DD244635A1

DD244635A1 - FORCE MEASURING DEVICE

Info

Publication number: DD244635A1
Application number: DD28471585A
Authority: DD
Inventors: Hanns Stuermer
Original assignee: Verlade U Transportanlagen Lei
Priority date: 1985-12-19
Filing date: 1985-12-19
Publication date: 1987-04-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von vorzugsweise ueber eine Flaeche verteilt angreifenden Vertikalkraeften. Es ist das Ziel der Erfindung, eine wartungsarme, transportable und schnell einsetzbare Vorrichtung zu schaffen, die sich auch fuer rauhe Einsatzbedingungen eignet und mit der ohne besondere Anforderungen an Auflagebedingungen und Justagearbeiten zuverlaessig statische und dynamische Messungen durchgefuehrt werden koennen. Die Aufgabe, ueber eine Aufnahmeplatte und Messwertgeber Stuetzkraefte oder Gewicht durch Dehnungsmessstreifen zu erfassen, ohne dabei bewegliche Elemente oder Gelenke zu verwenden, wird geloest, indem zwischen einer biegesteifen Aufnahme- und einer Grundplatte zwei Doppel-Querkraftgeber besonderer Art angeordnet sind, wobei die Querkraftgeber und beide Platten zu einer starren, kompakten Einheit verbunden sind. Die Erfindung ist anwendbar bei Stuetzkraft- und Raddruckmessungen allgemeiner Art, bei der Ermittlung der Kraefte an Raupen, aber auch bei Fuellstandsbestimmungen oder Waegungen an Bunkern oder Behaeltern von Anlagen. Fig. 1The invention relates to a device for measuring preferably distributed over a surface attacking vertical forces. It is the object of the invention to provide a low-maintenance, portable and quickly deployable device, which is also suitable for harsh operating conditions and with the static and dynamic measurements can be performed reliably without any special requirements of conditions of support and adjustment work. The task of detecting supporting forces or weight by means of strain gauges via a receiving plate and measuring transducer without using movable elements or joints is achieved by arranging two double lateral force transmitters of a special type between a rigid receiving plate and a base plate, the lateral force transmitters and both plates are connected to a rigid, compact unit. The invention is applicable to support force and Raddruckmessungen general type, in the determination of the forces on caterpillars, but also in Füllstandsbestimmungen or waiving bunkers or containers of equipment. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von vorzugsweise über eine Fläche verteilt angreifenden Vertikalkräften. Sie ist anwendbar beispielsweise bei Stützkraft- und Raddruckmessungen an Autokranen zur Bestimmung der Standsicherheit, bei der Ermittlung der Kräfte an Raupen, aber auch bei Füllstandsbestimmungen oder Wägungen an Bunkern oder Behältern von Anlagen.The invention relates to a device for measuring preferably distributed over a surface attacking vertical forces. It can be used, for example, for supporting force and wheel pressure measurements on mobile cranes to determine the stability, for determining the forces on caterpillars, but also for level determinations or weighings on bunkers or containers of plants.

Characteristic of the known technical solutions

Es sind Kraftmeßvorrichtungen allgemein bekannt, die nach dem Prinzip arbeiten, daß zwischen einem Grundkörper und einer Deckplatte Meßfühler angeordnet sind, mit deren Hilfe auf die Deckplatte wirkende Kräfte als Meßgröße erfaßt werden. Als Meßfühler werden dabei vorzugsweise Scherbalken bzw. Querkraftgeber oder auch piezoelektrische Kraftmeßzellen eingesetzt.There are force measuring devices are generally known, which operate on the principle that between a main body and a cover plate sensors are arranged, with the help of which forces acting on the cover plate are detected as a measured variable. As a sensor, preferably shear bars or transverse force transmitters or else piezoelectric load cells are used.

Eine Kraftmeßvorrichtung mit den letztgenannten Meßfühlern wird in der DE-OS 3.313.960 beschrieben.A force measuring device with the latter sensors is described in DE-OS 3,313,960.

Zwischen einem Grundkörper und eine Deckplatte sind piezoelektrische Kraftmeßzellen angeordnet und mit diesen fest verbunden. Eine Adapterplatte, die ihrerseits auf der Deckplatte befestigt ist, soll eine symmetrische Krafteinleitung sowie Schutz vor Wärmeeinfall gewährleisten, wodurch innere Verspannungen des Meßsystems mit daraus folgender Nullpunktdrift und Verfälschung der Meßwerte vermieden werden sollen.Between a base body and a cover plate piezoelectric load cells are arranged and firmly connected with these. An adapter plate, which in turn is mounted on the cover plate, is intended to ensure a symmetrical introduction of force and protection against heat incidence, whereby internal stresses of the measuring system with consequent zero drift and falsification of the measured values should be avoided.

Die Einrichtung hat den Nachteil, daß ein hoher mechanischer Aufwand erforderlich ist. Piezoelektrische Kraftmeßzellen benötigen planparallele, geschliffene Auflageflächen mit engen Toleranzen sowie eine definierte mechanische Vorspannung zwischen Grund- und Deckplatte, damit gleiche Empfindlichkeit und Linearität erreicht werden.The device has the disadvantage that a high mechanical complexity is required. Piezoelectric load cells require plane-parallel, ground bearing surfaces with tight tolerances and a defined mechanical bias between the base and cover plate, so that the same sensitivity and linearity can be achieved.

Die Einzelsignale der Kraftmeßzellen dieses statisch unbestimmten Systems müssen nachfolgend von einem Rechner zu einer Gesamtkraft summiertwerden.The individual signals of the load cells of this statically indeterminate system must be subsequently summed by a computer to a total force.

Außerdem ist die Verwendungsmöglichkeit bei Messungen im Freien auf Grund der physikalisch bedingten Empfindlichkeit der verwendeten Bauelemente gegen Temperatur- und Witterungseinflüsse erheblich eingeschränkt.In addition, the possibility of use in measurements outdoors due to the physical sensitivity of the components used to temperature and weather conditions is significantly limited.

Nach DE-PS 2.529.028 ist eine Raddruckmeßplattform bekannt, bei der mit Dehnungsmeßstreifen bestückte Scherbalken als Kraftaufnehmer verwendet werden.According to DE-PS 2,529,028 a Raddruckmeßplattform is known in which equipped with strain gauges shear bars are used as force transducers.

Die Meßgitter der Dehnungsmeßstreifen sind ausdrücklich beiderseits der neutralen Linie des Scherbalkens unter einem Winkel von 45° in einem bestimmten Abstand zur neutralen Faser angeordnet, um außer der Schubdehnung auch einen Anteil Biegedehnung zum Zweck der Linearisierung der Meßwerte zu erfassen.The measuring grids of the strain gauges are expressly arranged on both sides of the neutral line of the shear bar at an angle of 45 ° at a certain distance to the neutral fiber, in addition to the shear strain to detect a proportion Biedehehnung for the purpose of linearization of the measured values.

Dieser Abstand der Dehnungsmeßstreifen zur neutralen Faser kann nur experimentell ermittelt werden, indem die Lage der Dehnungsmeßstreifen so lange variiert wird, bis der Meßwert weitgehend unabhängig vom Krafteinleitungsort wird.This distance of the strain gauges to the neutral fiber can only be determined experimentally by the position of the strain gauges is varied until the measured value is largely independent of the force application.

Die mechanische Beschaffenheit der Dehnungsmeßstreifen macht es bei dieser auch sehr zeitaufwendigen Methode außerdem erforderlich, daß nach jeder örtlichen Korrektur ein neuer Dehnungsmeßstreifen erforderlich ist, da der alte bei seiner Entfernung zerstört wird.The mechanical nature of the strain gages also requires, in this very time-consuming method, that after each local correction, a new strain gauge is required, as the old one is destroyed as it is removed.

In der US-PS 4.459.863 ist ein solcher Schubspannungsgeber, wie er für den Einsatz an Meßplattformen auch benutzt wird, näher beschrieben.In the US-PS 4,459,863 such a shear stress generator, as it is also used for use on measuring platforms, described in more detail.

Der Schubs'pannungsgeber ist in seiner Konstruktion derart gestaltet, daß in seinem Rechteckquerschnitt beiderseitig zylindrische oder ovale Fenster gefräst sind, wodurch partiell ein Doppel-T-Querschnitt entsteht. Auf dem verbleibenden Mittelsteg, welcher in Abhängigkeit seiner Dicke eine Transformation der Dehnung bewirkt, sind Dehnungsmeßstreifen angordnet.The thrust voltage generator is designed in such a way that in its rectangular cross-section mutually cylindrical or oval windows are milled, whereby partially creates a double-T cross-section. On the remaining central web, which causes a transformation of the elongation depending on its thickness, strain gauges are angordnet.

Aus spannungsoptischen Untersuchungen ist bekannt, daß bei dieser Ausführung der Winkel des Schubspannungsvektors nur bei einem bestimmten Abstand der Krafteinleitungspunkte bei dem Idealwinkel von 45° zur Längsachse liegt. Wird der Abstand vergrößert, verringert sich gleichzeitig der Winkel des Vektors und damit die Meßempfindlichkeit. Die schroffen Übergänge vom Rechteck- zum Doppel-T-Querschnitt bewirken erhebliche Störungen in der Homogenität des Spannungsfeldes, so daß nur ein eng begrenzter Bereich am Mittelsteg für die optimale Anbringung der Dehnungsmeßstreifen verfügbar ist.From voltage-optical investigations it is known that in this embodiment, the angle of the shear stress vector is only at a certain distance of the force application points at the ideal angle of 45 ° to the longitudinal axis. If the distance is increased, the angle of the vector and thus the measuring sensitivity decreases at the same time. The rugged transitions from the rectangular to the double-T cross-section cause considerable disturbances in the homogeneity of the stress field, so that only a narrow range at the central web for the optimal attachment of the strain gauges is available.

Daraus resultiert die bei derartigen Kraftmeßvorrichtungen an sich bekannte Empfindlichkeit des Meßwertes gegen den Ort der Krafteinleitung.This results in the known with such force measuring devices sensitivity of the measured value against the location of the force.

Dieser Schubspannungsgeber besitzt außerdem den Nachteil, daß die Dehnungsmeßstreifen zerstört werden müssen, wenn bei Einsatz, wie»in der DE-PS 2.529.028 beschrieben, mehrere Schubspannungsgeber zum Zwecke der Linearisierung des Meßergebnisses'auf gleiche Meßempfindlichkeit abgeglichen werden, was durch Verringerung der Dicke des Mittelsteges erfolgt.This shear stress generator also has the disadvantage that the strain gauges must be destroyed when in use, as described in DE-PS 2,529,028, several shear stress for the purpose of linearization of the Meßergebnisses' are calibrated to the same sensitivity, which by reducing the thickness the Mittelsteges takes place.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Messen vertikaler Kräfte, die über eine Fläche beliebig verteilt angreifen. Die Meßvorrichtung soll wartungsarm, transportabel und schnell einsatzfähig sein und sich auch bei rauhen Einsatzbedingungen eignen. Ohne besondere Anforderungen an Auflagebedingungen und Justagearbeiten sollen zuverlässig statische und dynamische Meßergebnisse erzielt werden.The object of the invention is to provide a device for measuring vertical forces that attack distributed over a surface arbitrarily. The measuring device should be low maintenance, portable and quick to use and are suitable even in harsh operating conditions. Without special requirements for conditions of support and adjustment work, static and dynamic measurement results should be reliably achieved.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung zu entwickeln, bei welcher über eine Aufnahmeplatte und Meßwertaufnehmer Stützkräfte von Kranen und Anlagen, Raddrücke luftbereifter Fahrzeuge, Kräfte an Raupen oder Gewichte durch Dehnungsmeßstreifen erfaßt werden. Dabei sollen keine beweglichen Elemente oder Gelenke verwendet werden. Die konstruktive Gestaltung der Meßwertgeber und die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen soll so sein, daß störende Nebenkräfte das Meßergebnis nicht oder nur unwesentlich beeinflussen.The invention has for its object to develop a measuring device in which a receiving plate and transducers supporting forces of cranes and equipment, wheel pressures of pneumatic vehicles, forces on caterpillars or weights are detected by strain gauges. No moving elements or joints should be used. The structural design of the transmitter and the arrangement of the strain gauges should be such that disturbing secondary forces do not influence the measurement result or only insignificantly.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen einer biegesteifen Aufnahme- und einer Grundplatte zwei Doppel-Querkraftgeber parallel zueinander und in einem frei wählbaren Abstand voneinander symmetrisch zur Mittellinie angeordnet sind. Aufnahme- und Grundplatte sind so mit den Doppel-Querkraftgebern verbunden, daß eine starre, kompakte Einheit entsteht.According to the invention the object is achieved in that between two rigid lateral and a base plate two double lateral force transmitters are arranged parallel to each other and at a freely selectable distance from each other symmetrically to the center line. Receiving and base plate are connected to the double-lateral force transmitters that a rigid, compact unit is formed.

Jeder Doppel-Querkraftgeber besteht aus einem Meßbalken, dessen beide Enden als Meßfühler besonderer Art, wie im folgenden beschrieben, ausgebildet sind.Each double lateral force transmitter consists of a measuring beam, the two ends of which are designed as sensors of a special kind, as described below.

In die Enden der Meßbalken sind axial Sackbohrungen und parallel zu diesen diametral an den Außenflächen der Meßfühler symmetrisch Nuten eingebracht, die der Transformation der Dehnung dienen.In the ends of the Meßbalken axially blind holes and parallel to these diametrically symmetrical grooves are introduced on the outer surfaces of the probe, which serve to transform the strain.

An den Wänden der Sackbohrungen sind außen oder innen jeweils 2 Dehnungsmeßstreifen in einem für die Linearisierung der Kraftmeßwerte günstigem Winkel zur Längsachse symmetrisch in der neutralen Faser angeordnet.On the walls of the blind holes, 2 strain gauges are arranged symmetrically in the neutral fiber outside or inside in an angle which is favorable for the linearization of the force measurement values with respect to the longitudinal axis.

Bei Belastung der Aufnahmeplatte werden die von den vier Meßfühlern der beiden Doppel-Querkraftgeber erfaßten Meßwerte elektrisch vereint und verstärkt.When the mounting plate is loaded, the measured values detected by the four sensors of the two double lateral force transmitters are electrically combined and amplified.

Die Darstellung bzw. Auswertung des Meßergebnisses kann wahlweise durch Analoganzeigeinstrumente, Digitalanzeigen oder Oszillogramme erfolgen.The display or evaluation of the measurement result can be done either by analogue display instruments, digital displays or oscillograms.

Da vorausgesetzt wird, daß bei außermittiger Krafteinleitung in die Aufnahmeplatte das Meßergebnis nicht verfälscht werden darf, erfolgt der Abgleich der vier Meßstellen an den Enden der Querkraftgeber auf gleichen Übertragungsfaktor durch Aufreiben der Sackbohrungen und/oder Erweiterung der Nuten.Since it is assumed that the result of measurement may not be falsified in the case of off-center force introduction into the receiving plate, the four measuring points at the ends of the transverse force transmitters are adjusted to the same transmission factor by reaming the blind bores and / or widening the grooves.

embodiment

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained below using an exemplary embodiment. The accompanying drawings show:

Fig. 1: Seitenansicht der Kraftmeßvorrichtung als Schnitt parallel zu einem Meßbalken, Fig.2: Schnitt nach Fig.2 durch einen Meßbalken.Fig. 1: side view of the force measuring device as a section parallel to a measuring beam, Figure 2: section of Figure 2 by a measuring beam.

Die Meßvorrichtung besteht aus einer stabilen, rechteckigen Grundplatte und einer ebensolchen Deckplatte. Zwischen diesen sind Doppel-Querkraftgeber symmetrisch zur Längsachse der Platten so angeordnet, daß sich ihre Enden in den Eckbereichen der Vorrichtung befinden.The measuring device consists of a stable, rectangular base plate and just such a cover plate. Between them, double lateral force transmitters are arranged symmetrically with respect to the longitudinal axis of the plates so that their ends are in the corner regions of the device.

Die Wahl der Querkraft als bestimmende Meßgröße bei der Ausbildung der Meßbalken hat den Vorteil, daß keine besonderen Anforderungen an die Auflager- bzw. Krafteinleitungspunkte gestellt werden müssen. Reibung an den Auflagestellen durch Formänderung bei Belastung und Entlastung der Deckplatte bleibt ohne Einfluß auf das Meßergebnis. Das System benötigt keine Spitzenlagerung, sondern kann fest verschraubt werden, ohne daß Abweichungen von der Linearität der Belastungskennlinie durch Hysterese auftreten.The choice of the transverse force as a determinant measured variable in the formation of the measuring beam has the advantage that no special requirements for the Auflager- or force application points must be made. Friction at the support points due to changes in shape during loading and unloading of the cover plate has no influence on the measurement result. The system does not need a top bearing, but can be screwed tightly, without deviations from the linearity of the load characteristic due to hysteresis.

Nach Fig. 1 sind auf der Grundplatte 1 Kontaktleisten 2 angeordnet, auf denen die Doppel-Querkraftgeber 3 aufliegen. An der Unterseite der Deckplatte 4 befinden sich ebenfalls Kontaktleisten 5, mittels derer die Deckplatte 4 auf die Doppel-Querkraftgeber 3 aufgesetzt ist.According to Fig. 1, contact strips 2 are arranged on the base plate 1, on which the double lateral force transmitters 3 rest. On the underside of the cover plate 4 are also contact strips 5, by means of which the cover plate 4 is placed on the double lateral force encoder 3.

Gleichfalls an der Unterseite der Deckplatte 4 sind Aussteifungsplatten 6 derart angeordnet, daß sie an den Stirnseiten der Doppel-Querkraftgeber 3 anliegen.Likewise on the underside of the cover plate 4 stiffening plates 6 are arranged such that they rest against the end faces of the double-lateral force encoder 3.

Mittels Schraubverbindungen 7,8 sind die Doppel-Querkraftgeber 3 mit der Deckplatte 4 bzw. den Aussteifungsplatten 6 sowie der Grundplatte 1 zu einer kompakten Einheit verbunden.By means of screw connections 7, 8, the double lateral force transmitters 3 are connected to the cover plate 4 or the stiffening plates 6 and the base plate 1 to form a compact unit.

An jedem Meßfühler sind seitlich auf der Mittellinie des von den inneren Kanten der Kontaktleisten 2 und 5 begrenzten Zwischenraumes in Höhe der horizontalen Symmetrieachse je 2 parallel liegende Dehnungsmeßstreifen 9,10 mit 45° Neigung angeordnet.At each sensor are arranged laterally on the center line of the inner edges of the contact strips 2 and 5 limited space in height of the horizontal axis of symmetry each 2 parallel strain gauges 9,10 with 45 ° inclination.

In die Meßfühler sind axial Sackbohrungen 11 und parallel dazu an Ober- und Unterseite des Meßfühlers jeweils Nuten 12 eingebracht.In the probe axially blind holes 11 and parallel to the top and bottom of the probe grooves 12 are introduced.

Die Sackbohrungen 11 und Nuten 12 bewirken eine Dehnungstransformation und damit eine Erhöhung der Meßempfindlichkeit auf etwa den dreifachen Wert des vollen Querschnittes. Diese Empfindlichkeitssteigerung hat den Vorteil einer erhöhten Stabilität des Meßsignales gegen äußere Störeinflüsse sowie einer erhöhten Meßgenauigkeit.The blind holes 11 and 12 grooves cause a strain transformation and thus an increase in the sensitivity to about three times the value of the full cross-section. This increase in sensitivity has the advantage of increased stability of the measurement signal against external interference and increased measurement accuracy.

Trotz der Mittelbohrung im Rechteckquerschnitt des Meßfühlers bleibt dessen Trägheitsmoment nahezu ungeschwächt, so daß das System starr bleibt und eine Veränderung der Krafteinleitungspunkte auf ein Minimum beschränkt ist. Infolge der Gleichförmigkeit des Meßquerschnittes, welcher die Krafteinleitungsstellen samt den Meßstellen ohne Sprünge überdeckt, sind keine Störungen und Unregelmäßigkeiten des Spannungsfeldes zu erwarten.Despite the central bore in the rectangular cross-section of the probe whose moment of inertia remains almost unimpaired, so that the system remains rigid and a change in the force application points is limited to a minimum. Due to the uniformity of the measuring cross section, which covers the force application points including the measuring points without jumps, no disturbances and irregularities of the stress field are to be expected.

Der Abgleich der Doppel-Querkraftgeber 3 auf gleiche Meßempfindlichkeit kann durch Aufreiben der Sackbohrungen 11 und/ oder Erweitern der Nuten 12 erfolgen.The adjustment of the double lateral force transmitter 3 to the same measuring sensitivity can be done by rubbing the blind holes 11 and / or widening of the grooves 12.

Diese Methode, welche durch die besondere Bauform der Meßfühler erlaubt wird, hat den Vorteil, daß die applizierten Dehnungsmeßstreifen unbeschädigt bleiben.This method, which is allowed by the special design of the probe, has the advantage that the applied strain gauges remain undamaged.

Durch das Aufreiben lassen sich die Einzelmeßstellen auf gleiche Empfindlichkeit trimmen, woraus die Unempfindlichkeit der Meßanordnung gegen außermittige Belastung resultiert.By rubbing the Einzelmeßstellen can be trimmed to the same sensitivity, resulting in the insensitivity of the measuring device against eccentric load.

Die Meßwerte der acht einzelnen Dehnungsmeßstreifen werden in an sich bekannter Weise mittels einer Wheatstone-Brücke zu einer summierenden Meßstelle vereint. Dabei erfolgt gleichzeitig eine elektrische Kompensation der Wirkung unerwünschter Nebenkräfte.The measured values of the eight individual strain gauges are combined in a manner known per se by means of a Wheatstone bridge to form a summing measuring point. At the same time there is an electrical compensation of the effect of undesired secondary forces.

Die Kraftmeßvorrichtung ist durch ihre flache und kompakte Bauweise ohne bewegliche Elemente wartungsarm, vielseitig anwendbar und auch für rauhen Betrieb im Freien geeignet.The force measuring device is low-maintenance, versatile and also suitable for harsh outdoor operation due to its flat and compact design without moving elements.

Claims

Invention claim:

1. Force measuring device with located between a base plate and cover plate transducers, characterized in that as a double transverse lateral force transmitter (3) are provided which are arranged parallel to each other and at a freely selectable distance from each other symmetrically to the center line.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that serve as a double lateral force transmitter (3) measuring beam, whose ends are each formed as a sensor.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that on the underside of the cover plate (4) on the end faces of the double lateral force transmitter (3) adjacent stiffening plates (6) are arranged.

4. Device according to claims 1 to 3, characterized in that in the ends of the measuring beam axially blind holes (11) and parallel thereto diametrically into the outer surfaces of the measuring beam grooves (12) are introduced.

5. Device according to claims 1 to 4, characterized in that on the walls of the blind holes (11) outside or inside each two strain gauges (9) are applied symmetrically in the neutral fiber at an angle of preferably 45 ° to the longitudinal axis.