DE102011077966B4 - Load cell with fiber optic Bragg grating sensors - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Messen einer Kraft, umfassend ein erstes Element (103) und ein zweites Element (102) zum Aufnehmen einer Kraft, wobei ein elastisches Element (105) zwischen das erste Element (103) und das zweite Element (102) gesetzt ist und an zwei gegenüberliegenden Endabschnitten (201, 202) so an dem ersten und zweiten Element (103, 102) fixiert ist, dass es die Biegeverformung des elastischen Elements (105) ermöglicht, wenn die Kraft auf das erste Element (103) oder auf das zweite Element (102) einwirkt, und mindestens vier optische Glasfasersensor (401,402,403,404), die an einer Fläche des elastischen Elements (105) befestigt sind, um eine Verformung des elastischen Elements (105) zu messen, wobei die Sensoren paarweise auf zwei entgegengesetzten Flächen des elastischen Elements (105) angeordnet sind, so dass sie vier Verformungen des elastischen Elements (105) messen, wenn die Kraft angreift, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren an einer Fläche des elastischen Elements (105) befestigt sind, die dem ersten (103) oder dem zweiten (102) Element zugewandt ist, wobei das elastische Element so ausgeformt ist, dass die Fläche, wenn die Kraft auf das erste Element (103) oder auf das zweite Element (102) wirkt, eine über die gesamte Länge dieses mindestens einen Sensors im Wesentlichen konstante Verformung erfährt, wobei das elastische Element zwei Ausnehmungen (420, 421) aufweist, die die Endabschnitte (201, 202) verbinden, wobei sich die beiden Ausnehmungen (420, 421) symmetrisch zu einer parallel zu den Flächen verlaufenden Querachse (411) des elastischen Elements (105) erstrecken, und wobei die Breite des elastischen Elements (105) entlang der Querachse (411) in dem Bereich zwischen den beiden Ausnehmen am kleinsten ist.A force measuring device comprising a first element (103) and a second element (102) for receiving a force, wherein an elastic element (105) is interposed between the first element (103) and the second element (102) and on two opposite end portions (201, 202) is fixed to the first and second members (103, 102) so as to allow bending deformation of the elastic member (105) when the force is applied to the first member (103) or to the second member (102), and at least four optical fiber sensors (401,402,403,404) attached to a surface of the elastic element (105) to measure a deformation of the elastic element (105), the sensors being paired on two opposite surfaces of the elastic element (105) are arranged so that they measure four deformations of the elastic element (105) when the force is applied, characterized in that the sensors on a surface of the elastic element (105) are fixed facing the first (103) or the second (102) element, wherein the elastic element is shaped so that the surface when the force acts on the first element (103) or on the second element (102). undergoes a deformation which is substantially constant over the entire length of said at least one sensor, the elastic element having two recesses (420, 421) which connect the end portions (201, 202), the two recesses (420, 421) being symmetrical to a transverse axis (411) of the elastic element (105) parallel to the surfaces, and wherein the width of the elastic element (105) along the transverse axis (411) is smallest in the area between the two recesses.

Description

[BEREICH DER ERFINDUNG][FIELD OF THE INVENTION]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Kraft nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The present invention relates to a device for measuring a force according to the preamble of claim 1.

[STAND DER TECHNIK][STATE OF THE ART]

Vorrichtungen, die es ermöglichen, die auf sie einwirkenden Kräfte zu messen, sind heute bekannt; diese Vorrichtungen werden in der Regel als „Kraftmesszellen“ bezeichnet.Devices that make it possible to measure the forces acting on them are known today; these devices are commonly referred to as "load cells".

In elektrischen Kraftmesszellen mit Dehnmessstreifen (deren elektrischer Widerstand sich mit der erfahrenen Verformung ändert) werden ein oder mehrere Dehnmessstreifen an einem elastischen Element, beispielsweise einem Metallplättchen, das die zu messende Kraft aufnehmen soll, angebracht. Durch Erfassen der Spannungsänderung an den Klemmen der Schaltung des Dehnmessstreifens (typischerweise eine Wheatstone'sche Brückenschaltung) kann somit die Stärke der Kraft, die das elastische Element verformt, ermittelt werden. Ein Beispiel für eine Kraftmesszelle mit elektrischen Dehnmessstreifen ist aus dem Patent US4506557 bekannt. Diese Kraftmesszellen weisen den Nachteil auf, dass sie empfindlich auf elektrische Störungen reagieren und daher beim Vorliegen starker elektromagnetischer Felder, wie sie von Kabeln erzeugt werden, die von Hochspannung (in der Größenordnung von mehreren Tausend Volt) durchflossen werden, nicht effizient eingesetzt werden können. Ein weiterer Nachteil dieser Messzellen ist, dass sie eine Stromversorgung erfordern. Im Fall einer Anwendung in der Nähe hoher Spannungen wird es gefährlich, die Stromversorgung über ein Kabel vorzunehmen, weshalb eine Batterie eingesetzt wird, die jedoch gewartet werden muss. Darüber hinaus reagieren diese Messzellen empfindlich auf leitende Flüssigkeiten (wie Wasser), die zum Korrodieren oder Kurzschließen der elektrischen Bauelemente der Messzelle führen können. Deshalb sind diese Messzellen für den Einsatz in Umgebungen, in denen es regnen kann, kaum geeignet.In electrical load cells with strain gauges (the electrical resistance of which changes with the deformation experienced), one or more strain gauges are attached to an elastic element, for example a small metal plate, which is intended to absorb the force to be measured. Thus, by sensing the change in voltage at the terminals of the strain gauge circuit (typically a Wheatstone bridge circuit), the magnitude of the force deforming the elastic element can be determined. An example of a load cell with electrical strain gauges is from the patent US4506557 known. These load cells have the disadvantage that they are sensitive to electrical disturbances and therefore cannot be used efficiently in the presence of strong electromagnetic fields such as those generated by cables carrying high voltages (of the order of several thousand volts). Another disadvantage of these measuring cells is that they require a power supply. In the case of an application close to high voltages, it becomes dangerous to supply power via a cable, so a battery is used, but this requires maintenance. In addition, these measuring cells are sensitive to conductive liquids (such as water), which can lead to corrosion or short-circuiting of the measuring cell's electrical components. Therefore, these measuring cells are hardly suitable for use in environments where it can rain.

Bekannt sind weiterhin Kraftmesszellen mit Glasfasersensoren, die Bragg-Gitter nutzen, welche auf die Messachse ausgerichtet und auf elastischen Elementen angebracht sind. Wenn das elastische Element einer Kraft ausgesetzt ist, erfährt das Gitter die gleiche Verformung wie das elastische Element; wenn nun ein Lichtimpuls gesendet und die Veränderung der von der Glasfaser reflektieren Lichtstrahlung ermittelt wird, kann die Stärke der Kraft, die das elastische Element verformt, gemessen werden. Ein Beispiel für eine monoaxiale optische Kraftmesszelle ist aus dem Patent US2007/0107529 bekannt.Also known are load cells with glass fiber sensors that use Bragg gratings, which are aligned with the measurement axis and mounted on elastic elements. When the elastic element is subjected to a force, the grid undergoes the same deformation as the elastic element; If a light pulse is now sent and the change in the light radiation reflected by the glass fiber is determined, the strength of the force that deforms the elastic element can be measured. An example of a monoaxial optical load cell is from the patent US2007/0107529 known.

Diese optischen Kraftmesszellen sind unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen, erfordern jedoch eine möglichst konstante Verformung des Gitters in Längsrichtung.These optical load cells are not sensitive to electrical interference, but require the longitudinal deformation of the grid to be as constant as possible.

Um Kraftmesszellen mit kompakteren Abmessungen zu erhalten, ist der Einsatz von S-förmigen Vorrichtungen bekannt, in denen das zentrale elastische Element durch ein Biegemoment beansprucht und verformt wird, welches von zwei Platten, an denen das elastische Element fixiert ist, übertragen wird. Ein Beispiel für eine S-Kraftmesszelle ist aus dem Patent US4565255 bekannt.In order to obtain load cells with more compact dimensions, it is known to use S-shaped devices in which the central elastic element is stressed and deformed by a bending moment transmitted by two plates to which the elastic element is fixed. An example of an S load cell is from the patent US4565255 known.

Ein Beispiel der S-Kraftmesszelle mit Glasfaser-Bragg-Gitter-Sensoren ist aus dem folgenden wissenschaftlichen Artikel bekannt: Chuan Li, Yu Wang, Zhou Wan, Yan Chen, Jiang-Chun Xu, Xiao-Ping Xu, „Fiber Bragg grating weighing sensor of beam with two parallel holes“ Sensors and Actuators A 154 (2009). Diese Lösung umfasst zwei quer durch das elastische Element verlaufende Löcher, in die vier Bragg-Gitter eingesetzt sind. Diese Lösung weist jedoch einige Nachteile auf. So ist es beispielsweise bei dieser Kraftmesszelle problematisch, die Sensoren im Innenbereich des elastischen Elements anzukleben. Das Deutsche Patent und Markenamt hat zudem die nachfolgenden Dokumente recherchiert: CN 201 237 522 Y , EP 2 148 179 A1 , DE 690 22 068 T2 , DE 39 37 734 A1 , DE 10 2007 015 180 A1 , DE 10 2005 042 087 B3 , DE 10 2005 024 201 A1 und DE 102 49 896 A1 .An example of the S-load cell with fiber optic Bragg grating sensors is known from the following scientific article: Chuan Li, Yu Wang, Zhou Wan, Yan Chen, Jiang-Chun Xu, Xiao-Ping Xu, “Fiber Bragg grating weighing sensor of beam with two parallel holes” Sensors and Actuators A 154 (2009). This solution comprises two holes running transversely through the elastic element, in which four Bragg gratings are inserted. However, this solution has some disadvantages. With this load cell, for example, it is problematic to glue the sensors to the interior of the elastic element. The German Patent and Trademark Office has also researched the following documents: CN 201 237 522 Y , EP 2 148 179 A1 , DE 690 22 068 T2 , DE 39 37 734 A1 , DE 10 2007 015 180 A1 , DE 10 2005 042 087 B3 , DE 10 2005 024 201 A1 and DE 102 49 896 A1 .

[AUFGABEN UND KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG][OBJECTS AND SUMMARY OF THE INVENTION]

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung vorzustellen, mit der einige Probleme des Standes der Technik gelöst werden.The object of the present invention is to present a device with which some problems of the prior art are solved.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, eine Vorrichtung zum Messen einer Kraft vorzustellen, die in der Lage ist, eine Messung mit einem guten Signal/RauschVerhältnis zu erhalten und die eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Störungen, insbesondere elektrischen Störungen, aufweist.In particular, the object of the present invention is to propose a device for measuring a force capable of obtaining a measurement with a good signal/noise ratio and having a low sensitivity to disturbances, in particular electrical disturbances.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Messen einer Kraft mit kompakten Abmessungen vorzustellen.Another object of the present invention is to provide a device for measuring a force with compact dimensions.

Diese und weitere Aufgaben dieser Erfindung werden mit einer Vorrichtung zum Messen einer Kraft mit den Merkmalen der beigefügten Ansprüche, die fester Bestandteil dieser Beschreibung sind, erfüllt.This and other objects of this invention are achieved with a device for measuring a force having the features of the appended claims, which are an integral part of this description.

Die Grundidee dieser Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Messen einer Kraft des Typs S-Kraftmesszelle vorzusehen, die mindestens einen Glasfasersensor (insbesondere einen Bragg-Gitter-Sensor) umfasst, der an einer Fläche des elastischen Elements befestigt ist, die einem der beiden zur Aufnahme der zu messenden Kraft bestimmten Elemente zugewandt ist. Das elastische Element ist so ausgeformt, dass es unter der Wirkung der axialen Kraft eine Verformung erfährt, die in dem gesamten Bereich, in dem der Sensor befestigt ist, konstant ist. Im Besonderen wird das elastische Element so ausgeformt, dass eine konstante Verformung in einem Abschnitt entlang der Längsachse der Fläche oder der Flächen, die den Sensor oder die Sensoren trägt bzw. tragen, erhalten wird.The basic idea of this invention is to provide a device for measuring a force of the type S load cell, comprising at least one fiber optic sensor (particularly a Bragg grating sensor) fixed to a face of the elastic element facing one of the two Recording the force to be measured faces certain elements. The elastic element is shaped in such a way that, under the action of the axial force, it undergoes a constant deformation over the entire area where the sensor is fixed. In particular, the elastic element is shaped so that a constant deformation is obtained in a section along the longitudinal axis of the surface or surfaces carrying the sensor or sensors.

Die besondere Gestaltung des elastischen Elements bewirkt, dass seine Verformung mit einer Vielzahl von Glasfaser-Bragg-Gitter-Sensoren effizient und präzise gemessen werden kann und es gleichzeitig unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und leitende Flüssigkeiten ist und ohne Stromversorgung betrieben werden kann.The special design of the elastic element means that its deformation can be measured efficiently and precisely with a variety of fiber optic Bragg grating sensors, while at the same time it is insensitive to electromagnetic interference and conductive liquids and can be operated without a power supply.

Die S-förmige Gestalt der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht es vorteilhafterweise, eine Kraftmesszelle mit kompakten Abmessungen und geringem Gewicht herzustellen; diese Merkmale ermöglichen die Anwendung und den Einsatz der Vorrichtung auch unter Bedingungen, unter denen die Messung durch sperrige Kraftmesszellen negativ beeinflusst würde.The S-shape of the device according to the invention advantageously makes it possible to produce a load cell with compact dimensions and low weight; these features allow the device to be applied and used in conditions where the measurement would be adversely affected by bulky load cells.

Das elastische Element umfasst vorzugsweise Nuten, die in die beiden Flächen eingearbeitet sind, welche den die Kraft aufnehmenden Elementen zugewandt sind. Diese Nuten ermöglichen die Aufnahme der Glasfaser und eine präzisere Positionierung der Bragg-Gitter-Sensoren. Die Sensoren befinden sich dadurch in Bereichen, in denen sie vor unbeabsichtigten Kontakten mit Fremdkörpern besser geschützt sind.The elastic element preferably comprises grooves machined in the two surfaces facing the force-receiving elements. These grooves allow the fiber to be accommodated and the Bragg grating sensors to be positioned more precisely. This places the sensors in areas where they are better protected from accidental contact with foreign bodies.

Die Ausnehmungen des elastischen Elements sind vorzugsweise in Bezug auf die Längsachse des elastischen Elements symmetrisch und sind vorzugsweise auch in Bezug auf eine quer zu dieser Achse liegende Ebene symmetrisch. Diese Symmetrie bewirkt auf vorteilhafte Weise einen ausgeglichenen Verformungszustand des elastischen Elements beim Angreifen einer Kraft.The recesses of the elastic element are preferably symmetrical with respect to the longitudinal axis of the elastic element and are preferably also symmetrical with respect to a plane transverse to this axis. This symmetry advantageously brings about a balanced state of deformation of the elastic element when a force is applied.

Die Ausnehmungen haben vorzugsweise die Form eines gleichschenkligen Trapezes mit gerundeten Abschnitten; dadurch sind die Bereiche, die sich entlang der Längsachse der den Sensor tragenden Fläche konstant verformen, so ausgedehnt, dass sie eine große Fläche dieser Fläche bedecken und das Anbringen der Sensoren erleichtern.The recesses preferably have the shape of an isosceles trapezium with rounded sections; as a result, the areas that constantly deform along the longitudinal axis of the surface bearing the sensor are extended to cover a large area of this surface and facilitate the application of the sensors.

Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise vier Bragg-Gitter, die paarweise auf zwei entgegengesetzten Flächen, die den die Kraft aufnehmenden Elementen zugewandt sind, angeordnet werden, so dass vier Verformungen gemessen werden. Dadurch können die Beiträge, die durch die axiale Kraft und das auf die Vorrichtung wirkende Biegemoment bedingt sind, ausgekoppelt und Temperaturschwankungen, denen die Vorrichtung während des Betriebs ausgesetzt ist, kompensiert werden. Weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung deutlicher.The device preferably comprises four Bragg gratings arranged in pairs on two opposite faces facing the force receiving elements so that four strains are measured. As a result, the contributions caused by the axial force and the bending moment acting on the device can be decoupled and temperature fluctuations to which the device is exposed during operation can be compensated. Other objects and advantages of this invention will become more apparent from the detailed description that follows.

Figurenlistecharacter list

Einige bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen dieser Erfindung werden beispielhaft und nicht abschließend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. In diesen zeigen:

  • - 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen einer Kraft.
  • - 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung zum Messen einer Kraft aus 1.
  • - 3 eine Explosionsansicht der Vorrichtung zum Messen einer Kraft aus 1.
  • - 4 zwei Ansichten eines elastischen Elements, das in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen einer Kraft einsetzbar ist.
  • - 5 den typischen Verlauf der Oberflächenverformungen des elastischen Elements aus 4 bei Belastung.
  • - 6 einige Ausführungsformen des elastischen Elements, das in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen einer Kraft eingesetzt wird.
  • - 7 die Anwendung der erfindungsgemäßen Kraftmesszelle bei einem Stromabnehmer eines Zuges.
Some preferred and advantageous embodiments of this invention are described by way of example and not exhaustively with reference to the attached figures. In these show:
  • - 1 an embodiment of a device according to the invention for measuring a force.
  • - 2 a side view of the device for measuring a force 1 .
  • - 3 Figure 1 shows an exploded view of the device for measuring a force 1 .
  • - 4 two views of an elastic element that can be used in a device according to the invention for measuring a force.
  • - 5 the typical course of the surface deformations of the elastic element 4 under pressure.
  • - 6 some embodiments of the elastic element used in a device for measuring a force according to the invention.
  • - 7 the application of the load cell according to the invention in a pantograph of a train.

Die oben genannten Figuren veranschaulichen verschiedene Gesichtspunkte und Ausführungsformen dieser Erfindung; wo angemessen, werden in den verschiedenen Figuren gleiche Strukturen, Bauteile, Werkstoffe und/oder Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.The above figures illustrate various aspects and embodiments of this invention; where appropriate, the same reference numerals refer to the same structures, components, materials and/or elements in the different figures.

[AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG][DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION]

Im Beispiel von 1 wird eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 101 dargestellt; im weiteren Verlauf dieser Beschreibung wird die Vorrichtung auch als „Kraftmesszelle“ oder einfach als „Zelle“ bezeichnet.In the example of 1 an embodiment of a device 101 according to the invention is shown; In the further course of this description, the device is also referred to as a "load cell" or simply as a "cell".

Die in 1 zusammengebaut dargestellte Zelle 101 umfasst zwei im Wesentlichen parallele Elemente: eine Platte 102 und eine Platte 103. Die Platten 102 und 103 sind starr an einem zwischen ihnen angeordneten elastischen Element 105 fixiert; die starre Fixierung wird mit Mitteln erreicht, die weiter unten ausführlicher beschrieben werden. Das elastische Element 105 besteht vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff mit hoher Dehngrenze, der vorzugsweise witterungsbeständig ist; ein Werkstoff mit diesen Merkmalen kann Edelstahl sein.In the 1 Cell 101, shown assembled, comprises two substantially parallel elements: a plate 102 and a plate 103. Plates 102 and 103 are rigidly fixed to an elastic element 105 interposed between them; the rigid fixation is achieved by means which will be described in more detail below. The elastic element 105 is preferably made of a metallic material with a high yield point, which is preferably weather-resistant; a material with these characteristics can be stainless steel.

Im Allgemeinen bestehen auch die anderen Elemente der Kraftmesszelle, wie die Platten 102 und 103, aus diesem Werkstoff.In general, the other elements of the load cell, such as plates 102 and 103, are also made of this material.

Die Platte 103 umfasst weiterhin einen Glasfaser-Steckverbinder 104.The plate 103 further includes a fiber optic connector 104.

2 zeigt eine Seitenansicht der Kraftmesszellen 101 und lässt die S-förmige Gestalt erkennen; so wird die Platte 103 über die Verbindung 201 an einem Endabschnitt 205a an dem elastischen Element 105 fixiert, während die Platte 103 über die Verbindung 202 am gegenüberliegenden Endabschnitt 205b des Elements 205 fixiert wird. 2 shows a side view of the load cell 101 and reveals the S-shape; thus, the plate 103 is fixed to the elastic member 105 via the connection 201 at one end portion 205a, while the plate 103 is fixed via the connection 202 to the opposite end portion 205b of the member 205.

Wenn die Kraftmesszelle in Betrieb ist, wird sie an einer Struktur fixiert, die einer Kraft 203 ausgesetzt ist, die in der Figur schematisch durch die Pfeile dargestellt wird; die Kraftmesszelle 101 liegt somit zwischen dem Element, das die Kraft 203 abgibt (in der Figur nicht gezeigt), und der der Kraft ausgesetzten Struktur (in der Figur nicht gezeigt), die die gleiche und gegen die Kraft 203 gerichtete Gegenkraft abgibt und somit die Platten 102 und 103 belastet. Die Kraft 203 wird über die Verbindungen 201 und 202 auf das elastische Element 105 übertragen; wenn die Kraft 203 vorliegt, wird das elastische Element 105 somit hauptsächlich auf Scherung und Biegung beansprucht und nimmt einen entsprechenden Verformungszustand an.When the load cell is in operation, it is fixed to a structure subjected to a force 203, shown schematically in the figure by the arrows; the load cell 101 is thus located between the element that emits the force 203 (not shown in the figure) and the structure subjected to the force (not shown in the figure), which emits the same counterforce directed against the force 203 and thus the Plates 102 and 103 loaded. The force 203 is transmitted to the elastic element 105 via the connections 201 and 202; when the force 203 is present, the elastic element 105 is thus mainly stressed in shear and bending and assumes a corresponding state of deformation.

3 zeigt eine Explosionsansicht der Kraftmesszelle 101. 3 shows an exploded view of the load cell 101.

In dieser Ansicht sind die bereits beschriebenen Elemente zusätzlich zu den in der vorangehenden Figur nicht sichtbaren Elementen vergrößert dargestellt. Die Kraftmesszelle 101 umfasst zwei Paar Gewindeschrauben 301, wobei jedes Paar dazu verwendet wird, eine der Platten 102 oder 103 mit dem elastischen Element 105 durch die entsprechenden angesenkten Bohrungen 302 und die entsprechenden Verbindungsbohrungen 303 im elastischen Element 105 zusammenzufügen, so dass die bereits beschriebenen Verbindungen 201 und 202 hergestellt werden.In this view, the elements already described are shown enlarged, in addition to the elements not visible in the previous figure. The load cell 101 includes two pairs of threaded screws 301, each pair being used to join one of the plates 102 or 103 to the resilient member 105 through the corresponding countersunk holes 302 and corresponding connecting holes 303 in the resilient member 105, so that the connections already described 201 and 202 are manufactured.

Die Kraftmesszelle 101 umfasst darüber hinaus Sicherungsmadenschrauben 304, die an den Platten 102 und 103 befestigt werden. Die Madenschrauben 304 sind so lang, dass sie über die Platten 102 und 103 hinausragen, so dass sie, wenn die Kraftmesszelle überbeansprucht wird und sich übermäßig verformt, eine weitere Reaktion auf die Überlastung bewirken und dadurch, dass sie als Notabstandshalter dienen, irreparable Schäden vermeiden.Load cell 101 also includes locking grub screws 304 that attach to plates 102 and 103 . The grub screws 304 are long enough to protrude beyond the plates 102 and 103 so that if the load cell is overstressed and deforms excessively, they will provide further reaction to the overload and by acting as an emergency spacer prevent irreparable damage .

Die Kraftmesszelle 101 umfasst ferner Verbindungsbohrungen 305 in jeder der Platten 101 oder 102, auf die Kraft 203 einwirkt, die die Anbringung der Zelle in der Arbeitsposition ermöglichen.The load cell 101 further comprises connecting holes 305 in each of the plates 101 or 102, on which force 203 acts, allowing the cell to be mounted in the working position.

Darüber hinaus umfasst die Kraftmesszelle 101 mindestens einen Glasfaser-Bragg-Gitter-Sensor (im Englischen „Fiber Bragg Grating“ genannt und oft als FBG abgekürzt), der in 3 nicht dargestellt ist. Dieser Sensor ist auf eine Oberfläche des elastischen Elements 105 geklebt und ermöglicht es, dessen Verformung zu messen; genau dieses Ausmaß der Verformung ist mit der zu messenden Kraft 203 korrelierbar, der die Kraftmesszelle 101 ausgesetzt ist.In addition, the load cell 101 includes at least one fiber optic Bragg grating (often abbreviated as FBG) sensor, which is 3 is not shown. This sensor is glued to a surface of the elastic element 105 and makes it possible to measure its deformation; precisely this extent of the deformation can be correlated with the force 203 to be measured, to which the load cell 101 is exposed.

Ein Bragg-Gitter ist bekanntlich eine Struktur, die in eine Einmoden-Glasfaser eingearbeitet wird. In diesen Abschnitt der Glasfaser wird ein Gitter eingezeichnet, das einen solchen Abstand hat, dass ein Teil des das Gitter durchquerenden Lichts, insbesondere das Licht mit der Wellenlänge, die dem Zweifachen des Abstands des Gitters entspricht (unter Berücksichtigung des Brechungsindex des Glases), reflektiert wird. Eine mechanische Verformung der Glasfaser erzeugt eine Veränderung des Abstands des Gitters und damit eine Veränderung der reflektierten Wellenlänge. Die reflektierte Wellenlänge kann mit geeigneten Detektormodulen, die mit der Kraftmesszelle verbunden werden (in der Figur nicht dargestellt) und „Auswerteeinheit“ genannt werden, gemessen werden; die Veränderung der Spitzenwellenlänge ist somit mit der Gesamtverformung des Gitters korreliert.As is known, a Bragg grating is a structure that is incorporated into a single-mode optical fiber. A grating is drawn in this section of optical fiber, spaced such that part of the light passing through the grating is reflected, in particular light with a wavelength equal to twice the pitch of the grating (taking into account the refractive index of the glass). becomes. A mechanical deformation of the optical fiber causes a change in the spacing of the grating and thus a change in the reflected wavelength. The reflected wavelength can be measured with suitable detector modules that are connected to the load cell (not shown in the figure) and are called "evaluation unit"; the change in peak wavelength is thus correlated to the overall strain of the grating.

Damit die Gesamtverformung des Gitters präzise bewertet werden kann, muss diese Verformung über die gesamte Länge des Gitters möglichst einheitlich sein. Statt zu einer Verteilung des reflektierten Lichts auf mehrere angrenzende Wellenlängen kommt es dabei zu einer Verschiebung der vom Gitter reflektierten Spitzenwellenlänge. Sollten diese optimalen Bedingungen nicht gegeben sein und stärkere Abweichungen vorliegen, wäre sogar eine Spaltung der Spitzenwellenlänge möglich, was verhindern würde, dass die Auswerteeinheit eine ordnungsgemäße Messung vornehmen kann.In order to accurately assess the overall deflection of the grating, this deflection must be as uniform as possible over the entire length of the grating. Instead of the reflected light being distributed over several adjacent wavelengths, the peak wavelength reflected by the grating is shifted. If these optimal conditions are not given and there are greater deviations, it would even be possible for the peak wavelength to be split, which would prevent the evaluation unit from being able to carry out a correct measurement.

Die Kraftmesszelle 101 umfasst mindestens eine Glasfaser, die wiederum mindestens ein Bragg-Gitter beinhaltet; diese Glasfaser ist über ein Anschlusskabel aus Glasfaser mit der Auswerteeinheit verbunden; die Verbindung kann beispielsweise über einen FC-Standardsteckverbinder 104 mit Schnellstecker erfolgen, der in der Lage ist, die Verbindung der Glasfaser mit dem Sensor nur dann zu ermöglichen, wenn dies erforderlich ist.The load cell 101 comprises at least one glass fiber, which in turn contains at least one Bragg grating; this glass fiber is connected to the evaluation unit via a glass fiber connection cable; the connection can be made, for example, via a standard FC quick connect connector 104 capable of allowing the fiber optic to be connected to the sensor only when required.

Die (nicht dargestellte) Auswerteeinheit leitet die übertragene Lichtstrahlung über das Anschlusskabel bis zu den Sensoren der Kraftmesszelle 101 weiter, und dieselbe Auswerteeinheit analysiert die von den Sensoren reflektierte Lichtstrahlung, die über dasselbe Anschlusskabel zurückkehrt. The evaluation unit (not shown) forwards the transmitted light radiation via the connection cable to the sensors of the load cell 101, and the same evaluation unit analyzes the light radiation reflected by the sensors, which returns via the same connection cable.

Dadurch ist es nicht erforderlich, die Kraftmesszelle 101 mit elektrischem Strom zu versorgen. Der Einsatz von Glasfasersensoren in der Kraftmesszelle ermöglicht das Messen auch in widrigen Umgebungen, weil diese optischen Sensoren naturgemäß weniger empfindlich auf Störungen reagieren, die beispielsweise durch Witterungseinflüsse wie Regen bedingt sind. Zudem werden die Messungen weniger durch transiente Auswirkungen elektromagnetischer Felder gestört, die beispielsweise auf Lichtbögen in der näheren Umgebung beruhen. Wenn Glasfasersensoren eingesetzt werden, ist es zudem nicht erforderlich, ein System zum Entkoppeln des erfassten Signals zwischen den Messbereich (der beispielsweise elektrischen Spannungen ausgesetzt ist) und die Auswerteeinheit zu setzen, da die Glasfaser elektrisch nicht leitend ist. Eine einzige handelsübliche Auswerteeinheit kann mit einer Vielzahl von Kraftmesszellen verbunden werden, die jeweils eine Vielzahl von Glasfaser-Bragg-Gitter-Sensoren beinhalten, und ermöglicht so das gleichzeitige Messen mehrerer Kräfte, die auf mehrere Zellen einwirken.As a result, it is not necessary to supply the load cell 101 with electrical power. The use of fiber optic sensors in the load cell enables measurement even in adverse environments, because these optical sensors are naturally less sensitive to disturbances caused by weather conditions such as rain, for example. In addition, the measurements are less disturbed by the transient effects of electromagnetic fields, which are based, for example, on electric arcs in the immediate vicinity. If fiber optic sensors are used, it is also not necessary to place a system for decoupling the detected signal between the measuring area (which is exposed to electrical voltages, for example) and the evaluation unit, since the fiber optics are electrically non-conductive. A single commercially available evaluation unit can be connected to a large number of load cells, each containing a large number of fiber optic Bragg grating sensors, thus enabling the simultaneous measurement of multiple forces acting on multiple cells.

Die bislang beschriebenen Merkmale der Kraftmesszellen 101 ermöglichen zudem Einsparungen bei den Betriebskosten. Denn da die Kraftmesszelle 101 mit der Auswerteeinheit über ein einfaches Glasfaserkabel verbunden ist und weder mit externem Strom noch aus Batterien gespeist werden muss, verringern sich die Installations- und Wartungskosten der Kraftmesszelle 101 in der Arbeitsposition. Darüber hinaus werden auch die Sicherheitskosten gesenkt, denn da die Zelle 101 nicht elektrisch mit der Auswerteeinheit verbunden ist, müssen keine Isolationsprüfungen durchgeführt werden.The features of the load cells 101 described so far also enable savings in operating costs. Because the load cell 101 is connected to the evaluation unit via a simple fiber optic cable and does not need to be supplied with external electricity or batteries, the installation and maintenance costs of the load cell 101 in the working position are reduced. In addition, the safety costs are also reduced, because since the cell 101 is not electrically connected to the evaluation unit, no insulation tests have to be carried out.

4 zeigt vergrößert eine Vorderansicht und eine Seitenansicht des auf Scherung und Biegung beanspruchten elastischen Elements 105, an dem starr vier Glasfaser-Bragg-Gitter-Sensoren 401, 402, 403, 404 befestigt sind. 4 FIG. 12 shows an enlarged front view and a side view of the elastic element 105 stressed in shear and bending, to which four fiber optic Bragg grating sensors 401, 402, 403, 404 are rigidly attached.

In der Ausführungsform von 4 ist das elastische Element in Bezug auf die Längsebene, d.h. die durch den Schwerpunkt verlaufende Ebene, in der die Projektion einer der beiden Flächen die größte Fläche ergibt, symmetrisch. Im Beispiel von 4 ist die Längsebene die Ebene Γ parallel zu den beiden, den Platten 102 und 103 zugewandten Flächen.In the embodiment of 4 the elastic element is symmetrical with respect to the longitudinal plane, ie the plane passing through the center of gravity in which the projection of one of the two surfaces gives the largest area. In the example of 4 the longitudinal plane is the plane Γ parallel to the two surfaces facing the plates 102 and 103.

Die Bragg-Gitter-Sensoren 401 und 402 sind starr am elastischen Element 105 auf der der Platte 103 zugewandten Seite befestigt, vorzugsweise in dem mittleren Abschnitt 405, der entlang der Längsachse 410 einer Fläche des elastischen Elements 105 angeordnet ist. In diesen Abschnitt 405 kann vorzugsweise eine Nut eingearbeitet sein, deren Abmessungen dergestalt sind, dass sie in ihrem Inneren ganz genau die Glasfaser mit den Sensoren aufnehmen kann (zu diesem Zweck kann die Nut bevorzugt eine Breite zwischen den 1,05-Fachen und dem 15-Fachen des Durchmessers der Faser des Sensors und auf noch bevorzugtere Weise zwischen dem 2-Fachen und dem 10-Fachen des Durchmessers
der Faser des Sensors aufweisen; die Sensoren 401 und 402 sind starr auf der Oberfläche der Nut 405 befestigt (beispielsweise geklebt) und folgen den Verformungen des elastischen Elements 105 in der Längsachse 410, die somit gemessen werden können. Die Nut 405 ist gerundet und setzt sich in den Abschnitten der seitlichen Nut 406 fort, deren Zweck es ist, die Glasfaserüberlänge in den Bereichen der Verbindungen 201 und 202 problemlos weiterzuführen. Darüber hinaus umfassen die seitlichen Nuten 406 krummlinige Abschnitte, die die Glasfaser auf kontrollierte Weise krümmen und es ermöglichen, ein übermäßiges Biegen der Glasfaser, das die Übertragungseigenschaften beeinträchtigen würde, zu vermeiden.The Bragg grating sensors 401 and 402 are rigidly attached to the elastic element 105 on the side facing the plate 103, preferably in the middle section 405, which is arranged along the longitudinal axis 410 of a surface of the elastic element 105. A groove can preferably be machined into this section 405, the dimensions of which are such that it can precisely accommodate the optical fiber with the sensors inside (for this purpose, the groove can preferably have a width between 1.05 times and 15 - times the diameter of the fiber of the sensor and more preferably between 2 and 10 times the diameter
of the fiber of the sensor; the sensors 401 and 402 are fixed rigidly (e.g. glued) to the surface of the groove 405 and follow the deformations of the elastic element 105 in the longitudinal axis 410, which can thus be measured. The groove 405 is rounded and continues in the portions of the lateral groove 406, the purpose of which is to continue the fiber optic excess length in the areas of the connections 201 and 202 without any problems. In addition, the lateral grooves 406 comprise curvilinear sections that bend the optical fiber in a controlled manner and make it possible to avoid excessive bending of the optical fiber that would impair the transmission properties.

Auf der entgegengesetzten Fläche des elastischen Elements 105, die der Platte 102 zugewandt ist, befinden sich, vorzugsweise in der gleichen Position entlang der Längsachse 410, die Bragg-Gitter-Sensoren 403 und 404, die starr auf der Oberfläche des elastischen Elements 105 befestigt sind. Auch die Sensoren 403 und 404 folgen und ermöglichen es, die örtlichen Verformungen des elastischen Elements 105 zu messen und das Ausmaß der Kraft, die die Zelle beansprucht, abzuleiten.On the opposite surface of elastic member 105, facing plate 102, are Bragg grating sensors 403 and 404, which are rigidly mounted on the surface of elastic member 105, preferably in the same position along longitudinal axis 410 . The sensors 403 and 404 also follow and make it possible to measure the local deformations of the elastic element 105 and to derive the magnitude of the force exerted on the cell.

Wenn die Glasfaser mit den vier Bragg-Gittern 410, 402, 403, 404 mit der Auswerteeinheit verbunden wird, kann gleichzeitig die Verformung jedes Sensors separat abgelesen werden; dazu muss der Abstand jedes Gitters ausreichend verschieden von den anderen sein, damit Spitzenwellenlängen reflektiert werden, die verschieden genug sind, um präzise gemessen werden zu können. Auf diese Weise ist es somit möglich, vier Verformungsgrößen zu bewerten, die einzeln oder gleichzeitig zu einer genaueren Schätzung der Beanspruchung des elastischen Elements 105 verwendet werden können.If the glass fiber with the four Bragg gratings 410, 402, 403, 404 is connected to the evaluation unit, the deformation of each sensor can be read separately at the same time; this requires the spacing of each grating to be sufficiently different from the others to reflect peak wavelengths different enough to be precisely measured. In this way, it is thus possible to evaluate four deformation variables that can be used individually or simultaneously for a more accurate estimate of the stress on the elastic element 105.

Zur Berechnung der relevanten Größen können verschiedene Methoden herangezogen werden. Eine erste, sehr einfache Methode geht davon aus, dass alle Sensoren gleich und gleich empfindlich sind. Eine zweite Methode arbeitet mit Kalibrierungsmatrizen und ist präziser und daher empfehlenswert.Various methods can be used to calculate the relevant variables. A first, very simple method assumes that all sensors are equally sensitive. A second method works with calibration matrices and is more precise and therefore recommended.

Hier eine Beschreibung der ersten Methode. Für die in 4 angegebene Anordnung der Sensoren lässt sich, wenn ε die von jedem Sensor gemessene Verformung und SF die Empfindlichkeit der Kraftmesszelle für die einwirkende Kraft ist, das Ausmaß der auf die Zelle einwirkenden Kraft F nach der folgenden Gleichung bewerten: F = ( + ε 401 − ε 402 − ε 403 + ε 404 ) / S F

Figure DE102011077966B4_0001
Here is a description of the first method. for the inside 4 For the given arrangement of sensors, where ε is the displacement measured by each sensor and S F is the sensitivity of the load cell to the applied force, the magnitude of the force F applied to the cell can be estimated by the following equation: f = ( + e 401 − e 402 − e 403 + e 404 ) / S f
Figure DE102011077966B4_0001

Da die Empfindlichkeit SMf der Kraftmesszelle gegenüber dem Biegemoment bekannt ist, kann darüber hinaus anhand der folgenden Gleichung separat das auf die Kraftmesszelle einwirkende Biegemoment Mf bewertet werden: M f = ( + ε 401 + ε 402 − ε 403 − ε 404 ) / S Mf

Figure DE102011077966B4_0002
In addition, since the sensitivity S Mf of the load cell to the bending moment is known, the following equation can be used separately to evaluate the bending moment M f applied to the load cell: M f = ( + e 401 + e 402 − e 403 − e 404 ) / S Mf
Figure DE102011077966B4_0002

Dank der Zusammensetzung der Verformungen nach den vorangehenden Gleichungen ist es zudem möglich, die isotropen Verformungen des elastischen Elements, die durch Schwankungen der Betriebstemperatur der Kraftmesszelle bedingt sind, auszugleichen. Die Störveränderung ΔFT der geschätzten Kraft infolge der Temperatur, die eine isotrope Längung (d.h. mit konstanter Verformung εT) an den vier Sensoren bewirkt, ist in der Tat gleich null: Δ F T = ( + ε T − 401 − ε T − 402 − ε T − 403 + ε T − 404 ) / S F = 0

Figure DE102011077966B4_0003
Moreover, thanks to the composition of the deformations according to the preceding equations, it is possible to compensate for the isotropic deformations of the elastic element due to variations in the operating temperature of the load cell. The perturbation change ΔF T in the estimated force due to temperature, causing an isotropic elongation (that is, with constant strain ε T ) on the four sensors, is in fact zero: Δ f T = ( + e T − 401 − e T − 402 − e T − 403 + e T − 404 ) / S f = 0
Figure DE102011077966B4_0003

Gleichsam ist es dank der Positionierung der vier Sensoren möglich, weitere Informationen zu erhalten, wenn auch mit einer geringeren Empfindlichkeit, beispielsweise die Stärke der Querkraft in axialer Richtung zu den Sensoren, die auf die Kraftmesszelle wirkt.Likewise, thanks to the positioning of the four sensors, it is possible to obtain more information, albeit with less sensitivity, such as the magnitude of the transverse force acting on the load cell in the axial direction of the sensors.

Eine zweite Methode ermöglicht es, alle diese Größen anhand der numerischen Zusammensetzung der vier unverarbeiteten Verformungsmessungen ε mit Hilfe einer geeigneten Kalibrierungsmatrix zu erhalten, die mit einem numerischen Verfahren zur Bewertung der Ausgabegrößen der Kraftmesszelle erhalten wird, wenn diese bekannten Kräften ausgesetzt wird.A second method allows all these quantities to be obtained from the numerical composition of the four raw deformation measurements ε using an appropriate calibration matrix obtained with a numerical procedure for evaluating the outputs of the load cell when subjected to known forces.

Über ein Verfahren zur Minimierung des mittleren quadratischen Fehlers zwischen der angreifenden Kraft und den gemessenen Verformungen in der Kalibrierungsphase ist es möglich, eine Gruppe von Koeffizienten KF und KMf zu definieren, um eine Schätzung der Kraft F und des Moments Mf, die auf die Kraftmesszelle einwirken, zu erhalten: F = ( + KF 1 * ε 401 + KF 2 * ε 402 + KF 3 * ε 403 + KF 4 * ε 404 )

Figure DE102011077966B4_0004
M f = ( + KMf 1 * ε 401 + KMf 2 * ε 402 + KMf 3 * ε 403 + KMf 4 * ε 404 )
Figure DE102011077966B4_0005
 Through a procedure to minimize the mean square error between the applied force and the measured deformations in the calibration phase, it is possible to define a set of coefficients KF and KM f to estimate the force F and the moment Mf acting on the load cell act to obtain: f = ( + KF 1 * e 401 + KF 2 * e 402 + KF 3 * e 403 + KF 4 * e 404 )
Figure DE102011077966B4_0004
 M f = ( + KMf 1 * e 401 + KMf 2 * e 402 + KMf 3 * e 403 + KMf 4 * e 404 )
Figure DE102011077966B4_0005

Der Vorteil dieser Methode gegenüber der einfacheren liegt hauptsächlich in dem Vermögen, die unvermeidbaren Empfindlichkeitsunterschiede der Sensoren und die Cross-talks auszugleichen. Bei dieser Methode kann weiterhin vorgegeben werden, dass die Koeffizienten bei der Schätzung der wirkenden Kräfte eine Temperaturkompensation vornehmen.The advantage of this method over the simpler one lies mainly in the ability to compensate for the unavoidable differences in sensitivity of the sensors and the cross-talks. With this method, it can also be specified that the coefficients carry out temperature compensation when estimating the acting forces.

Festzustellen ist, dass zur Messung der rein axialen Komponente der auf die Kraftmesszelle 101 aus 2 wirkenden Kraft 203 (d.h. der senkrecht zur Ebene des elastischen Elements 105 wirkenden Kraft) auch der Einsatz eines einzigen Bragg-Gitter-Sensors, der auf geeignete Weise auf eine Oberfläche des elastischen Elements 105 geklebt ist, ausreichend sein könnte; in diesem Fall wäre es allerdings nicht möglich, das einwirkende Biegemoment zu messen, und die Kraftmesszelle würde nicht temperaturkompensiert. Auf die gleiche Weise könnte eine beliebige Anzahl von Sensoren eingesetzt werden, beispielsweise 2 oder 8 oder auch eine ungerade Zahl; nichtsdestotrotz ist die Anzahl von 4 aus den oben dargelegten Gründen am vorteilhaftesten.It should be noted that to measure the purely axial component of the load cell 101 from 2 acting force 203 (ie the force acting perpendicular to the plane of the elastic element 105), the use of a single Bragg grating sensor, which is suitably glued to a surface of the elastic element 105, could also be sufficient; however, in this case it would not be possible to measure the applied bending moment and the load cell would not be temperature compensated. In the same way, any number of sensors could be used, for example 2 or 8 or even an odd number; nevertheless, the number of 4 is most advantageous for the reasons set out above.

Die erfindungsgemäße Kraftmesszelle 101 umfasst ein elastisches Element 105 mit einer solchen Form, dass den Glasfaser-Sensoren 401, 402, 403, 404 eine zur bestmöglichen Messung geeignete Verformungsverteilung garantiert wird, d.h. eine konstante Verformung entlang der gesamten Länge des Sensors.The load cell 101 according to the invention comprises an elastic element 105 with such a shape that the glass fiber sensors 401, 402, 403, 404 are guaranteed a deformation distribution suitable for the best possible measurement, i.e. a constant deformation along the entire length of the sensor.

In der Entwicklungsphase der Kraftmesszelle wurden mechanische Analysen unter Verwendung von FEM-Simulationen durchgeführt, um die vorteilhaftestesten Formen des elastischen Elements 105 auf der Grundlage des Verformungszustands zu ermitteln.In the development phase of the load cell, mechanical analyzes were performed using FEM simulations to determine the most advantageous shapes of the elastic element 105 based on the state of deformation.

Das elastische Element 105 umfasst zwei Ausnehmungen 420 und 421, die entlang der beiden Ränder ausgebildet sind, welche die beiden an den Platten 102 und 103 fixierten Endabschnitte 201 und 202 verbinden. Diese Ausnehmungen 420 und 421 in den Flächen des elastischen Elements 105 sind dergestalt, dass sie einen Biegeverformungszustand gewährleisten, der mindestens zwei Bereiche mit konstanter Verformung entlang der Längsachse 410 einer Fläche des elastischen Elements 105 aufweist.The elastic element 105 comprises two notches 420 and 421 formed along the two edges connecting the two end portions 201 and 202 fixed to the plates 102 and 103. These recesses 420 and 421 in the faces of the elastic member 105 are such as to ensure a bending deformation state having at least two regions of constant deformation along the longitudinal axis 410 of a face of the elastic member 105.

5 zeigt den typischen Verlauf der Oberflächenverformungen ε sup (durch Kennlinie 501 angegeben) an einer der Flächen des elastischen Elements 105, auf die die Bragg-Gitter-Sensoren 401 und 402 geklebt sind. Angesichts der besonderen Form des auf Biegung beanspruchten elastischen Elements 105 kann eingeschätzt werden, dass die Verformungsveränderung 501 überwiegend im mittleren Bereich des elastischen Elements 105 angesiedelt ist, in dem der stabile Querschnitt am kleinsten und die Beanspruchungen am größten sind; sehr gering und fast vernachlässigbar ist die Verformungsveränderung 501 dagegen in den weiter vom Mittelpunkt der beiden Ausnehmungen 420 und 421 entfernten Bereichen. 5 shows the typical profile of the surface deformations ε sup (indicated by characteristic curve 501) on one of the surfaces of the elastic element 105 to which the Bragg grating sensors 401 and 402 are glued. Given the particular shape of the elastic element 105 stressed in bending, it can be estimated that the deformation variation 501 is predominantly located in the central area of the elastic element 105, where the stable cross-section is smallest and the stresses are greatest; On the other hand, the deformation change 501 is very small and almost negligible in the areas further away from the center of the two recesses 420 and 421 .

Genau in den Bereichen der beiden Flächen, in denen die Verformungsveränderung gering ist, werden erfindungsgemäß die Bragg-Gitter-Sensoren aufgeklebt. Jeder der Sensoren erfährt eine nahezu konstante Verformung entlang seiner gesamten Länge, so dass optimale Bedingungen zur Durchführung der Verformungsmessung entlang der Längsachse 410 vorliegen, wodurch auch die Qualität der Messung der Kraft, die auf die Zelle wirkt, erhöht wird. Denn wie bereits beschrieben, nutzen die Bragg-Gitter-Sensoren die Tatsache, dass sie in Bereichen angeordnet sind, in denen die Verformung des elastischen Elements über die gesamte Länge des Gitters konstant ist.According to the invention, the Bragg grating sensors are glued on precisely in the areas of the two surfaces in which the deformation change is small. Each of the sensors experiences an almost constant deformation along its entire length, so that there are optimal conditions for performing the deformation measurement along the longitudinal axis 410, which also increases the quality of the measurement of the force acting on the cell. Because, as already described, use the Bragg grating sensors the fact that they are placed in areas where the deformation of the elastic element is constant over the entire length of the grid.

Auf der entgegengesetzten Seite des elastischen Elements 105 liegt die gleiche Verformungsverteilung wie im Fall von 5 vor, da die Verformungen den gleichen Verlauf zeigen, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Auch auf der entgegengesetzten Seite werden die Sensoren 403 und 404 daher in den gleichen Bereichen angeordnet.On the opposite side of the elastic member 105 is the same deformation distribution as in the case of FIG 5 because the deformations follow the same course, but with the opposite sign. The sensors 403 and 404 are therefore also arranged in the same areas on the opposite side.

Die Ausnehmungen 420 und 421 sind vorzugsweise in Bezug auf die Längsachse 410 einer Fläche des elastischen Elements symmetrisch und verlaufen entlang der Ränder des elastischen Elements 105, die die beiden Endabschnitte 205a und 205b verbinden, welche an den Platten 102 und 103 fixiert sind. Darüber hinaus sind die beiden Ausnehmungen 420 und 421 vorzugsweise auch symmetrisch zu einer Querachse 411 einer Fläche des elastischen Elements 105. Dank der Symmetrie der Ausnehmungen 420 und 421 weist das elastische Element einen symmetrischen Beanspruchungszustand auf, der vorteilhafterweise symmetrische Verformungen erzeugt und Streuungen in der Messphase vermeidet.The recesses 420 and 421 are preferably symmetrical with respect to the longitudinal axis 410 of a surface of the elastic element and run along the edges of the elastic element 105 connecting the two end portions 205a and 205b fixed to the plates 102 and 103. In addition, the two recesses 420 and 421 are preferably also symmetrical about a transverse axis 411 of a surface of the elastic element 105. Thanks to the symmetry of the recesses 420 and 421, the elastic element has a symmetrical stress state that advantageously generates symmetrical deformations and scattering in the measurement phase avoids.

Die Ausnehmungen 420 und 421 beinhalten eine Verringerung des stabilen Querschnitts des elastischen Elements 105; im Besonderen ist die Breite des elastischen Elements entlang der Querachse 411 in dem Bereich zwischen den beiden Ausnehmungen am kleinsten, und der Wert dieser Breite beträgt bevorzugterweise zwischen 1/2 und 1/10 der Gesamtbreite des elastischen Elements 105 in derselben Querrichtung. Auf noch bevorzugtere Weise beträgt der Wert dieser Breite zwischen 1/5 und 1/6 dieser Gesamtbreite des elastischen Elements 105. Darüber hinaus nehmen die Ausnehmungen 420 und 421 bevorzugterweise mindestens 90% der freien Länge der Ränder des elastischen Elements 105 ein, die die beiden fixierten Endabschnitte verbinden. Auf noch bevorzugtere Weise nehmen die Ausnehmungen 420 und 421 die gesamte freie Länge ein. 6 zeigt einige Ausführungsformen eines elastischen Elements, das mit der erfindungsgemäßen Kraftmesszelle verwendbar ist.The recesses 420 and 421 involve a reduction in the stable cross-section of the elastic member 105; in particular, the width of the elastic element along the transverse axis 411 is smallest in the area between the two recesses, and the value of this width is preferably between 1/2 and 1/10 of the total width of the elastic element 105 in the same transverse direction. Even more preferably, the value of this width is between 1/5 and 1/6 of this total width of the elastic element 105. In addition, the recesses 420 and 421 preferably occupy at least 90% of the free length of the edges of the elastic element 105 connecting the two connect fixed end sections. More preferably, the recesses 420 and 421 occupy the entire free length. 6 FIG. 12 shows some embodiments of an elastic element that can be used with the load cell according to the invention.

Jede der beiden Flächen des elastischen Elements 601 weist Ausnehmungen in Form eines gleichschenkligen Trapezes ohne Rundungen auf; diese Ausnehmungen verringern die Breite der Fläche in Querrichtung auf ca. 1/7 der längeren Grundseite des gleichschenkligen Trapezes, das idealerweise jede der Ausnehmungen enthält.Each of the two surfaces of the elastic element 601 has recesses in the shape of an isosceles trapezium without curves; these recesses reduce the transverse width of the surface to about 1/7 of the longer base of the isosceles trapezium which ideally contains each of the recesses.

Die beiden Flächen der elastischen Elemente 602 und 604 weisen Ausnehmungen mit ähnlichen Formen wie denen des elastischen Elements 601 auf; sie unterscheiden sich jedoch dadurch, dass sie an den Ausnehmungen Rundungen aufweisen, deren Anschlussradien 1/8 und 1/20 der längeren Grundseite des gleichschenkligen Trapezes betragen, das idealerweise jede der Ausnehmungen enthält.The two surfaces of the elastic elements 602 and 604 have recesses with shapes similar to those of the elastic element 601; However, they differ in that they have curves at the recesses, the connection radii of which are 1/8 and 1/20 of the longer base of the isosceles trapezium, which ideally contains each of the recesses.

Die Flächen des elastischen Elements 603 weisen stärker gerundete Ausnehmungen als bei den elastischen Elementen 601, 602 und 604 auf. Der Wert der Anschlussradien des Elements 603 beträgt ca. 1/4 der längeren Grundseite des gleichschenkligen Trapezes, das idealerweise jede der Ausnehmungen enthält. Im Fall des elastischen Elements 603 beträgt die Breite in Querrichtung des Bereichs zwischen den Ausnehmungen ca. 1/4 der Gesamtbreite in Querrichtung.The surfaces of the elastic element 603 have more rounded recesses than the elastic elements 601, 602 and 604. The value of the connection radii of the element 603 is approximately 1/4 of the longer base of the isosceles trapezium which ideally contains each of the recesses. In the case of the elastic member 603, the transverse width of the portion between the recesses is about 1/4 of the total transverse width.

Die Flächen des elastischen Elements 105, das in der vorangehenden Beschreibung der Kraftmesszelle als bevorzugtes Beispiel verwendet wurde, haben in dem Bereich zwischen den Ausnehmungen eine Breite in Querrichtung von 1/5 bis 1/6 der Gesamtbreite des elastischen Elements in Querrichtung; diese Ausnehmungen haben einen Anschlussradius mit einem Wert von 1/5 bis 1/6 der längeren Grundseite des gleichschenkligen Trapezes, das idealerweise jede der Ausnehmungen enthält.The surfaces of the elastic member 105, which was used as the preferred example in the foregoing description of the load cell, have a width in the transverse direction in the area between the recesses of 1/5 to 1/6 of the total width of the elastic element in the transverse direction; these cavities have a junction radius with a value of 1/5 to 1/6 of the longer base of the isosceles trapezium that ideally contains each of the cavities.

Die Flächen des elastischen Elements 605 schließlich umfassen zwei halbkreisförmige Ausnehmungen mit einem Wert des Radius von ca. 3/8 der Gesamtbreite des elastischen Elements in Querrichtung und somit eine Breite in Querrichtung in dem Bereich zwischen den Ausnehmungen von ca. 2/8 der Gesamtbreite des elastischen Elements in Querrichtung.Finally, the surfaces of the elastic element 605 comprise two semi-circular recesses with a radius value of about 3/8 of the total width of the elastic element in the transverse direction and thus a width in the transverse direction in the area between the recesses of about 2/8 of the total width of the elastic element in the transverse direction.

Der Verlauf der Oberflächenverformungen an den Flächen der in 6 dargestellten elastischen Elemente ist natürlich von Element zu Element unterschiedlich. Dank der vorhandenen beiden Ausnehmungen ist der Unterschied bei den FEM-Simulationen allerdings sehr gering, insbesondere in den Bereichen, in denen die Verformung entlang der Längsachse einer Fläche des elastischen Elements (105) konstant ist. Alle dargestellten Formen oder ihre Varianten können daher vorteilhafterweise mit Anordnungen von Bragg-Gitter-Sensoren ähnlich der in 4 dargestellten Anordnung eingesetzt werden.The course of the surface deformations on the surfaces of the in 6 shown elastic elements is of course different from element to element. However, thanks to the presence of both recesses, the difference in the FEM simulations is very small, particularly in the areas in which the deformation along the longitudinal axis of a surface of the elastic element (105) is constant. All forms shown or their variants can therefore advantageously be used with arrangements of Bragg grating sensors similar to that in 4 arrangement shown are used.

Wie bereits gesagt, sind die Bragg-Gitter-Sensoren bevorzugt entlang der Längsachse einer Fläche des elastischen Elements befestigt, und zwar in den Bereichen mit im Wesentlichen konstanter Verformung, abgesehen von vernachlässigbaren Veränderungen (unter 10% der Gesamtverformungsveränderung an dem Element).As previously stated, the Bragg grating sensors are preferably mounted along the longitudinal axis of a surface of the elastic member in the areas of substantially constant strain except for negligible variations (less than 10% of the total strain variation on the member).

7 zeigt den Einsatz von vier erfindungsgemäßen Kraftmesszellen 701 zum Messen der Kräfte zwischen dem Stromabnehmer 702 eines Zuges 703 und der Fahrleitung 704. 7 shows the use of four load cells 701 according to the invention for measuring the forces between the pantograph 702 of a train 703 and the catenary 704.

In der Figur sind eine Seitenansicht und eine Vorderansicht der Anordnung der vier Kraftmesszellen 701 dargestellt.A side view and a front view of the arrangement of the four load cells 701 are shown in the figure.

Im Schienenverkehrsbereich liegt eine widrige Umgebung vor, die in spannungsführenden Komponenten wie beispielsweise dem Stromabnehmer 702 zum Abnehmen des elektrischen Stroms besteht; dieses Element ist einer sehr hohen Spannung ausgesetzt, die üblicherweise je nach Leitungsart zwischen 1000 V und 25000 V beträgt. Eine wesentliche Ursache für Störungen ist die Oberleitung 704, die, wenn sie herunterfällt, den Zugverkehr für mehrere Stunden unterbrechen kann; ein weiterer Gesichtspunkt ist die ordnungsgemäße Stromabnahme zwischen der Schleifleiste 705 des Stromabnehmers und der Stromleitung 704. Aufgrund der gestiegenen Geschwindigkeit der Züge nehmen dynamische Erscheinungen des Zusammenwirkens zwischen Stromabnehmer und Fahrleitung an Bedeutung zu und sind Gegenstand zahlreicher Studien.In the railway field, there is a hostile environment consisting of live components such as the pantograph 702 for collecting electric power; this element is subjected to a very high voltage, usually between 1000 V and 25000 V depending on the type of conduction. A major cause of disruption is the 704 catenary, which, if dropped, can disrupt train service for several hours; another aspect is the correct current collection between the contact strip 705 of the pantograph and the power line 704. Due to the increased speed of trains, dynamic phenomena of the interaction between pantograph and catenary become more important and are the subject of numerous studies.

Dieser Kontext ist beispielsweise für den Einsatz einer oder mehrerer erfindungsgemäßer Kraftmesszellen 701 geeignet; selbstverständlich beschränkt sich der Einsatz von erfindungsgemäßen Kraftmesszellen nicht auf diesen Bereich.This context is suitable, for example, for the use of one or more load cells 701 according to the invention; of course, the use of load cells according to the invention is not limited to this area.

Die Vielzahl von Kraftmesszellen 701 ist zwischen der Wippe 705 und dem Stromabnehmer 702 positioniert und in der Lage, die sich zwischen ihnen entladende Kraft zu messen.The plurality of load cells 701 are positioned between the cradle 705 and the pantograph 702 and are capable of measuring the force discharged between them.

Zum Messen der Kontaktkräfte zwischen Stromabnehmer und Fahrleitung können in Abhängigkeit vom Stromabnehmertyp zwei oder vier Kraftmesszellen verwendet werden, um sowohl die mit der Fahrleitung ausgetauschte Gesamtkraft als auch die Position des Kontaktpunktes zu bestimmen.Depending on the type of pantograph, two or four load cells can be used to measure the contact forces between the pantograph and the catenary, in order to determine both the total force exchanged with the catenary and the position of the contact point.

Die Platten 102 und 103 der Kraftmesszelle können optimiert werden, um durch unterschiedliche Gestaltungen der Anschlussbohrungen 305 an eine Vielzahl von im Bahnbereich eingesetzten Stromabnehmerwippen angepasst zu werden.The plates 102 and 103 of the load cell can be optimized in order to be adapted to a large number of current collector rockers used in the railway sector by means of different designs of the connection bores 305 .

Da die erfindungsgemäße Kraftmesszelle passive Glasfasersensoren umfasst, ist es nicht erforderlich, eine Stromversorgung über Batterien bereitzustellen, die sich nach einer gewissen Zeit unvermeidbar entladen. Die erfindungsgemäße Kraftmesszelle ist daher ideal für den Einsatz zur Langzeitüberwachung von Stromabnehmern im Schienenverkehr, an denen außer während der Wartung des Triebfahrzeugs Eingriffe schwierig sind.Since the load cell according to the invention comprises passive fiber optic sensors, it is not necessary to provide a power supply via batteries, which inevitably discharge after a certain period of time. The load cell according to the invention is therefore ideal for use in the long-term monitoring of pantographs in rail transport, which are difficult to access except during maintenance of the locomotive.

Die Kraftmesszelle kann auf der Grundlage der beim Betrieb an einem Bahnstromabnehmer üblichen Kräfte ausgelegt werden und für diese Kräftewerte eine unbegrenzte Lebensdauer haben.The load cell can be designed based on the forces normally encountered when operating on a traction pantograph and have an unlimited service life for these force values.

Die Werte, auf die eine Kraftmesszelle für den Einsatz im Bahnbereich ausgelegt werden kann, sind typischerweise:

  • • Messbare Kräfte bei Vollausschlag: ±500 N (höhere Werte sind möglich und messbar, aber bei einem Langzeiteinsatz nicht empfehlenswert)
  • • Äquivalentes spektrales Rauschen: 0.064 N/√Hz (bei einer Auswerteeinheit mit einer Auflösung von 1 pm)
  • • Erste Resonanzfrequenz 250 Hz (Einsatzbereich von 0 Hz bis 80 Hz)
  • • Temperaturkompensation bei der Messung der axialen Kraft und des Biegemoments.
The values for which a load cell can be designed for use in the railway sector are typically:
  • • Measurable forces at full deflection: ±500 N (higher values are possible and measurable, but not recommended for long-term use)
  • • Equivalent spectral noise: 0.064 N/√Hz (for an evaluation unit with a resolution of 1 pm)
  • • First resonance frequency 250 Hz (range from 0 Hz to 80 Hz)
  • • Temperature compensation when measuring axial force and bending moment.

Natürlich können höhere oder geringere Werte erhalten werden, indem ganz einfach die Abmessungen der Kraftmesszelle proportional vergrößert oder verkleinert werden oder indem andere Formen und Dicken für das elastische Element verwendet werden oder der Werkstoff des elastischen Elements selbst entsprechend geändert wird.Of course, higher or lower values can be obtained simply by proportionally increasing or decreasing the dimensions of the load cell, or by using other shapes and thicknesses for the elastic element, or by changing the material of the elastic element itself accordingly.

Neue Formen und Typologien von erfindungsgemäßen Kraftmesszellen werden dann einer Kalibrierung unterzogen, um die Empfindlichkeitsmatrix zu ermitteln, aus der der Wert der Kräfte extrapoliert werden kann, denen die Zelle ausgesetzt ist, und zwar durch Messen der Verformung der Bragg-Gitter, wie weiter oben beschrieben.New shapes and typologies of load cells according to the invention are then subjected to calibration to determine the sensitivity matrix from which the value of the forces to which the cell is subjected can be extrapolated by measuring the deformation of the Bragg gratings, as described above .

Selbstverständlich sind für den Fachmann zahlreiche Varianten möglich, ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen.Of course, numerous variants are possible for those skilled in the art without going beyond the scope of protection of the appended claims.

Eine mögliche Variante besteht beispielsweise in der Änderung der Dicke des elastischen Elements 105 zusätzlich zu einer Veränderung der Form der beiden Flächen durch Ausnehmungen, wie beschrieben.A possible variant consists, for example, in changing the thickness of the elastic element 105 in addition to changing the shape of the two surfaces by means of recesses, as described.

Darüber hinaus wäre es möglich, anstelle eines einzigen elastischen Elements eine Vielzahl elastischer Elemente zwischen die Platten zu setzen.In addition, it would be possible to place a plurality of elastic elements between the plates instead of a single elastic element.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zusätzlich zu den Ausnehmungen Löcher in die Flächen des elastischen Elements einzuarbeiten, wobei diese Löcher dergestalt sind, dass sie den Beanspruchungs- und Verformungszustand des elastischen Elements weiter verändern.Another possibility is to machine holes in the surfaces of the elastic element in addition to the recesses, these holes being such that they further change the state of stress and deformation of the elastic element.

Zudem ist denkbar, den mechanischen Schutz der Sensoren in der Kraftmesszelle zu verbessern, indem diese in eine geschlossene Struktur, auch aus Kunststoff, eingesetzt wird.It is also conceivable to improve the mechanical protection of the sensors in the load cell by using it in a closed structure, also made of plastic.

Claims (15)

Vorrichtung zum Messen einer Kraft, umfassend ein erstes Element (103) und ein zweites Element (102) zum Aufnehmen einer Kraft, wobei ein elastisches Element (105) zwischen das erste Element (103) und das zweite Element (102) gesetzt ist und an zwei gegenüberliegenden Endabschnitten (201, 202) so an dem ersten und zweiten Element (103, 102) fixiert ist, dass es die Biegeverformung des elastischen Elements (105) ermöglicht, wenn die Kraft auf das erste Element (103) oder auf das zweite Element (102) einwirkt, und mindestens vier optische Glasfasersensor (401,402,403,404), die an einer Fläche des elastischen Elements (105) befestigt sind, um eine Verformung des elastischen Elements (105) zu messen, wobei die Sensoren paarweise auf zwei entgegengesetzten Flächen des elastischen Elements (105) angeordnet sind, so dass sie vier Verformungen des elastischen Elements (105) messen, wenn die Kraft angreift, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren an einer Fläche des elastischen Elements (105) befestigt sind, die dem ersten (103) oder dem zweiten (102) Element zugewandt ist, wobei das elastische Element so ausgeformt ist, dass die Fläche, wenn die Kraft auf das erste Element (103) oder auf das zweite Element (102) wirkt, eine über die gesamte Länge dieses mindestens einen Sensors im Wesentlichen konstante Verformung erfährt, wobei das elastische Element zwei Ausnehmungen (420, 421) aufweist, die die Endabschnitte (201, 202) verbinden, wobei sich die beiden Ausnehmungen (420, 421) symmetrisch zu einer parallel zu den Flächen verlaufenden Querachse (411) des elastischen Elements (105) erstrecken, und wobei die Breite des elastischen Elements (105) entlang der Querachse (411) in dem Bereich zwischen den beiden Ausnehmen am kleinsten ist.A force measuring device comprising a first element (103) and a second element (102) for receiving a force, wherein an elastic element (105) is interposed between the first element (103) and the second element (102) and on two opposite end portions (201, 202) is fixed to the first and second members (103, 102) so as to allow bending deformation of the elastic member (105) when the force is applied to the first member (103) or to the second member (102), and at least four fiber optic optical sensors (401,402,403,404) attached to a surface of the elastic element (105) to measure a deformation of the elastic element (105), the sensors being paired on two opposite surfaces of the elastic element (105) are arranged so that they measure four deformations of the elastic element (105) when the force is applied, characterized in that the sensors are mounted on a surface of the elastic element (105 ) facing the first (103) or the second (102) element, wherein the elastic element is shaped in such a way that the surface when the force acts on the first element (103) or on the second element (102) acts, undergoes a deformation which is essentially constant over the entire length of this at least one sensor, the elastic element having two recesses (420, 421) which connect the end sections (201, 202), the two recesses (420, 421) symmetrically to a transverse axis (411) of the elastic element (105) running parallel to the surfaces, and wherein the width of the elastic element (105) along the transverse axis (411) is smallest in the area between the two recesses. Vorrichtung nach Anspruch 1 bei der die Sensoren entlang der Längsachse der Fläche befestigt ist.device after claim 1 where the sensors are mounted along the longitudinal axis of the surface. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das elastische Element (105) dergestalt ist, dass der Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Längsachse (410) des elastischen Elements in dem Abschnitt des elastischen Elements (105), der zwischen diesen beiden Ausnehmungen (420, 421) liegt, am kleinsten ist.device after claim 1 or 2 , in which the elastic element (105) is such that the cross section in a plane perpendicular to the longitudinal axis (410) of the elastic element in the section of the elastic element (105) lying between these two recesses (420, 421) at smallest is. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Breite dieser Fläche die Hälfte bis ein Zehntel und vorzugsweise ein Fünftel bis ein Sechstel der größten Breite dieser Fläche beträgt.device after claim 3 , in which the width of this area is one-half to one-tenth, and preferably one-fifth to one-sixth, of the greatest width of this area. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 4, bei der die Ausnehmungen (420, 421) in Bezug auf die Längsachse (410) des elastischen Elements symmetrisch sind.Device according to any one of claims 3 until 4 , in which the recesses (420, 421) are symmetrical with respect to the longitudinal axis (410) of the elastic element. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 5, bei der die Ausnehmungen (420, 421) in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur Längsachse des elastischen Elements symmetrisch sind.Device according to any one of claims 3 until 5 , in which the recesses (420, 421) are symmetrical with respect to a plane perpendicular to the longitudinal axis of the elastic element. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die Projektionen der Ausnehmungen (420, 421) in dieser Fläche die Form eines gleichschenkligen Trapezes haben.Device according to one of claims 3 until 6 , in which the projections of the recesses (420, 421) in this surface have the shape of an isosceles trapezium. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die Projektionen der Ausnehmungen (420, 421) in dieser Fläche die Form eines Polygons haben, das im Wesentlichen einem gleichschenkligen Trapez gleicht, bei dem die Ecken zwischen der kürzeren Grundseite und den Schenkeln gerundet sind.Device according to one of claims 3 until 6 , in which the projections of the recesses (420, 421) in this surface have the shape of a polygon, which essentially resembles an isosceles trapezium, in which the corners between the shorter base and the legs are rounded. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Sensoren als Glasfaser-Bragg-Gitter-Elemente (401,402,403,404) ausgebildet sind.Device according to any one of Claims 1 until 8th , in which the sensors are designed as glass fiber Bragg grating elements (401,402,403,404). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Fläche eine seitliche Nut (406) umfasst, die an einem der beiden Endabschnitte (201, 202) liegt und mindestens einen krummlinigen Abschnitt mit einer zur Aufnahme der Glasfaser geeigneten Breite umfasst.Device according to one of Claims 1 until 9 wherein the surface includes a lateral groove (406) located at one of the two end portions (201, 202) and including at least one curvilinear portion of a width suitable for receiving the optical fiber. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Seite eine Längsnut (405) umfasst, die entlang der Längsachse (410) der Fläche angeordnet ist und mit der seitlichen Nut (406) verbunden ist, wobei diese Längsnut geeignet ist, mindestens einen Sensor (401, 402, 403, 404) aufzunehmen, und die Längsnut vorzugsweise eine Breite zwischen dem 1,05-fachen und dem 15-Fachen und auf noch bevorzugtere Weise zwischen dem 2-Fachen und dem 10-Fachen der Breite des mindestens einen Sensors (401, 402, 403, 404) hat.device after claim 10 , in which the side comprises a longitudinal groove (405) arranged along the longitudinal axis (410) of the face and connected to the lateral groove (406), this longitudinal groove being suitable for receiving at least one sensor (401, 402, 403, 404), and the longitudinal groove preferably has a width between 1.05 and 15 times and more preferably between 2 and 10 times the width of the at least one sensor (401, 402, 403, 404) has. Vorrichtung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei der das elastische Element in Bezug auf eine Längsebene symmetrisch ist.Device according to any one of the preceding claims, in which the elastic element is symmetrical with respect to a longitudinal plane. Verwendung einer Vorrichtung zum Messen einer Kraft nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Messen der Kraft zwischen dem Stromabnehmer (702) eines Zuges und der Fahrleitung (704).Use of a device for measuring a force according to one of Claims 1 until 12 for measuring the force between the pantograph (702) of a train and the catenary (704). Verwendung einer Vorrichtung zum Messen einer Kraft nach Anspruch 13, bei der die Vorrichtung zwischen dem Stromabnehmer (702) und der Wippe (705) des Stromabnehmers angeordnet ist.Using a device to measure a force Claim 13 , in which the device is arranged between the pantograph (702) and the rocker (705) of the pantograph. Zug mit einem Stromabnehmer und einer Vorrichtung zum Messen der Kraft zwischen dem Stromabnehmer (702) und der Fahrleitung (704), wobei diese Vorrichtung eine Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 12 ist.Train having a pantograph and a device for measuring the force between the pantograph (702) and the catenary (704), said device being a device according to any one of Claims 1 until 12 is.
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