，Ch.Schenk，Halbleiterschaltungstechnik，第十一版，第一次重印，Springer Verlag，柏林1999
[5]欧洲专利申请EP 0 511 521 A1
[6]欧洲专利申请EP 0 702 220 A1

Claims (9)

1.一种带有力传感器(20)的测力元件(2)，该力传感器包括一配备有尤其由应变仪所组成的传感器(28TF，28TB，28BF，28BB)的变形体(207)，所述变形体(207)将力传感器(20)的安装在秤架上的固定部件(208)与力传感器(20)的一力引入部件(206)相连，其中该传感器(28TF，28TB，28BF，28BB)连接至导体(281，282，283)，而导体(281，282，283)又可连接至一用于处理测量信号的电路模块(24)，该电路模块(24)与该力传感器(20)耦合但与变形体(207)分隔开，用于将传感器(28TF，28TB，28BF，28BB)接合在一测量桥接电路中的接线布置于电路模块(24)之上，以及导体(281，282，283)被设计为使得由测量桥接电路的节点(K1，…，K4)至应变仪(28TF，28TB，28BF，28BB)的接线终端(280)的所有导线具有基本相等的电阻值，该导体穿过至少一个扁平带状电缆(22T，22B)，该电缆包括一个其上印刷有导体径迹(281，282，283)的挠性带或箔，其特征在于，扁平带状电缆(22T，22B)具有一置于其端部的切口(224)，所述切口被构造成使得传感器(28TF，28TB，28BF，28BB)的触头(221)之间的区域可以方便地接近。
2.如权利要求1所述的测力元件(2)，其特征在于，至少在部分长度上，距离电路模块(24)较远的通向传感器(28TF，28BF)的导体(282，283)比距离电路模块(24)较近的通向传感器(28TB，28BB)的导体具有更大的导电横截面积。
3.如权利要求1或2所述的测力元件(2)，其特征在于，导体(281，282，283)与力传感器(20)热耦合，其中该耦合可以用粘合剂实现。
4.如权利要求1或2所述的测力元件(2)，其特征在于，通向传感器(28TF，28TB，28BF，28BB)的终端(280)的若干连接导线包括若干个分段(281TF，282TF，283TF；281TB，282TB，283TB；…)，其中每个分段可由传感器(28TF，28TB，28BF，28BB)中的至少两个所共用。
5.如权利要求1或2所述的测力元件(2)，其特征在于，至少一个挠性带(22T；22B)包含测量桥接电路的一节点(K1；K2)，在该测量桥接电路中，来自两个不同传感器(28TF，28BF)的导体径迹(282TF，282BF，…)在一通向电路模块(24)的单独导体径迹(281T)中接合在一起。
6.如权利要求1或2所述的测力元件(2)，其特征在于，布置在变形体(20)的第一侧上的传感器(28TF，28TB)连接至第一扁平带状电缆(22T)，布置在变形体(20)的第二侧上的传感器(28BF，28BB)连接至第二扁平带状电缆(22B)。
7.如权利要求1或2所述的测力元件(2)，其特征在于，一构造为温度传感器并布置于变形体(20)之上的传感器(29)连接至扁平带状电缆(22T)中的一个的若干导体径迹(291，292)。
8.如权利要求1或2所述的测力元件(2)，其特征在于，力传感器(20)机械且热耦合至电路模块(24)，电路模块(24)通过至少一个扁平带状电缆(22T，22B)连接至传感器(28TF，28TB，28BF，28BB)，该电路模块(24)包括一用于存储补偿数据的存储模块(245)，以及一用于转换由传感器(28TF，28TB，28BF，28BB)所发送的模拟信号的转换电路(243，244)。
9.一种带有如权利要求1至8之一所述的测力元件(2)的称量秤(1)。
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Application publication date: 20050720

Assignee: Mettler-Toledo Instrument (Shanghai) Co., Ltd.

Assignor: Mettler Toledo AG

Contract record no.: 2010990000172

Denomination of invention: Force-measuring cell for a weighing scale, and weighing scale

Granted publication date: 20080116

License type: Exclusive License

Record date: 20100406

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Granted publication date: 20080116

Termination date: 20120310