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Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer, insbesondere eine Wägezelle.
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Aus der
EP 0 534 270 A1 oder
WO 2012/156293 A1 ist ein Kraftaufnehmer, bzw. eine Wägezelle mit einem Federkörper und mindestens zwei Wegaufnehmern in Form von Messkapazitäten zur Erfassung einer Verformung oder Auslenkung des Federkörpers bei Belastung mit einer zu messenden Kraft oder Last bekannt.
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Übliche Messverfahren, mit denen sehr hohe Genauigkeiten erreicht werden können, sehen vor, die Messkapazität zyklisch zu laden und zu entladen und aus Strom, Spannung und Zeit einen Messwert für die Kraft oder Last zu bilden. Eine entsprechende Messschaltung ist z. B. aus der
WO 2010/060428 A1 bekannt.
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Solche Messschaltungen sind jedoch nicht in der Lage, sehr schnelle Last- oder Kraftänderungen zu messen, wie sie bei schockartiger Belastung oder Vibration auftreten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln Stoß- und Vibrationsbelastungen des Kraftaufnehmers zu messen.
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Gemäß der Erfindung wird dies erreicht durch einen Kraftaufnehmer, insbesondere eine Wägezelle, mit einem Federkörper, mindestens zwei Wegaufnehmern in Form von Messkapazitäten zur Erfassung einer Verformung oder Auslenkung des Federkörpers bei Belastung mit einer zu messenden Kraft oder Last und mit einer an einer der beiden Messkapazitäten angeschlossenen Messschaltung, die dazu ausgebildet ist, die Messkapazität zyklisch zu laden und zu entladen und aus Strom, Spannung und Zeit einen Messwert für die Kraft oder Last zu bilden, wobei die andere Messkapazität in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle zwischen den Eingängen eines widerstandsgegengekoppelten Operationsverstärkers geschaltet ist, der als Strom-Spannungswandler arbeitet und ausgangsseitig einen Messwert für Stoß- und Vibrationsbelastungen des Kraftaufnehmers liefert.
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Der Strom-Spannungswandler bewirkt, dass die Spannung der an ihm angeschlossenen Messkapazität immer den Spannungswert der Gleichspannungsquelle annimmt. Ändert sich daher der Kapazitätswert der Messkapazität, so führt dies unmittelbar zu einem Ausgleichsstrom, der von dem Strom-Spannungswandler in eine Messspannung umgesetzt wird. Dies erfolgt mit einer hohen Grenzfrequenz, so dass Schock- und/oder Vibrationsbelastungen des Federkörpers unmittelbar an der Messstelle für die Kraft- bzw. Lastmessung zu erfasst werden. Auf diese Weise können stoßartige Überlastfälle erkannt und die Integrität des Federkörpers überwacht werden.
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In vorteilhafter Weise kann an dem Kraftaufnehmer an einer Stelle, die von der Verformung bzw. Auslenkung des Federkörpers nicht betroffen ist, ein Beschleunigungssensor angeordnet sein, so dass zwischen Maschinenvibrationen, die auf den gesamten Kraftaufnehmer wirken, und Vibrationen der Last, die auf den Federkörper wirken, unterschieden werden kann.
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Weiterhin kann ein steuerbarer Umschalter vorgesehen werden, um die eine und die andere Messkapazität wechselweise mit der Messschaltung oder dem Strom-Spannungswandler zu verbinden. Beide Messkapazitäten können so wechselweise entweder zur Schockerkennung oder zur Messung der Kraft oder Last eingesetzt und damit gegenseitig überprüft werden.
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Der Anschluss der Messkapazität an die Messschaltung erfolgt vorzugsweise über Koppelkapazitäten, um die Kraft- bzw. Lastmessung elektrisch von der Systemmasse oder dem Gehäuse der Wägezelle zu entkoppeln. Die Kapazitätswerte der Koppelkapazitäten sind größer als die der Messkapazität.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:
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1 ein elektrisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers,
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2 ein elektrisches Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers,
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3 ein Ausführungsbeispiel einer Kraftmessdose mit einem Wegaufnehmermodul mit mehreren Wegaufnehmern im Längsschnitt,
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4 das Wegaufnehmermodul in Draufsicht und,
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5 einen Wegaufnehmer in Seitenansicht.
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1 zeigt ein elektrisches Blockschaltbild eines Kraftaufnehmers mit zwei Messkapazitäten 1, 2, die, wie durch das Bezugszeichen 3 angedeutet, mechanisch gekoppelt sind. Die Messkapazitäten 1, 2 arbeiten als Wegaufnehmer und erfassen eine Verformung oder Auslenkung eines Federkörpers bei Belastung mit einer zu messenden Kraft oder Last in Form einer Änderung ihrer Kapazitätswerte. Die Messkapazität 1 ist über Koppelkapazitäten 4, 5 an einer Messschaltung 6 angeschlossen, die die Messkapazität 1, z. B. bei konstanter Spannung oder mit konstantem Strom, lädt und entlädt und aus Strom, Spannung und Zeit einen hochgenauen Messwert für die Kraft oder Last bildet.
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Die andere Messkapazität 2 liegt in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle 7 zwischen den Eingängen (+, –) eines Operationsverstärkers 8, der über einen Widerstand 9 gegengekoppelt ist und daher als Strom-Spannungswandler 10 arbeitet. Der Strom-Spannungswandler 10 regelt die Spannung der an ihm angeschlossenen Messkapazität 2 auf den Spannungswert der Gleichspannungsquelle 7. Ändert sich der Kapazitätswert der Messkapazität 2, so führt dies unmittelbar zu einem Ausgleichsstrom I, der von dem Strom-Spannungswandler 10 in eine Messspannung Ua umgesetzt wird.
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Während die Messschaltung 6 den Wert der Messkapazität 1 mit hoher Genauigkeit aber aufgrund der Lade- und Entladezyklen vergleichsweise langsam misst, erfasst der Strom-Spannungswandler 10 Änderungen der Messkapazität 2 mit hoher Messgeschwindigkeit. Daher können Schock- und/oder Vibrationsbelastungen des Federkörpers unmittelbar an der Messstelle für die Kraft- bzw. Lastmessung zu erfasst, stoßartige Überlastfälle erkannt und die Integrität des Federkörpers überwacht werden.
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2 zeigt eine Variante des in 1 gezeigten Kraftaufnehmers mit einem steuerbarer Umschalter 11, der in einer ersten von zwei Schaltstellungen die Messkapazität 1 mit der Messschaltung 6 und die die Messkapazität 2 mit dem Strom-Spannungswandler 10 verbindet; in der zweiten Schaltstellung werden die Messkapazität 1 mit dem Strom-Spannungswandler 10 und die Messkapazität 2 mit der Messschaltung 6 verbunden. Beide Messkapazitäten 1, 2 können so wechselweise entweder zur Schockerkennung oder zur Messung der Kraft bzw. Last eingesetzt und damit gegenseitig überprüft werden.
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3 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine zylindrische Kraftmessdose, hier in Form einer Wägezelle. Die Kraftmessdose weist ein zylindrisches Krafteinleitungsteil 12 auf, das eine zu messende und in Richtung der Zylinderachse 13 wirkende Kraft oder Last F aufnimmt. Das Krafteinleitungsteil 12 ist über einen Federkörper 14 in Form einer Ringscheibe mit einem äußeren Aufstellring 15 verbunden, der auf einer hier nicht gezeigten festen Unterlage steht. Das Krafteinleitungsteil 12, der Federkörper 14 und der Aufstellring 15 sind vorzugsweise aus Stahl und einstückig ausgeführt. Der Aufstellring 15 ist unten mit einer Membran oder Bodenplatte 16 abgeschlossen, so dass die Wägezelle eine Dose bildet. Bei Belastung der Kraftmessdose wird das Krafteinleitungsteil 12 entgegen der Federkraft des Federkörpers 14 um einen zu der Kraft F proportionalen Wegbetrag in Richtung der Achse 13 nach unten bewegt. Dieser Wegbetrag wird mittels eines Wegaufnehmermoduls 17 gemessen, dass im Inneren der Kraftmessdose zwischen dem Krafteinleitungsteil 12 und dem Aufstellring 15 eingebaut ist. Eine dem Wegaufnehmermodul 17 zugeordnete Elektronik 18 ist ebenfalls im Inneren der Kraftmessdose angeordnet und z. B. an dem Wegaufnehmermodul 17 selbst gehalten. Die Elektronik beinhaltet die Messschaltung 6 und den Strom-Spannungswandler 10 (1, 2).
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4 zeigt das Wegaufnehmermodul 17 in Draufsicht.
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Das Wegaufnehmermodul 17 weist ein flaches Trägerteil 19 in Form eines Rundkörpers auf, das durch Ausnehmungen 20 in einen Innenrings 21 und einen Außenring 22 unterteilt ist, die über flexible Stege 23 miteinander verbunden sind. Der Außenring 22 und der Innenring 21 liegen jeweils über umlaufende Montageschultern an der Innenwand des Aufstellrings 15 bzw. der Außenwand des Krafteinleitungsteils 12 an und sind mit diesen ggf. verklebt. In drei der Ausnehmungen 20 ist jeweils ein von dem Innenring 21 ausgehender Kragarm 24 und ein von dem Außenring 22 ausgehender Kragarm 25 vorhanden, die sich aufeinander zu erstrecken und in einem Abstand voneinander enden. Bei Belastung der Kraftmessdose wird der Innenring 21 zusammen mit dem Krafteinleitungsteil 12 um einen zu der Kraft F proportionalen Wegbetrag nach unten bewegt. Der an der Innenwand des Aufstellrings 15 anliegende Außenring 22 des Trägerteils 19 ändert seine Position nicht, so dass sich die relative Lage der einander paarweise zugeordneten Kragarme 24, 25 um den Betrag der Auslenkung des Krafteinleitungsteil 12 ändert. Um diese Lageänderung zu erfassen trägt jedes Kragarmpaar 17, 18 jeweils einen Wegaufnehmer (Messkapazität 1) auf der Oberseite des Trägerteils 19 und einen weiteren baugleichen Wegaufnehmer (Messkapazität 2) auf der Unterseite.
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5 zeigt den Wegaufnehmer bzw. die Messkapazität 1 in Seitenansicht.
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Jeder der Wegaufnehmer bzw. Messkapazitäten 1, 2 besteht aus zwei Elektrodenkämmen 26, 27 mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern 28, 29. Die Elektrodenkämme 26, 27 sind an den Kragarmen 24, 25 beiderseits des dazwischen liegenden Spalts parallel zur Ober- bzw. Unterseite des Trägerteils 19, in der Weise angeordnet, dass sich die Elektrodenfinger 28 des einen Elektrodenkamms 26 in Richtung der Kraft F in den Zwischenräumen der Elektrodenfinger 29 des anderen Elektrodenkamms 27 bewegen können. Die Elektrodenkämme 26, 27 sind mikromechanisch aus Silizium gefertigt und über isolierende Keramikteile 30, 31 auf den Kragarmen 24, 25 montiert. Die Koppelkapazitäten 4, 5 sind durch Isolierschichten zwischen den Elektrodenfingern 28, 29 und Kontaktflächen ausgebildet.
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Wie 3 zeigt, kann auf der Bodenplatte 16 oder alternativ an dem Aufstellring 15 der Kraftmessdose ein Beschleunigungssensor 32 montiert sein, so dass die Elektronik 18 in der Lage ist, Maschinenvibrationen, die auf den gesamten Kraftaufnehmer wirken von Vibrationen der Last F, die auf den Federkörper 14 wirken, zu unterscheiden.
