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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wägezelle mit einer Basis und einem Lastaufnehmer, der über Parallellenker relativ zur Basis beweglich gelagert ist. Weiterhin umfasst die Wägezelle eine Hebelanordnung, welche eine in den Lastaufnehmer eingeleitete Gewichtskraft übersetzt.
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Derartige Wägezellen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei auch deren monolithische Ausführung, meist in Verbindung mit elektromagnetischer Kraftkompensation, dem Fachmann geläufig ist.
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Solche Wägezellen sind im Betrieb oftmals Wärmeeinflüssen ausgesetzt, die das Wiegeergebnis beeinflussen können. Als Wärmequelle kommt beispielsweise die Waagenelektronik in Frage und auch die stromdurchflossene Spule als Bestandteil der elektromagnetischen Kraftkompensation kann unerwünschte Wärmeeffekte hervorrufen. Schließlich kann Wärme auch von außerhalb der Wägezelle in diese eindringen. In allen Fällen sind nachteilige Kriecheffekte zu beobachten, die zu Lasten eines genauen und reproduzierbaren Wiegeergebnisses gehen.
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Aus der
US 2006/0065449 A1 ist eine elektronische Waage bekannt, bei der zur Ausbildung einer Kraft-Punkt-Feder horizontale Bohrungen von der Stirnseite der Wägezelle eingebracht sind, um die Breite der Kraft-Punkt-Feder festzulegen. Das Problem des Temperaturausgleichs innerhalb der Wägezelle wird in dieser Schrift nicht behandelt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wägezelle mit verbessertem thermischen Verhalten bei möglichst hoher Steifigkeit anzubieten.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Wägezelle nach Anspruch 1.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch gezielt platzierte Ausnehmungen innerhalb der Wägezelle vorteilhaft Einfluss auf das Wärmeverhalten der Wägezelle genommen werden kann. Durch Entfernung des Wägezellenmaterials verändert sich dessen absolute Wärmeleitfähigkeit und absolute Wärmekapazität, was vorteilhaft zum beschleunigten Ausgleich eines Temperaturgefälles innerhalb der Wägezelle genutzt wird.
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Erfindungsgemäße Ausnehmungen, die nicht durch ein anderes Material ausgefüllt werden (also mit der die Wägezelle umgebenden Atmosphäre ausgefüllt sind) gestatten eine deutlich schnellere Anpassung der gesamten Wägezelle an die Umgebungstemperatur dieser Atmosphäre. Während sich die Temperatur des ursprünglich in den Ausnehmungen vorgesehenen Materials nur durch Wärmeleitung in die Tiefe des Materials verändern lässt, gestattet ein stattdessen vorgesehener Hohlraum die Wärmeströmung der Atmosphäre in diese Ausnehmungen, was sehr schnell und über das ganze Volumen der Ausnehmungen erfolgen kann. Entsprechend werden die Wandbereiche der Ausnehmungen erheblich schneller mit der durch die Atmosphäre vorgegebenen Umgebungstemperatur beaufschlagt, als dies durch ausschließliche Wärmeleitung erfolgen könnte. Ebenso können viele kleinere Taschen die Oberfläche der Wägezelle im gewünschten Bereich vorteilhaft vergrößern, um einen besseren Wärmeübergang zu erreichen. Im Ergebnis erlangt die Wägezelle insgesamt schneller ein gleichmäßiges Temperaturniveau, so dass Kriecheffekte minimiert werden können.
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Durch Materialwegnahme sinkt auch die absolute Wärmekapazität der Wägezelle, so dass eine durch externe Wärmeentwicklungen vorgegebene Zieltemperatur schneller im gesamten Wägezellenblock erreicht wird.
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Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmung zur Reduzierung oder Erhöhung der Eigenfrequenz der Wägezelle eingebracht wird, um unvorteilhafte Schwingungsverhältnisse oder Resonanzen für bestimmte Abschnitte der Wägezelle zu reduzieren oder auszuschließen oder gewünschte Eigenfrequenzen zu erzeugen.
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Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist eine Wägezelle vorgesehen, welche nach Art der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeitet und vorzugsweise (aus einem ersten Material) monolithisch aufgebaut ist. Sie umfasst wenigstens zwei Parallellenker, die an einer ortsfesten Basis angeordnet sind und einen relativ zur Basis beweglichen Lastaufnehmer führen. Der Lastaufnehmer ist vorzugsweise mit einer Hebelanordnung gekoppelt, welche eine in den Lastaufnehmer eingeleitete Gewichtskraft übersetzt.
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Erfindungsgemäß ist in wenigstens einem Abschnitt der Basis eine Ausnehmung dadurch vorgesehen, dass ein Teil des ursprünglich vorhandenen ersten Materials entfernt ist, um dadurch die Eigenfrequenz der Wägezelle und/oder den Wärmeausgleich zwischen zwei vorgebbaren Punkten der Wägezelle zu beeinflussen.
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Grundsätzlich sind die Punkte beliebig wählbar, wobei ein Temperaturausgleich insbesondere zwischen den einzelnen Gelenkstellen der Wägezelle erwünscht ist. So können die Ausnehmungen insbesondere so angeordnet werden, dass der Wärmeausgleich zwischen zwei in vertikaler Richtung übereinander angeordneten Gelenkstellen der Parallellenker erfolgt. Zweckmäßigerweise verlaufen die Wandungen der Ausnehmungen hierfür parallel zu einer die beiden Punkte verbindenden gedachten Linie. So könnte insbesondere eine zwischen dem oberen und unteren Gelenk der Parallellenkerkonstruktion an der Basis eingefräste Tasche oder durchgehende Ausnehmung als langgezogenes Rechteck ausgebildet sein, dessen längere Seiten parallel in Richtung der vorgenannten Verbindungslinie verlaufen.
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Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke umfasst darüber hinaus die Erkenntnis, dass die Steifigkeit der Wägezelle durch Einbringung der Ausnehmungen nur soweit beeinflusst wird, dass die Stabilität der Wägezelle durch diese Maßnahmen nicht gefährdet wird. Neben den gewünschten Wärmeeigenschaften bewirken diese Ausnehmungen zusätzlich eine Gewichtsreduzierung, was bei im Wesentlichen gleichbleibender Steifigkeit die Herstellung und Handhabung der Wägezelle verbessert.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Ausnehmungen die Wägezelle teilweise oder vollständig durchdringen und als Bohrung, Langloch oder beliebig ausgeformte Tasche ausgebildet sein. Obwohl grundsätzlich eine einzige Ausnehmung zur Erzielung des erfindungsgemäß gewünschten Effekts ausreichen kann, sind auch mehrere Ausnehmungen unterschiedlicher oder identischer Gestalt denkbar. Je nach Anforderungen an die Steifigkeit oder Eigenfrequenz der Wägezelle können die Ausnehmungen nur von einer Seite der Wägezelle oder auch von zwei gegenüberliegenden Seiten eingebracht werden. Sie können die Form von die Wägezelle nicht durchdringenden Taschen haben, die insbesondere annähernd runden oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. Denkbar sind weiterhin Ausnehmungen, die von zwei gegenüberliegenden Seiten der Wägezelle im Wesentlichen zueinander fluchtend vorgesehen sind, wobei zwischen den Ausnehmungen ein Restmaterial in vorgebbarer Wandstärke verbleibt. Alternativ oder ergänzend können die Ausnehmungen auch versetzt zueinander auf gegenüberliegenden Seiten der Wägezelle vorgesehen sein, so dass sie nicht fluchten. Auch einander teilweise durchdringende bzw. überlagernde Ausnehmungen sind denkbar.
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Eine ebenfalls vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass wenigstens eine Ausnehmung mit einem zweiten, gasförmigen, festen oder flüssigen Material gefüllt wird, welches sich von dem ursprünglich aus der Ausnehmung entfernten ersten Material hinsichtlich der Wärmekapazität und/oder der Wärmeleitfähigkeit unterscheidet. Durch diese Maßnahme kann das erfindungsgemäße Ziel der beschleunigten Wärmeanpassung aller Bereiche der Wägezelle noch schneller erreicht werden, indem das in die Ausnehmung eingesetzte Material zum Beispiel eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Ein in die Ausnehmung eingesetztes Material mit einer vorgebbaren, vom ursprünglichen Material verschiedenen Wärmekapazität erlaubt darüber hinaus den Aufbau von „Inseln” innerhalb der Wägezelle, welche ein anderes Wärmespeichervermögen aufweisen als die Bereiche des ursprünglichen Materials. Dadurch kann gezielt Einfluss genommen werden auf die Wärmeleitungsvorgänge innerhalb der Wägezelle, um beispielsweise Wärmeanpassungen in bestimmte Richtungen oder Regionen der Wägezelle zu verzögern oder zu beschleunigen. Dadurch ließen sich etwa die Wärmedurchdringung einer Wägezelle mit stark unterschiedlichen Abmessungen in den einzelnen Richtungen des Raumes wärmetechnisch so gestalten, dass ein Wärmeausgleich in zwei oder allen drei Raumrichtungen etwa zur gleichen Zeit abgeschlossen ist. So lassen sich zeitlich aufeinanderfolgende Kriecheffekte vermeiden, die entstehen, wenn ein Wärmeausgleich zunächst in einer ersten Richtung der Wägezelle vollständig erfolgt ist, bevor dies für eine weitere Richtung gilt.
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Das in die Öffnungen einzubringende alternative Material kann grundsätzlich jeden Aggregatszustand haben, solange es die Ausnehmungen nicht selbsttätig wieder verlässt. Neben festen oder aushärtenden Materialien kommen insbesondere auch pastöse Medien in Frage.
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Erfindungsgemäß sollen die Ausnehmungen die Stabilität der Wägezelle nur unwesentlich beeinträchtigen. Daher ist vorgesehen, dass der durch die Ausnehmungen gebildete Massenquotient Δm der Wägezelle betragsmäßig größer ist als der aus der Ausnehmung resultierende Quotient der Flächenträgheitsmomente ΔF der Wägezelle im Bezug auf eine vorgebbare Achse der Wägezelle. Insbesondere gilt also Δm > ΔF, wobei Δm = m0/mA und ΔF = F0/FA
- m0
- = Masse der Wägezelle vor Einbringen der wenigstens einen Ausnehmung
- mA
- = Masse der Wägezelle nach Einbringen der wenigstens einen Ausnehmung
- F0
- = Flächenträgheitsmoment der Wägezelle bzgl. einer Achse vor Einbringen der wenigstens einen Ausnehmung
- FA
- = Flächenträgheitsmoment der Wägezelle bzgl. einer Achse nach Einbringen der wenigstens einen Ausnehmung.
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Ziel ist also, die relative Änderung der Stabilität (hier: Flächenträgheitsmomente) geringer zu halten als die Massenänderung, die durch die Ausnehmungen im Vergleich mit dem ursprünglichen Zustand der Wägezelle hervorgerufen wird. Das Flächenträgheitsmoment bezüglich einer bestimmten Raumrichtung ist dabei nur ein Stabilitätskriterium. Andere, als Maß für die Stabilität heranzuziehende Kennwerte können gleichermaßen genutzt werden, sofern die prozentuale Massenänderung diejenige der Stabilitätsänderung übersteigt.
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Je größer die relative Massenänderung gegenüber der relativen Stabilitätsänderung ist, umso vorteilhafter wirkt sich die erfindungsgemäße Einbringung der Ausnehmungen aus.
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Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend soll eine Ausführungsform der Erfindung anhand eines Figurenbeispiels näher erläutert werden.
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Dabei zeigt die einzige 1 eine Wägezelle 1 in Ausschnitten. Eine im Wesentlichen ortsfeste Basis 2 stützt zwei übereinander gelagerte Parallellenker 3 und 4 über nicht näher bezeichnete Lagerstellen, wobei an den der Basis 2 abgewandten Enden der Parallellenker 3, 4 ein Lastaufnehmer 5 angeordnet ist. Dieser dient zu Einleitung einer zu messenden Gewichtskraft und wirkt mit einer Hebelanordnung 6 zusammen, die durch geeignet gewählte Hebelverhältnisse die Kraft in eine messtechnisch geeignete Größe übersetzt.
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Der gesamte in 1 dargestellte Körper ist monolithisch ausgebildet.
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Die Basis 2 ist mit mehreren Ausnehmungen A1, A2 und A3 durchsetzt, so dass an diesen Stellen kein Material vorhanden ist. Die Ausnehmungen haben im Wesentlichen die Gestalt von Rechtecken mit längeren Längsseiten und kürzeren Querseiten. Anhand der Ausnehmung A1 ist dabei besonders deutlich zu sehen, dass sich die Wandungen der Längsseiten etwa parallel zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen zwei Punkten P1 und P2 erstrecken, die hier beispielhaft in der Nähe des Gelenks zwischen Basis 2 und oberem bzw. unterem Parallellenker 3 bzw. 4 liegen. Die Lage der Punkte kann geeignet vorgegeben werden.
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Die vorgesehenen Ausnehmungen A1 bis A3 und weitere, nicht näher bezeichnete Ausnehmungen gestatten vorteilhaft eine besonders schnelle Temperaturangleichung zwischen unterschiedlichen Punkten der Wägezelle, von denen die Punkte P1 und P2 nur beispielhaft angegeben sind.
