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Die Erfindung betrifft eine Wägesensoreinheit, insbesondere eine monolithische Wägesensoreinheit für eine nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeitende Wagevorrichtung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Hochgenaue und hochauflösende Wagevorrichtungen umfassen häufig eine integrierte Vorrichtung zur Justierung oder Kalibrierung der Wagevorrichtung, wobei diese Justier- oder Kalibriervorrichtung eine Vorrichtung zum Auflegen eines internen Lastelements auf den Wagesensor als Justier- oder Kalibrierlast aufweist. Es ist bei nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeitenden Wagesensoren, die üblicherweise einen Sensorkörper mit einer Parallelogrammstruktur und einem Hebelgetriebe aufweisen, bekannt, das Lastelement entweder mit dem Lastträger bzw. einem Lastaufnahmebereich des Wagesensors oder an einer bestimmten Stelle des Hebelgetriebes anzukoppeln. Anstelle der Ankopplung des Lastelements an einen mittels Parallelogrammlenker an den ortsfesten Bereich (Festland) des Sensorkörpers gekoppelten Lastträgers oder Lastaufnahmebereichs kann das Lastelement auch direkt an einen Parallelogrammlenker angekoppelt werden. Im Rahmen dieser Beschreibung wird für jedes Element des eigentlichen Hebelgetriebes einer nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeitenden Wägesensoreinheit (also für die eigentlichen Hebel und die Koppelelemente zwischen dem Lastaufnahmebereich und einem ersten Hebel bzw. die Koppelelemente zwischen zwei Hebeln) und auch für die Parallelogrammlenker der Begriff Kraftübertragungselement verwendet. Dieser Begriff umfasst somit bei beliebig ausgestalteten Wagesensoren jedes Element, welches eine zu erfassende Lastkraft aufnimmt und je nach dem angewandten Prinzip zur Kraftmessung (Kraftkompensation, Erfassung der Bewegung bzw. Position eines beweglichen Elements, Erfassung der elastischen Deformation eines Elements etc.) an den Erfassungsort überträgt.
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Bei Wagevorrichtungen, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeiten und einen Messbereich bis einige 100 g aufweisen, ist es üblich, das Lastelement mit dem Lastaufnahmebereich oder mit einem Parallelogrammlenker zu koppeln bzw. hierauf aufzulegen. Hierdurch ist eine geringe Baugröße möglich, da auch das Lastelement infolge der erforderlichen geringen Justier- oder Kalibrierlast geringe Abmessungen aufweisen kann. Bei Wagevorrichtungen für höhere Gewichtsbereiche ist es notwendig, das Lastelement auf einen Hebel des Hebelgetriebes aufzulegen. Hierdurch greift die Übersetzung des Hebelgetriebes, die zwischen dem Lastabtriebsbereich bzw. dem Erfassungsort und dem Ort der Ankopplung des Lastelements wirksam ist. In diesem Fall muss die Position des Ankoppelns des Lastelements hochgenau eingehalten werden, da sich sonst eine andere Übersetzung und damit ein Justier- bzw. Kalibrierfehler ergibt.
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Diese Positionierproblematik kann entschärft werden, wenn das Lastelement über eine separate Parallelogrammstruktur mit dem Hebelgetriebe gekoppelt wird. Die Parallelogrammstruktur bleibt dabei fest mit dem Hebelgetriebe gekoppelt und das Lastelement wird auf den Lastträger der Parallelogrammstruktur aufgelegt bzw. damit gekoppelt, so dass Positionsänderungen des Lastelements im Bereich des Lastträgers keine Änderung des Übersetzungsverhältnisses mit sich bringen.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass selbst bei einem (hinsichtlich der Position) hochgenauen Ankoppeln des Lastelements an den Sensorkörper während des sich unmittelbar anschließenden Justier- oder Kalibriervorgangs Kriecheffekte auftreten.
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Aus der
DE 297 08 846 U1 ist eine elektronische Waage mit einer Kalibriergewichtsschaltung bekannt, bei welcher ein zylinderförmiges Kalibriergewicht mittels einer speziellen Hebelmechanik auf einen Gewichtshalter aufgelegt wird, der mit dem Lastaufnehmer des Wagesystems verbunden ist. Im aufgelegten Zustand wird die Position des Kalibriergewichts mittels eines V-förmigen Auflagebereichs des Gewichtshalters definiert. An den Auflageflächen des Auflagehalters können Auflagen aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff vorgesehen sein, die eine Stoßdämpfung beim Auflegen des Kalibriergewichts bewirken, einen direkten metallischen Kontakt zwischen dem Kalibriergewicht und dem Gewichtshalter vermeiden und als Wärmeisolator wirken.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wägesensoreinheit, insbesondere eine monolithische Wägesensoreinheit für eine nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeitende Wägevorrichtung zu schaffen, bei der Kriecheffekte nach dem Ankoppeln bzw. Auflegen eines internen Lastelements an den Sensorkörper möglichst vermieden werden, wodurch die Justier- bzw. Kalibriergenauigkeit einer mit einer derart ausgestatteten Wägesensoreinheit verbessert wird.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Es hat sich bei Untersuchungen der vorstehend erläuterten Kriechproblematik gezeigt, dass hierfür thermische Effekte verantwortlich sind, selbst wenn sich das Lastelement im selben Gehäuse befindet wie die übrige Wägesensoreinheit. Dies kann durch unterschiedliche thermische Kopplungen zwischen dem Sensorkörper der Sensoreinheit und dem Lastelement einerseits und dem Gehäuse der Wagevorrichtung bzw. der Umgebung andererseits verursacht sein, so dass sich für das Lastelement und den Sensorkörper (bzw. den Ankoppelort des Sensorkörpers, an dem dieser mit dem Lastelement beaufschlagt wird) unterschiedliche Temperaturen einstellen. Damit tritt nach dem Koppeln von Sensorkörper und Lastelement ein Wärmefluss auf, der die Temperaturverteilung innerhalb des Sensorkörpers ändert. Dies führt wiederum zu einer Beeinflussung des Verhaltens des Sensorkörpers gegenüber einer zu erfassenden Lastkraft, die während des Justier- oder Kalibriervorgangs durch das Lastelement erzeugt wird. Erst nachdem sich nach dem Ankoppeln des Lastelements erneut ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat, kann der Justier- oder Kalibriervorgang mit der gewünschten Genauigkeit und Reproduzierbarkeit durchgeführt werden.
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Allerdings werden die thermischen Verhältnisse nach dem Abkoppeln des Lastelements erneut geändert, so dass auch hierdurch ein Justier- bzw. Kalibrierfehler verursacht wird. Denn künftige Messvorgänge werden bei anderen thermischen Verhältnissen des Wagesensors durchgeführt als die Justierung bzw. Kalibrierung, wenn während der Justierung bzw. Kalibrierung das Eintreten eines thermischen Gleichgewichts abgewartet wird.
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Erfindungsgemäß wird daher das Lastelement in der Beaufschlagungsposition zumindest von gegenüber thermisch empfindlichen Bereichen des Sensorkörpers im Wesentlichen thermisch entkoppelt. Hierdurch lassen sich die vorstehend beschriebenen Kriechvorgänge nach dem Ankoppeln des Lastelements an den Sensorkörper vermeiden und die Justier- bzw. Kalibriergenauigkeit wird verbessert. Thermisch empfindliche Bereiche können insbesondere die Festkörpergelenke sein, welche die Kraftübertragungselemente untereinander oder mit dem Lastaufnahmebereich bzw. mit dem ortsfesten Bereich (Festland) verbinden.
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Ganz allgemein handelt es sich um diejenigen Bereiche des Sensorkörpers, bei denen das Einbringen einer störenden thermischen Energiemenge zu einer nachteiligen Beeinflussung des Kalibrier- bzw. Eichergebnisses führt.
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Nach der Erfindung weist der Lastaufnahmebereich oder das Kraftübertragungselement wenigstens ein Trägerelement für das Lastelement auf, welches über ein oder mehrere thermische Isolationselemente mit dem übrigen Lastaufnahmebereich oder dem übrigen Kraftübertragungselement verbunden ist. Hierdurch kann das Einbringen einer störenden thermischen Energiemenge in empfindliche Bereiche des Sensorkörpers vermieden werden.
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Derartige Trägerelemente für das Lastelement können selbstverständlich auch insgesamt aus einem thermisch isolierenden Material bestehen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung können als Trägerelemente zwei Arme seitlich am Laustaufnahmebereich vorgesehen sein.
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Die Arme können mit dem Lastaufnahmebereich verschraubt sein, wobei zwischen der seitlichen Oberfläche des Lastaufnahmebereichs und dem jeweiligen Arm jeweils ein Isolierelement vorgesehen ist und wobei auf der Außenseite jedes Arms ein Isolationselement aufliegt, so dass der betreffende Arm angeschraubt ist, ohne dass der Schraubenkopf in thermischem Kontakt mit dem Arm steht.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Wägesensoreinheit zur Erläuterung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung und
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2 eine perspektivische Ansicht einer Wägesensoreinheit nach der Erfindung für kleine Lastbereiche.
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1 zeigt die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlichen Teile einer Wägesensoreinheit 1 in Seitenansicht. Die Wägesensoreinheit 1 umfasst einen Sensorkörper 3, welcher mit seinem ortsfesten Bereich (Festland) 7 fest mit einer Bodenplatte 5 verbunden ist. Mit dem Festland 7 ist über zwei Parallelogrammlenker 9 ein Lastaufnahmebereich 11 verbunden, der den beweglichen Lastträger der Wägesensoreinheit 1 darstellt. Der Lastträger kann, wie in 1 dargestellt, mit einer Wägeplatte 13 verbunden sein, auf welcher das zu wiegende Gut platziert werden kann. Die Lastkraft F wirkt somit auf den Lastträger bzw. den Lastaufnahmebereich 11.
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Die Parallelogrammlenker 9 sind jeweils über Festkörpergelenke 15 an den ortsfesten Bereich 7 bzw. den Lastaufnahmebereich 11 angebunden, so dass der Lastaufnahmebereich 11 zumindest um einen sehr kleinen Weg in Richtung der Lastkraft (vertikal) bewegbar ist. Streng genommen genügt bei einer nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeitenden Wägesensoreinheit 1, wie sie in 1 dargestellt ist, jedoch die Bewegbarkeit des Lastaufnahmebereichs 11 um einen infinitesimal kleinen Weg, da der Lastaufnahmebereich 11 in seiner Position mittels einer stromdurchflossenen Spule 17, die mit einem Permanentmagneten 19 zusammenwirkt, gehalten wird. Hierzu wird eine übliche Regelung des die Spule durchfließenden Stroms vorgenommen und die Position eines mit dem Lastaufnahmebereich gekoppelten Kraftübertragungselements, beispielsweise eines Hebels, detektiert. Hierbei handelt es sich jedoch um eine bekannte Technik, die als solche nicht den Kern der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Wie in 1 ersichtlich, ist der Lastaufnahmebereich 11 üblicherweise über ein Hebelgetriebe 21 mit einem Lastabtriebsbereich 23 gekoppelt. In 1 umfasst das Hebelgetriebe 21 lediglich einen einzigen Hebel 25, dessen Schwenkachse 27 am Festland 7 liegt. Die Schwenkachse 27 kann ebenfalls über ein Festkörpergelenk realisiert sein. Der einzige Hebel 25 ist mit seinem kurzen Lastarm an einem horizontal verlaufenden festen Arm des Lastaufnahmebereichs 11 angebunden. Die Anbindung kann ebenfalls über ein Festkörpergelenk erfolgen. Selbstverständlich kann jedoch auch eine Koppelstange zwischengeschaltet werden, die jeweils an beiden Enden mit einem Festkörpergelenk mit dem Hebel 25 bzw. dem Arm des Lastaufnahmebereichs 11 verbunden ist. Am langen Lastarm des Hebels 25, dessen Endbereich den Lastabtriebsbereich 23 darstellt, ist die Spule 17 angeordnet, die mit dem Permanentmagneten 19 zusammenwirkt.
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Eine Justierung bzw. Kalibrierung der Wägesensoreinheit kann dadurch erfolgen, dass der Lastaufnahmebereich oder ein damit gekoppeltes Kraftübertragungselement mit einer vorbekannten Lastkraft beaufschlagt wird. Die Justierung bzw. Kalibrierung kann dann entweder elektronisch oder mechanisch in an sich bekannter Weise erfolgen, so dass auf eine nähere Erläuterung des Justiervorgangs bzw. Kalibriervorgangs verzichtet werden kann. Das Erzeugen der vorbekannten Lastkraft erfolgt mittels eines Lastelements 29, welches zum Zweck des Durchführens des Justier- bzw. Kalibriervorgangs selbsttätig aus einer Ruheposition (Ausgangsposition) in eine Beaufschlagungsposition überführt werden kann. Diese Bewegung des Lastelements 29 erfolgt üblicherweise mit einer ansteuerbaren Bewegungseinheit, auf deren Darstellung in 1 verzichtet wurde. Diese kann jedoch in üblicher Weise ausgestaltet sein. Das Lastelement 29 kann beispielsweise als vollzylindrisches Element ausgebildet sein.
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In 1 sind zur Vereinfachung der Erläuterung der vorliegenden Erfindung vier unterschiedliche Positionen dargestellt, in denen ein Lastelement 29 mit dem Sensorkörper 3 gekoppelt werden kann. Das Ankoppeln des Lastelements 29 erfolgt durch ein einfaches Auflegen des zylindrisch ausgebildeten Lastelements 29. Um ein positionsgenaues Auflegen zu ermöglichen kann hierzu am betreffenden Bereich des Sensorkörpers eine Ausnehmung oder Nut vorgesehen sein. Jede der vier dargestellten Positionen genügt selbstverständlich jeweils für sich genommen.
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Selbst wenn das Lastelement 29 im selben Wägegehäuse (nicht dargestellt) untergebracht ist, wie die Wägesensoreinheit 1, kann nicht immer gewährleistet werden, dass die Temperatur des Lastelements derjenigen Temperatur entspricht, die am Ort der Kontaktfläche (Beaufschlagungsbereich) des Sensorkörpers 3 herrscht. Im Fall unterschiedlicher Temperaturen kommt es zu einem Wärmefluss, der zu einer Änderung der Temperaturverteilung im Sensorkörper führt. Hierdurch kann das Verhalten des Sensorkörpers 3 gegenüber der zu erfassenden Lastkraft beeinflusst bzw. geändert werden.
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Wie aus 1 schematisch ersichtlich, gilt es somit, Maßnahmen zu treffen, um im Fall derart unterschiedlicher Temperaturen des Lastelements 29 und des Beaufschlagungsbereichs des Sensorkörpers 3 einen Fluss von Wärmeenergie zu vermeiden, der zu dem vorbeschriebenen, nachteiligen Effekt führt. Hierzu kann zwischen dem Lastelement 29 und dem eigentlichen Beaufschlagungsbereich des Sensorkörpers eine wärmeisolierende Schicht vorgesehen sein, die einen ausreichend hohen Wärmeübergangswiderstand aufweist. Diese wärmeisolierende Schicht kann beispielsweise am Lastelement 29 vorgesehen sein. Eine derartige wärmeisolierende Schicht muss nicht, wie in 1 dargestellt, das Lastelement 29 ganz umgeben. Vielmehr kann sie lediglich in demjenigen Bereich vorgesehen sein, mit dem das Lastelement 29 mit dem Beaufschlagungsbereich des Sensorkörpers 3 in Kontakt kommt.
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Statt einer wärmeisolierenden Schicht kann selbstverständlich das Lastelement 29 auch ganz aus einem wärmeisolierenden Material bestehen, so dass zumindest während der Zeit, in welcher ein Justier- oder Kalibriervorgang durchgeführt wird, keine nennenswerte Energie in den Sensorkörper 3 fließt. Dabei genügt es, wenn der Fluss der thermischen Energie zumindest von solchen Bereichen ferngehalten wird, die in Bezug auf negative Auswirkungen für das Erfassungsverhalten des Sensorkörpers gesehen, eine (hohe) Empfindlichkeit aufweisen.
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Selbstverständlich kann auch eine wärmeisolierende Schicht 35 im Beaufschlagungsbereich des Sensorkörpers 3 vorgesehen sein. Auch Kombinationen von wärmeisolierenden Schichten 33 auf dem Lastelement und einer wärmeisolierenden Schicht 35 auf dem Beaufschlagungsbereich ist denkbar.
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Selbstverständlich können auch die gesamten Beaufschlagungsbereiche des Sensorkörpers aus einem thermisch isolierenden bzw. thermisch schlecht leitenden Material bestehen.
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Es ist des Weiteren denkbar, wie in 1 ebenfalls schematisch angedeutet, den Beaufschlagungsbereich mittels Trennbereichen 37 aus thermisch isolierendem Material von denjenigen Bereichen des Sensorkörpers 3 thermisch zu entkoppeln, die gegenüber Änderungen der Temperaturverteilungen empfindlich sind. Beispielsweise kann im Fall des Vorsehens des Beaufschlagungsbereichs am Ende des Hebels 25 (im Lastabtriebsbereich 23) der Lastabtriebsbereich mittels eines Trennbereichs 37, der als Trennschicht oder Trennelement ausgebildet sein kann, vom übrigen Bereich des Sensorkörpers 3, insbesondere vom Hebelgetriebe entkoppelt werden.
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In gleicher Weise kann im Fall, in dem das Ankoppeln des Lastelements 29 am Lastaufnahmebereich 11 erfolgt, der Beaufschlagungsbereich mittels entsprechender Trennbereiche 37 vom übrigen Sensorkörper 3 entkoppelt werden. Hierzu kann beispielsweise der Lastaufnahmebereich 11 einen Arm 41 aufweisen, welcher eine Nut für die Aufnahme des Lastelements 29 aufweist. Der Arm 41 kann mittels einer oder mehrerer Trennbereiche 37 vom übrigen Sensorkörper 3 thermisch entkoppelt sein.
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Diese Variante weist auch den Vorteil auf, dass die Positioniergenauigkeit für das Lastelement 29 auf dem Arm 41 in Längsrichtung der Wägesensoreinheit 1 praktisch ohne Bedeutung ist, da der Lastaufnahmebereich 11 in Richtung der Lastkraft zwangsgeführt ist, ohne dass bei einer Veränderung der Auflageposition des Lastelements 29 eine Änderung einer Hebelübersetzung zwischen Lastaufnahmebereich 11 und Lastabtriebsbereich 23 erfolgt.
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Bei den anderen Varianten, die in 1 dargestellt sind, erfolgt das Ankoppeln des Lastelements entweder an den Lastabtriebsbereich oder im Bereich der Parallelogrammlenker. Bei diesen Varianten muss dafür gesorgt werden, dass das Lastelement 29 jeweils mit ausreichender Positioniergenauigkeit an die betreffenden Beaufschlagungsbereiche des Sensorkörpers 3 angekoppelt bzw. auf diese aufgelegt wird. Insbesondere für Wägesensoreinheiten 1, die für höhere Lastbereiche ausgelegt sind, sind diese Varianten jedoch relevant, da das Lastelement nicht beliebig groß bzw. beliebig schwer ausgeführt werden kann.
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Die in 1 dargestellte Variante, bei welcher das Lastelement 29 auf den unteren Querlenker aufgelegt wird, ist anstelle einer Nut im Parallelogrammlenker 9 ein Koppelelement 43 auf dem Parallelogrammlenker 9 vorgesehen bzw. mit diesem verbunden. In diesem Fall kann entweder das Koppelelement 43 aus einem thermisch isolierenden Material bestehen, oder über einen Trennbereich 37 mit dem Parallelogrammlenker 9 verbunden sein. Diese beiden Varianten ergeben sich zusätzlich zu den vorstehend erläuterten Varianten, bei dem das Lastelement 29 vom unmittelbaren Beaufschlagungsbereich (der durch das Koppelelement 43 gebildet ist) mittels thermisch isolierender Schichten 33 bzw. 35 thermisch entkoppelt wird.
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Bei der in 2 in perspektivischer Ansicht dargestellten Wägesensoreinheit 1 handelt es sich um eine praktisch realisierte Ausführungsform, bei der einander entsprechende Elemente mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet sind, wie bei der schematischen Darstellung in 1. Die in 2 dargestellte Variante zur thermischen Entkopplung des Lastelements 29 verwendet die Ankopplung des Lastelements 29 an den Lastaufnahmebereich bzw. Lastträger 11 des Sensorkörpers 3. Zu diesem Zweck sind zwei Arme 41 seitlich am Lastaufnahmebereich 11 vorgesehen. Die thermische Entkopplung erfolgt durch die Verwendung jeweils eines Trennbereichs 37 zwischen der seitlichen Oberfläche des Lastaufnahmebereichs 11 und dem jeweiligen Arm 41 sowie durch einen weitere Trennbereich 37, welches auf der Außenseite des Arms 41 aufliegt. Auf diese Weise kann der Arm 41 mittels der beiden Trennbereiche 37 am Lastaufnahmebereich angeschraubt werden, ohne dass der Schraubenkopf in thermischen Kontakt mit dem Arm 41 steht. Hierbei handelt es sich um eine einfache und gleichzeitig thermisch isolierte Ankoppelmöglichkeit für das Lastelement 29 an den Lastaufnahmebereich 11.
