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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein modulares Kraftaufnehmersystem
zum Messen von Kräften, die im Wesentlichen quer auf eine
Achse, insbesondere eine Messachse, wirken, mit: einem ersten Modul,
das einen Achskörper umfasst, der sich entlang einer Längsachse
erstreckt, wobei der Achskörper einen Krafteinleitungsabschnitt,
mindestens einen Lagerabschnitt und mindestens einen Verformungsabschnitt
aufweist; und einem zweiten Modul, das eine Messzelle mit einem
Messzellenkörper umfasst, wobei der Messzellenkörper
mit einem elektrischen Messsystem verbunden ist.
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Ein
solcher Kraftaufnehmer ist exemplarisch in 5 dargestellte
und mit 110 bezeichnet. Der Kraftaufnehmer 110 stellt
eine sogenannte Messachse dar. Die Messachse 110 erstreckt
sich längs einer Längsachse 116. Sie
ist ferner in drei Abschnitte unterteilt. Ein erster Abschnitt zum
Einleiten einer Kraft 120 quer zur Längsachse 116 ist
mit 118 bezeichnet. An den Krafteinleitungsabschnitt 118 schließt
sich in axialer Richtung jeweils ein Verformungsabschnitt 122 an.
Die Verformungsabschnitte 122 weisen einen geringeren Durchmesser
als der Krafteinleitungsabschnitt 118 auf. An die Verformungsabschnitte 122 wiederum
schließen sich sogenannte Lagerabschnitte 128 an,
die von Halteschenkeln 129 mittels Bohrungen 130 gehalten
werden. Der Krafteinleitungsabschnitt 118 trägt
beispielsweise eine Seilrolle 131, wie sie beispielsweise
bei Kränen eingesetzt wird. Über die Seilrolle 131 wird
die (Gewichts-)Kraft auf den Krafteinleitungsabschnitt 118 übertragen.
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Bei
dem in 5 gezeigten Kraftaufnehmersystem 110 sind
die Verformungsabschnitte 122 aus dem Vollmaterial des
Achskörpers 112 gedreht und gefräst.
Bei Einwirkung einer Kraft 120 kommt es in diesen Bereichen
zu den größten Verformungen (Biegung/Stauchung/Scherung).
Diese Verformungen werden wiederum mittels Messzellen 134 in
elektrische Signale umgewandelt. Dazu ist eine Messzelle, wie zum
Beispiel ein Dehnungsmessstreifen (DMS) vorgesehen. Die Messzelle 134 sitzt
in einer Vertiefung, die sich in radialer Richtung, das heißt senkrecht
zur Zeichnungsebene der 5, in den Achskörper 112 erstreckt.
Die Verdrahtung von (hier nicht dargestellten) DMS erfolgt durch
hier nicht dargestellte Bohrungen, die sich im Inneren des Achskörpers 112 befinden,
so dass die Signale an einem axialen Ende des Achskörpers 112 über
einen Anschluss 132 abgegriffen werden können.
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Die
für das Funktionieren des Scher- bzw. Biegebalkenprinzips
erforderlichen Aussparungen im Bereich der Verformungsabschnitte 122,
wo die Messzellen 134 angeordnet sind, sind aufgrund des variierenden
Radius und variierenden Bohrungstiefen schwierig herzustellen. Die
radialen Vertiefungen für die Messzellen 134 müssen
in einem getrennten Arbeitsgang radial in den Achskörper 112 gefräst werden.
Gleiches gilt für die nicht dargestellten Bohrungen, um
die Messzellen 134 zu verdrahten.
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Die
Verdrahtung der Kraftmesszellen 134 selbst ist aufwändig,
da die Kabel durch Verdrahtungsbohrungen geringen Durchmessers hindurchgeführt
werden müssen, um sie z. B. mit dem Anschluss 132 zu
verbinden.
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Ein
weiteres Problem stellt die Versiegelung bzw. der Verschluss der
Messzellen 134 gegenüber der Außenwelt
dar. Grundsätzlich sind die Messzellen 134 äußeren
Einflüssen, wie zum Beispiel Stößen oder
wechselndem Wetter, ausgesetzt. Ist eine Messzelle 134 nicht
ausreichend gegenüber der Außenwelt abgedichtet,
so kann Wasser in die Messzelle 134 eindringen und den
Betrieb derselben stören oder diese sogar zerstören.
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Ein
anderes Problem stellt die Anbringung der DMS in den radialen Bohrungen
dar. Die radialen Vertiefungen weisen in der Regel einen relativ
kleinen Durchmesser auf bzw. sind relativ tief, so dass sich das
Verkleben von Folien-DMS aufgrund des geringen zur Verfügung
stehenden Raumes problematisch und aufwändig gestaltet.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
Kraftaufnehmersystem bereitzustellen, welches deutlich einfacher
und kostengünstiger herzustellen ist. Insbesondere soll
die Messzelle gegenüber äußeren Einflüssen
geschützt sein. Sollten Folien-DMS verwendet werden, die
geklebt werden müssen, so sollen diese einfach in den Kraftaufnehmerkörper
einzubauen sein.
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Diese
Aufgabe wird durch ein modulares Kraftaufnehmersystem der eingangs
erwähnten Art gelöst, wobei das zweite Modul in
eine axiale Bohrung des ersten Moduls einführbar ist und
derart kraftschlüssig oder formschlüssig mit dem
ersten Modul verbindbar ist, dass bei einer durch äußere
Kraftwirkung hervorgerufenen Verformung des Verformungsabschnitts
des Achskörpers eine Verformung des Messzellenkörpers
hervorgerufen wird, die in Form eines entsprechenden elektrischen
Signals durch das elektrische Messsystem ausgegeben wird.
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Bei
dem Achskörper gemäß der vorliegenden
Erfindung sind im Gegensatz zu Achskörpern gemäß dem
Stand der Technik keine radialen Bohrungen mehr erforderlich. Stattdessen
wird lediglich eine axiale Bohrung vorgesehen, die fertigungstechnisch einfacher
als Radialbohrungen herzustellen ist, weil der Achskörper
in einer Aufspannung lediglich gedreht wird. Der Messzellenkörper
wird anschließend in die axiale Bohrung eingeführt,
wobei die Abmessungen der Bohrung und der Messzelle derart gewählt
sind, dass sie kraftschlüssig miteinander verbindbar sind.
Die Messzelle befindet sich dann im Inneren des Achskörpers
und ist gegenüber äußeren Einflüssen
geschützt. Ferner kann die Messzelle bereits außerhalb
der Messzelle präpariert werden. Die Messzelle sowie deren
Verdrahtung kann außerhalb des Achskörpers montiert
bzw. vorbereitet werden. Anschließend wird die bereits
verdrahtete Messzelle in den Achskörper eingeführt,
was eine erhebliche Vereinfachung darstellt.
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Außerdem
ist es bevorzugt, wenn der Achskörper den Messzellenkörper
im eingeführten Zustand relativ zur Längsachse
in Umfangsrichtung umgibt.
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Da
die zu messende Kraft in der Regel im Wesentlichen senkrecht zur
Längsachse des Achskörpers wirkt, können
Verformungen am besten auf die Messzelle übertragen werden,
wenn diese vorzugsweise entlang ihrer gesamten Längserstreckung in
Umfangsrichtung vollständig vom Achskörper umgeben
wird. Die Kraftübertragung erfolgt dann direkt im Inneren
des Achskörpers, was die Zuverlässigkeit der Sensorik,
die in der Regel auf dem Scher- bzw. Biegebalkenprinzip beruht,
erhöht.
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Ferner
hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die axiale Bohrung
konzentrisch zur Längsachse angeordnet ist.
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Im
Falle einer konzentrischen Bohrung kann für die Messzelle
eine Kraftmesssensorik verwendet werden, die in der Lage ist, eine
Richtung der Krafteinwirkung zu bestimmen. Da sich die axiale Bohrung in
der Mitte des Achskörpers befindet, herrscht die für eine
richtungsabhängige Kraftmessung erforderliche Symmetrie.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform liegt die axiale Bohrung im
Bereich des Verformungsabschnitts.
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Wie
bereits oben erwähnt, ist die mechanische Verformung im
Bereich des Verformungsabschnitts am größten.
Wird die Messzelle genau in diesem Bereich des Achskörpers
angeordnet, so erhöht sich die Empfindlichkeit der Kraftmesssensorik.
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Ferner
ist es bevorzugt, wenn die axiale Bohrung durch den Achskörper
hindurch verläuft.
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Bei
dieser Ausgestaltung ist es möglich, die Messzelle von
beiden Seiten des Achskörpers einzuführen. Ferner
ermöglicht dies die Einführung einer weiteren
Messzelle, ohne dass die erste Messzelle zum Ein- oder Ausbau der
weiteren Messzelle ein- und ausgebaut werden muss.
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Vorzugsweise
weist die axiale Bohrung axiale Abschnitte mit unterschiedlichen
Durchmessern auf.
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Im
Falle einer durchgehenden axialen Bohrung kann die axiale Bohrung
in einem mittleren Bereich relativ zur Längsachse des Achskörpers
einen geringeren Durchmesser als die Messzelle aufweisen. Auf diese
Weise wird gewährleistet, dass die Messzelle nicht in den
mittleren Bereich der axialen Bohrung einführbar ist. Im
mittleren Bereich der axialen Bohrung finden in der Regel nur geringe
mechanische Verformungen statt, so dass der mittlere Bereich des
Achskörpers für die Messung von Kräften, die
auf dem Biegebalkenprinzip beruht, relativ uninteressant ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die axiale
Bohrung einen Abschnitt, der zur Aufnahme der Messzelle bestimmt
ist und konisch ausgebildet ist.
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Die
konische Ausbildung der axialen Bohrung erlaubt, bei einem entsprechend
ausgebildeten Messzellenkörper, eine flächige
Verbindung zwischen dem Messzellenkörper und dem Achskörper, wenn
die Messzelle in die axiale Bohrung eingeführt ist. Je
stärker der Messzellenkörper in den Achskörper
gepresst wird, desto besser ist die Flächenverbindung und
desto besser ist somit die Kraftübertragung vom Achskörper
auf die Messzelle. Dies wiederum erhöht die Empfindlichkeit
sowie die Zuverlässigkeit des gesamten Kraftmesssystems.
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Vorzugsweise
ist die Messzelle hantelförmig ausgebildet. Insbesondere
weist der hantelförmige Messzellenkörper zwei
Hantelköpfe und ein Brückenelement auf, wobei
das Brückenelement die Hantelköpfe in axialer
Richtung verbindet.
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Die
Hantelform ist ideal für das Biegebalken- oder Scherprinzip.
Das Brückenelement lässt sich einfach verbiegen
bzw. scheren und dient insbesondere deswegen auch als Anbringungsort
für die Kraftmesssensorik. Bildhaft gesprochen stellt die
hantelförmige Messzelle selbst eine Messachse dar, die wiederum
in eine größere äußere Messachse
axial einführbar ist.
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Als
vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Messzellenkörper
einstückig ausgebildet ist.
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Bei
einstückiger Ausbildung des Messzellenkörpers
lässt sich das Brückenelement zwischen den Hantelköpfen
auf einfache Weise herstellen. Die Hantelköpfe können
beispielsweise zylinderförmig, und bevorzugt konisch, ausgebildet
sein, so dass der Messzellenkörper selbst aus Rundmaterial
herstellbar ist. Rundmaterial ist kostengünstig und einfach lagerbar.
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Alternativ
können die Hantelköpfe und das Brückenelement
modular ausgebildet sein. Insbesondere weisen dann die sich gegenüberliegenden Stirnflächen
der Hantelköpfe jeweils eine Aussparung zur formschlüssigen
Aufnahme des Brückenelements auf.
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Ist
die Messzelle selbst modular aufgebaut, kann der gesamte Kraftaufnehmer
aus einem beliebig variierbaren Baukastensystem gewählt
werden.
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Je
nach Anforderung (zum Beispiel unterschiedliche Messbereiche) können
unterschiedlich stark ausgebildete Komponenten verwendet werden. Der
modulartige Aufbau der Messzelle selbst ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn die Kraftmesssensorik mittels Sputter-Technik auf das Brückenelement aufgebracht
wird. Im zusammengebauten Zustand der Hanteln lässt sich
die Sputter-Technik nur schwer auf das Brückenelement anwenden,
was sich schlimmstenfalls in einer nicht ausreichend homogenen Oberflächenbeschaffenheit
des Brückenelements bzw. der mittels der Sputter-Technik
herzustellenden Sensorik äußert.
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Insbesondere
wenn die Sputter-Technik zur Herstellung der Kraftmesssensorik verwendet
wird, das heißt wenn Dehnungsmessleitungen atomarer Größenordnung
gewünscht sind, werden bevorzugt Plättchen als
Brückenelement verwendet. Die Plättchen lassen
sich auf einfache Weise in entsprechende Aussparungen in den Stirnseiten
der Handelköpfe einführen. Das Plättchen
selbst weist eine ausreichend große Fläche auf,
um die Sputter-Technik zufriedenstellend anwenden zu können.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Brückenelement
einen kreuzförmigen Querschnitt auf.
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Mit
einem kreuzförmigen Querschnitt lassen sich mehrere Kraftmesssensoren
auf den jeweiligen Flächen des Brückenelements
anordnen. Flächen, die in ein und derselben Ebene liegen,
können zur Bestimmung einer Kraftkomponente in einer ersten Richtung
verwendet werden. Die Sensoren, die auf der anderen Ebene angeordnet
sind, können zur Bestimmung einer zweiten Kraftkomponente
verwendet werden, die um 90° zur ersten Kraftkomponente
gedreht orientiert ist.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn das Brückenelement vierkantförmig
und innen hohl ausgebildet ist. Mit einem vierkantförmigen
Brückenelement lassen sich sowohl (richtungsabhängig)
Biegekräfte als auch Scherkräfte hervorragend
messen.
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Für
die Messung von Torsionskräften ist insbesondere die Verwendung
eines zylinderförmigen Brückenelements vorteilhaft.
Mit Hilfe eines Massivzylinders lassen sich hervorragend Verwindungskräfte
von einer Stirnfläche her zur anderen Stirnfläche hin übertragen.
In diesem Fall wird die Kraftmesssensorik an der Außenseite
des Zylinders angebracht, um die mechanische Verformung des zylinderförmigen
Brückenabschnitts gut detektieren zu können. Je größer
der Radius des Brückenelements ist, desto geringer ist
die Verwindungssteifigkeit, d. h. das Drehmoment nimmt zu.
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Vorzugsweise
ist die Messzelle (z. B. DMS) im Bereich der Mitte in axialer Richtung
angeordnet, so dass auch bei Einwirkung einer Torsionskraft gar kein
bzw. nur ein geringes Drehmoment übertragen wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zwei Messzellen vorgesehen,
die jeweils in eine axiale Bohrung einführbar sind.
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Durch
das Vorsehen von zwei Messzellen ist man richtungsunabhängig,
insofern dass die Messrichtung variabel durch die Positionierung
eingestellt werden kann. Es ist dadurch auch möglich Messachsen
in X- und Y-Messrichtung herzustellen.
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Vorzugsweise
sind die zwei Messzellen in zwei axiale Bohrungen einführbar,
die sich von den Stirnflächen des Achskörpers
in Richtung des Achsinneren konzentrisch zur Längsachse
erstrecken.
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Alternativ
können an ein und derselben Stirnfläche zwei koaxiale
Bohrungen vorgesehen werden.
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Die
Verbindung zwischen dem ersten Modul, das den Achskörper
umfasst, und dem zweiten Modul, das die Messzelle (mit eigenem Messzellenkörper)
umfasst, erfolgt vorzugsweise kraftschlüssig. Eine kraftschlüssige
Verbindung zwischen Messzelle und Achskörper ist insofern
von Vorteil, dass das Messzellenmodul einfach in das Achsmodul eingebaut
werden kann, wobei geringere Anforderungen an die Genauigkeit der äußeren
Kontur gestellt werden können. Die äußere
Gestalt des Messzellenmoduls muss nicht mehr zwingend annähernd
identisch zur Gestalt der axialen Bohrung im Achskörpermodul sein,
da die Kraftübertragung (während einer Messung)
nicht mehr (ausschließlich) über die Flächenverbindung,
sondern über den Kraftschluss zwischen den beiden Modulen
erfolgt. Ein großer Vorteil ist also darin zu sehen, dass
die Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit geringer werden.
Weiter wird der Einbau auch erleichtert. Gleiches gilt für
Wartungen und einen Austausch des Messzellenmoduls.
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Vorzugsweise
weist der Messzellenkörper mindestens einen ersten Befestigungsabschnitt
sowie einen Verformungsabschnitt auf. Der Messzellenkörper
kann ferner einen zweiten Befestigungsabschnitt aufweisen. Der Verformungsabschnitt
ist insbesondere in axialer Richtung zwischen dem ersten und zweiten
Befestigungsabschnitt angeordnet. Ferner trägt er das elektrische
Messsystem.
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Ein
derartiger Aufbau ermöglicht eine einfache Implementierung
des Scher- bzw. Biegebalkenprinzips.
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Ferner
ist es von Vorteil, wenn die Befestigungsabschnitte Bohrungen in
axialer Richtung zur Aufnahme von vorzugsweise Schrauben aufweisen, wobei
die Bohrungen so angeordnet sind, dass sie sich, in axialer Richtung
betrachtet, nicht überdecken und in axialer Richtung gleichzeitig
zugänglich sind.
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Somit
ist gewährleistet, dass das Messzellenmodul einfach mit
dem Achskörpermodul verschraubt werden kann. Das Einsetzen
der Schrauben wird dadurch vereinfacht, dass alle Bohrungen frei
zugänglich sind, insbesondere gleichzeitig frei zugänglich sind.
Deshalb ist es auch egal, in welcher Reihenfolge die Schrauben eingesetzt
werden. Notfalls können auch nur einzelne Schrauben ausgetauscht
werden. Sollte es erforderlich sein, können einzelne Schrauben
auch nachgezogen werden, um die kraftschlüssige Verbindung
zwischen dem Messzellenmodul und dem Achskörpermodul sicherzustellen.
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Auch
ist es von Vorteil, wenn die Bohrungen im Messzellenkörper
gewindefrei sind.
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So
umgeht man Probleme, die auf ein Spiel in axialer Richtung aufgrund
des Gewindespiels zurückzuführen sind.
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Insbesondere
ist es bevorzugt, wenn die Befestigungsabschnitte im Wesentlichen
senkrecht zur axialen Richtung orientiert sind.
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Dies
erleichtert den Einbau des Messzellenmoduls in den Achskörper.
Es kann in axialer Richtung unter Vermeidung von Anstellwinkeln
eingebaut werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Befestigungsabschnitte
entweder parallel versetzt oder senkrecht zueinander orientiert.
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Auch
diese Maßnahme ermöglicht es, dass die verschiedenen
Schrauben jederzeit zugänglich sind und einzeln ausgetauscht
werden können. Bei Sicherung über Kreuz lassen
sich auch Torsionskräfte gut übertragen. Eine
gute verteilte Anordnung der Schrauben ist von Vorteil.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist der Verformungsabschnitt plättchenförmig
ausgebildet. Er weist insbesondere eine geringere Stärke
als die Befestigungsabschnitte auf.
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Diese
Maßnahme erhöht die Empfindlichkeit des Gesamtmesssystems.
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Ferner
ist es bevorzugt, wenn eine Form bzw. Gestalt der axialen Bohrung
des Achskörpers so gewählt ist, dass das zweite
Modul von außen eingeführt werden kann, wobei
die Form der axialen Bohrung des Achskörpers so gewählt
ist, dass zumindest einer der Befestigungsabschnitte formschlüssig
aufgenommen wird.
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Insbesondere
wird auch der andere Befestigungsabschnitt zumindest teilweise formschlüssig aufgenommen.
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Bei
dieser Ausgestaltung kommt es zu einer Kraftübertragung
sowohl aufgrund eines Formschlusses als auch eines Kraftschlusses,
so dass jederzeit gewährleistet ist, dass das elektrische
Messsystem auch tatsächlich ein Signal erzeugt, das durch
eine Verformung des Gesamtsystems hervorgerufen wird.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Messachse, die in Längsrichtung geschnitten dargestellt
ist;
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2A–C
verschiedene Darstellungen einer Messzelle gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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3A–C
verschiedene Ausgestaltungen eines Brückenelements einer
Messzelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Schnittansicht eines Achskörpers mit konisch ausgestalteter
axialer Bohrung und konischer Messzelle gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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5 eine
perspektivische Ansicht einer Messachse gemäß dem
Stand der Technik;
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6A–D eine Vorderansicht, Seitenansicht,
Draufsicht bzw. perspektivische Ansicht einer abgewandelten Messzelle
gemäß der vorliegenden Erfindung;
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7A–D eine Vorderansicht, Seitenansicht,
Draufsicht bzw. perspektivische Ansicht einer weiteren abgewandelten
Messzelle gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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8A–D eine Vorderansicht, Seitenansicht,
Draufsicht bzw. perspektivische Ansicht einer noch weiter abgewandelten
Messzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In
den nachfolgenden Figuren werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet werden.
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In 1 ist
eine Messachse bzw. ein Kraftaufnehmersystem 10 in perspektivischer
Ansicht dargestellt.
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Die
Messachse 10 weist einen Messachsenkörper 12 mit
einer konzentrischen axialen Bohrung 14 auf. Die axiale
Bohrung 14 erstreckt sich entlang einer Längsachse 16.
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Der
Messachsenkörper 12 umfasst des Weiteren einen
Krafteinleitungsabschnitt 18, auf den gewöhnlicherweise
eine mit einem Pfeil 20 symbolisierte Kraft im Wesentlichen
senkrecht zur Längsachse 16 auf die Messachse 10 wirkt.
An den Kraftein leitungsabschnitt 18 schließen
sich Verformungsabschnitte 22 an. Der Achskörper 12 ist
dort in umfängliche Richtung 24 weniger stark
ausgebildet als im Krafteinleitungsbereich 18. Der Achskörper 12 kann zum
Beispiel aus Rundmaterial hergestellt werden, in das rundumlaufende
Nuten 25 gefräst oder gedreht werden, um die Verformungsabschnitte 22 auszubilden.
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An
die Verformungsabschnitte 22 wiederum schließen
sich Lagerabschnitte 28 an, die zur Aufnahme in entsprechend
ausgebildeten Halteelementen, wie sie exemplarisch in 5 bereits
dargestellt sind, geeignet sind.
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Es
ist festzustellen, dass die Messachse 10 mit jeweils mindestens
einem Verformungsabschnitt 22 und mindestens einem Lagerabschnitt 28 ausgebildet
ist.
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Was
die axiale Bohrung 14 betrifft, so kann deren Durchmesser
im Lagerabschnitt 28 in Richtung der äußeren
Stirnseiten der Messachse 10 stufenartig oder kontinuierlich
variieren. Im Bereich der Verformungsabschnitte 22 und
des Krafteinleitungsabschnitts 16 weist der Durchmesser üblicherweise
einen konstanten Wert auf. Der Durchmesser entspricht dabei im Wesentlichen
dem Durchmesser einer Messzelle 30, die einen Messzellenkörper 32 umfasst.
Auf die Form des Messzellenkörpers 32 wird in Zusammenhang
mit 2A bis 2C noch
detailliert Bezug genommen.
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Im
Bereich der inneren axialen Bohrung 14 ist diese bei der
Ausgestaltung gemäß der 1 in drei
Abschnitte unterteilt. Die axiale Bohrung 14 weist zwei
Messzellenabschnitte 34 sowie einen Mittelabschnitt 36 auf.
Der Durchmesser der Messzellenabschnitte 34 entspricht
dabei, wie bereits oben erwähnt, nahezu dem Durchmesser
der Messzelle. Der Durchmesser des Mittelabschnitts 36 kann
wiederum variieren. Vorzugsweise nimmt der Durchmesser im Mittelabschnitt 36 nochmals
ab, so dass sich eine Stufe im Mittelabschnitt 36 ausbildet,
die als mechanischer Anschlag für die Messzellen 30 dient.
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Bezug
nehmend auf 2A–C ist eine weitere
Ausführungsform einer Messzelle 30' gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. 2A zeigt eine Schnittansicht, ähnlich
zu dem in 1 dargestellten Schnitt. 2B zeigt
eine Draufsicht auf ein mittleres Element der Messzelle 30'. 2C zeigt eine
Vorderansicht einer Stirnseite der Messzelle 30' entlang
der Längsachse 16.
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In 2A ist
in der seitlichen Schnittansicht links ein Hantelkopf 40 und
rechts ein Hantelkopf 42 dargestellt. Die beiden Hantelköpfe 40 und 42 werden
mittels eines Brückenelements 44 miteinander verbunden.
Die Messzelle 30' kann sowohl einteilig als auch mehrteilig
ausgebildet sein. Bei der Ausgestaltung gemäß der 2A ist
ein mehrteiliger Aufbau gezeigt.
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In
sich gegenüberliegenden Stirnflächen 46 und 48 der
Hantelköpfe 40 bzw. 42 sind entsprechende
Aussparungen 50 (vgl. auch 2C) dargestellt, die
zur Aufnahme des plättchenförmigen Brückenelements 44 geeignet
sind.
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Das
plättchenförmige Element 44 ist in 2B in
Draufsicht schematisch dargestellt. In einem mittleren Bereich 52 des
Brückenelements 44 ist ein Kraftmesssensor 54 angeordnet.
Der Kraftmesssensor 54 wird hier durch zwei Folien-DMS 56 und 58 realisiert.
Aus Gründen der Redundanz sind zwei DMS vorgesehen. Ein
DMS (Vollbrücke) würde jedoch ausreichen.
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Der
mehrteilige Aufbau der Messzelle 30' hat den Vorteil, dass
das plättchenförmige Brückenelement 44 nicht
nur mit Folien-DMS 56 und 58 beklebt werden kann,
sondern dass auch Sputter-Techniken angewendet werden können.
Die Fläche des plättchenförmigen Brückenelements 44 ist
ausreichend groß, um einen Ionenstrahl bei der Sputter-Technik präzise
führen zu können, damit eine homogene Verteilung
auf der Oberfläche erzielt wird, die bei einer einstückig
ausgebildeten Messzelle nicht erreichbar wäre, da unter
Umständen die Hantelköpfe 40 und 42 im
Weg waren. Alternativ könnten gesputterte Zellen auch aufgeschweißt
werden.
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Zurückkehrend
zur 2A können die Hantelköpfe 40 und 42 zusätzlich
auch mit Rillen bzw. Vertiefungen 60 versehen sein, die
sich in Umfangsrichtung 24 erstrecken. Die Rillen 60 dienen
u. a. zur Aufnahme von O-Ringen 62. Ferner kann Klebstoff
in die Rillen 60 eingefügt werden, um die Messzelle 30' mit
dem Achskörper 12 zu verkleben. Auf diese Weise
erhält man eine sichere Fixierung der Messzelle 30' im
Achskörper 12. Die O-Ringe 62 dichten
dann die Messzelle gegenüber der Außenwelt ab.
Die Messzelle ist dann vor äußeren Einflüssen
geschützt.
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In
den 3A bis 3C sind
weitere Querschnittsformen für das Brückenelement 44 gezeigt. So
zeigt 3A einen kreuzförmigen
Querschnitt, 3B einen (massiven) kreisförmigen
Querschnitt und 3C einen vierkantförmigen
Querschnitt, der innen hohl ist. Die Kraftmesssensorik lässt
sich an den jeweiligen Außenflächen anbringen.
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Die
massive zylindrische Form des Brückenelements 44 der 3B hat
sich insbesondere bei der Messung von Scherkräften als
vorteilhaft herausgestellt.
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4 zeigt
eine weitere Möglichkeit, wie eine Messzelle 30'' gemäß der
vorliegenden Erfindung zuverlässig mit einem Achskörper 12'' verbunden
werden kann.
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4 zeigt
eine Schnittansicht entlang der Längsachse 16.
Die Messzelle 30'' ist in die axiale Bohrung 14'' eingeführt.
Die axiale Bohrung 14'' ist im Messzellenabschnitt 34'' konisch
ausgebildet. Um dies besser grafisch darstellbar machen zu können, ist
eine Hilfslinie 70 eingezeichnet, die den „normalen"
Verlauf einer zylindrischen Axialbohrung zeigt (vgl. 1).
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Damit
die Messzelle 30'' in die axiale Bohrung 14'' einführbar
ist, sind die Hantelköpfe 40'' und 42'' ebenfalls
entsprechend konisch ausgebildet.
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An
den Messzellenabschnitt 34 der axialen Bohrung 14'' schließt
sich ein Gewindeabschnitt 72 mit einem Gewinde 74 an.
Der Gewindeabschnitt 72 dient zur Aufnah me eines Sperrkörpers 76,
der außenumfänglich ebenfalls mit einem entsprechenden Gewinde 78 versehen
ist.
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Mit
Hilfe des Sperrkörpers 76 lässt sich
die Messzelle 30'' auf einfache Weise ins Innere der axialen
Bohrung 14 pressen. Ferner ist die Messzelle 30'' gegen
ein Herausfallen gesichert.
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Um
die Verdrahtung einer Kraftmesssensorik 54 durchführen
zu können, weisen sowohl der Sperrkörper 76 als
auch die Messzelle 30'' vorzugsweise entsprechende Durchführungen 80 bzw. 82 auf.
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Es
versteht sich, dass man die Messzelle auch auf andere Art und Weise
mit dem Achskörper verbinden kann. Die Messzelle könnte
beispielsweise auch mit dem Achskörper verschweißt
werden. Der Sperrkörper wäre dann überflüssig.
Die Schweißnaht würde die Messzelle sichern.
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Ferner
kann das erfindungsgemäße modulare Kraftaufnehmersystem
auch Anwendung bei Kraftmessdosen bzw. -ringen, Messlaschen und ähnlichen
Kraftmesssystemen finden.
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Nachfolgend
werden Abwandlungen der Messzelle beschrieben werden, wobei am modularen Gedanken
festgehalten wird, d. h. die Messzelle wird weiterhin außerhalb
der Messachse präpariert (Verklebung, Verdrahtung, etc.)
und anschließend in den Achskörper eingeführt,
um das Gesamtsystem zu vervollständigen.
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Abweichend
von dem bisher vorgeschlagenen Lösungsweg, das erste Modul
(Messachsenkörper) formschlüssig mit dem zweiten
Modul (Messzelle) zu verbinden, werden nachfolgend verschiedene Messzellentypen
im Zusammenhang mit den 6 bis 8 erläutert
werden. Es versteht sich, dass die axiale Bohrung 14 im
Achskörper 12 – was ihre Gestalt betrifft – entsprechend
abgewandelt wird. Eine Abwandlung der Ausgestaltung der axialen
Bohrung 14 des Achskörpers 12 ist nachfolgend
nicht graphisch dargestellt, jedoch für einen Fachmann
ohne weiteres aufgrund der bisher vorliegenden Beschreibung nachvollziehbar.
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6A zeigt eine Vorderansicht einer ersten abgewandelten
Messzelle 100 zur kraftschlüssigen Verbindung
mit dem Messachsenkörper 12. 6B zeigt
eine Seitenansicht der 6A. 6C zeigt eine Draufsicht auf die erste
Abwandlung gemäß den 6A und 6B. 6B zeigt
eine perspektivische Ansicht der ersten Abwandlung der Messzelle 100.
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Die
Messzelle 100 umfasst einen Messzellenkörper 101.
Der Messzellenkörper 101 weist einen Verformungsabschnitt 102 sowie
einen ersten Befestigungsabschnitt 104 und einen zweiten
Befestigungsabschnitt 106 auf. Der Verformungsabschnitt 102 ist
zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt 104 und dem zweiten
Befestigungsabschnitt 106 angeordnet. Auch hier ist die
lichte Länge des Verformungsabschnittes 102 (vgl.
lichte Länge des Brückenelements 44 der 2) vorzugsweise so lang wie die axiale
Länge des Verformungsabschnitts 22 des Messachsenkörpers 12 (vgl.
z. B. 4). Auch hier kann der Messzellenkörper 101 einstückig
oder mehrteilig aufgebaut sein. Der Verformungsabschnitt trägt
das elektrische Messsystem, wie in den 6A und 6B durch exemplarische Folien-DMS 56 angedeutet.
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In 6B ist die axiale Richtung mittels eines
Pfeils 130 angedeutet. Die Messzelle 100 wird
in Richtung des Pfeils 130 in axialer Richtung in den Messzellenkörper 12 eingebaut
(vgl. 1). Der Pfeil 130 ist dabei parallel
zur Längsachse 16 der 1 orientiert.
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Die
Messzelle 100 der 6 umfasst
eine Vielzahl von in axialer Richtung verlaufenden Bohrungen 108 (vgl. 6C und 6D).
Diese sind vorzugsweise gewindefrei. Durch die Bohrungen bzw. Öffnungen 108 laufen – im
eingebauten Zustand der Messzelle 100 – beispielsweise
Schrauben, die in entsprechende Öffnungen im Messachsenkörper eingreifen
(nicht dargestellt). Dazu weist auch der Messachsenkörper 12 entsprechende
Gewindebohrungen auf.
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Im
ersten Befestigungsabschnitt 104 sind exemplarisch vier
Bohrungen 108 vorgesehen. Im zweiten Befestigungsabschnitt 106 sind
hier zwei Bohrungen 108 vorgesehen. Die Bohrungen 108 des
ersten Befestigungsabschnittes 104 sind im Wesentlichen entlang
Parallelen zu einer Hilfslinie 103 orientiert. Die Bohrungen 108 des
zweiten Befestigungsabschnittes 106 sind entlang einer
Hilfslinie 105 angeordnet. Die Hilfslinie 105 verläuft
im Wesentlichen senkrecht zur Hilfslinie 103 (vgl. 6D). Die Hilfslinien 103 und 105 wiederum
stehen vorzugsweise senkrecht auf der Längsachse 16 (vgl. 1)
bzw. dem senkrechten Pfeil 130.
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In 6D erkennt man deutlich, dass der erste
Befestigungsabschnitt 104 wesentlich breiter ausgebildet
ist (nahezu doppelt so breit) wie der zweite Befestigungsabschnitt 106.
Dies hat den einfachen Grund, um eine größere
Fläche zum Vorsehen von mehreren Bohrungen 108 bereitzustellen.
In der Draufsicht der 6C ist deutlich
zu erkennen, dass alle Bohrungen 108 gleichzeitig zugänglich sind,
so dass bei einem Einbau der Messzelle 100 in einen Messachsenkörper
alle Schrauben gut zugänglich sind. Es versteht sich, dass
die Kontur der axialen Bohrung 14 (vgl. 1)
entsprechend an die Form der Befestigungsabschnitte 104 und 106 angepasst
ist.
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Die
Form der axialen Bohrung 14 ist für den Befestigungsabschnitt 106 vorzugsweise
so gewählt, dass dieser formschlüssig aufgenommen
wird. Der Verformungsabschnitt 102 ist im eingebauten Zustand
vorzugsweise vollständig im Bereich des Verformungsabschnitts 22 der
Messachse angeordnet. Die axiale Bohrung 14 hat im Bereich
des Verformungsabschnitts 102 mindestens die Breite desselben,
so dass der Verformungsabschnitt 102 vorzugsweise nicht
mit dem Messachsenkörper 12 in Berührung
steht. Dazu kann der Verformungsabschnitt 102 entsprechende
seitliche Ausnehmungen aufweisen, wie es exemplarisch in der 6A angedeutet ist.
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Der
Durchmesser der Bohrung 14 nimmt dann – je weiter
man axial nach außen geht – weiter zu, um beim
Einführen der Messzelle 100 einen Anschlag für
den ersten Befestigungsabschnitt 104 zu bilden. In diesem
Bereich sind ebenfalls Bohrungen im Messachsenkörper 12 vorzusehen,
die deckungsgleich mit den Bohrungen 108 der Messzelle 100 sind,
um die Messzelle 100 mit dem Messachsenkörper 12 kraftschlüs sig
verschrauben zu können. Es versteht sich, dass auch andere
kraftschlüssige Befestigungsarten (z. B. Nieten) gewählt
werden könnten.
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7A bis 7D zeigt
eine weitere Abwandlung der Messzelle 110, die ganz ähnlich
zu der Messzelle 100 der 6 aufgebaut
ist. Im Nachfolgenden werden deshalb nur noch die Unterschiede detaillierter
erläutert werden.
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Die
Messzelle 110 der 7 weist
einen Messzellenkörper 111 auf. Ferner umfasst
sie einen Verformungsabschnitt 112 sowie einen ersten Befestigungsabschnitt 114 und
einen zweiten Befestigungsabschnitt 116. Auch sind Bohrungen 118 vorgesehen.
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Der
erste Befestigungsabschnitt 114 unterscheidet sich vom
ersten Befestigungsabschnitt 104 der 6 dadurch,
dass lediglich zwei Bohrungen 118 (anstatt vier Bohrungen 108)
vorgesehen sind. Dafür wurde der Durchmesser der Bohrungen
im Bereich des ersten Befestigungsabschnitts 114 vergrößert.
Die axiale Bohrung 14 im Messachsenkörper 12 kann
so gestaltet sein, dass auch der erste Befestigungsabschnitt 114 formschlüssig
aufgenommen wird. Dies bedeutet, dass zusätzlich zur kraftschlüssigen
Kraftübertragung die formschlüssige Kraftübertragung
hinzutritt. Dies resultiert in einer besseren Gesamtkraftübertragung.
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8 zeigt
eine weitere Messzelle 120 ähnlich den Messzellen
der 6 und 7.
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Die
Messzelle 120 mit Messzellenkörper 121 in 8 weist
ebenfalls einen Verformungsabschnitt 122 sowie Befestigungsabschnitte 124 und 126 auf. Beide
Verformungsabschnitte 124 und 126 sind mit Bohrungen 128 durchsetzt.
Die Bohrungen 128 sind jedoch entlang parallelen Hilfslinien 123 und 125 orientiert.
Bei den beiden vorhergehenden Messzellen 100 und 110 waren
die Hilfslinien senkrecht zueinander orientiert.
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Die
Messzelle 120 baut in einer vorbestimmten Raumrichtung
wesentlich kleiner als die Messzellen 100 und 110.
Dieser "eingesparte Raum" kann zur Durchführung von Drähten
verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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