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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Justierung der messtechnischen Eigenschaften von Mechanismen für die Kraftmess- und Wägetechnik, insbesondere von elektromagnetisch kompensierenden Wägezellen.
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Die hier beschriebenen messtechnischen Eigenschaften von Wägezellen sind die Sensitivität, die Ecklastempfindlichkeit und die Neigungsempfindlichkeit. Mit Sensitivität wird die Amplitude der mechanischen Auslenkung, bezogen auf die wirkende Kraft, bezeichnet. Diese ist idealerweise möglichst hoch und kann durch eine Astasierung, also eine gezielte Beeinflussung der Federsteifigkeit, verbessert werden. Mit dem Begriff Ecklastempfindlichkeit ist die Veränderung der Waagenanzeige bei veränderter räumlicher Position der Krafteinleitung auf der Waagschale gemeint. Die Neigungsempfindlichkeit ist die Änderung der Waagenanzeige bei identischer Kraft durch Neigung des Krafteinleitungsmechanismus bezüglich der Fallbeschleunigungsrichtung.
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Bei den Mechanismen für die Kraftmess- und Wägetechnik handelt es sich um Koppelgetriebe in einer sehr ausgeprägten Form eines nachgiebigen Mechanismus mit konzentrierter Nachgiebigkeit. Die Bereiche konzentrierter Nachgiebigkeit, die Festkörpergelenke, sind im Vergleich zu den übrigen Teilen des Mechanismus sehr dünn. Damit unterscheiden sich auch die Biegesteifigkeiten zwischen den Festkörpergelenken und den Gliedern des Koppelgetriebes deutlich. Folglich werden die Glieder oder Verbindungsteile zwischen den sehr dünnen Festkörpergelenken wegen ihrer deutlich höheren Steifigkeit oft als starr (unendlich steif) modelliert. Untersuchungen zeigen jedoch, dass kleinste Verformungen dieser Verbindungsteile bereits die messtechnischen Eigenschaften der Wägezelle deutlich beeinflussen.
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Diese Zusammenhänge zeigen sich beispielsweise bei der Ecklastempfindlichkeit einer Wägezelle. Die Relativlagen der Bereiche der konzentrierten Nachgiebigkeit (Festkörpergelenke) definieren die Parallelkurbel, mit der die Waagschale typischerweise geführt wird. Dabei muss eine sehr gute Parallelität erreicht werden. Da dies aufgrund von Fertigungs- und ggf. Montagetoleranzen nicht ausreichend möglich ist, werden manche Gelenke im Mechanismus mit einer zusätzlichen Justiereinrichtung verschoben, um die Parallelität der Lenker zueinander herzustellen (s. hierzu
WO2003002954A1 ,
WO2008145427A1 und
EP2615433B1 ), wobei die Einstellung der Ecklastempfindlichkeit durch zusätzliche Justiereinrichtungen jedoch einen erhöhten Aufwand und eine potenzielle Fehlerquelle bedingt.
Ein anderer Lösungsansatz zur Justierung des Ecklastfehlers einer Wägezelle basiert auf der sensorbasierten Ermittlung der Größe der Ecklast mit anschließender Messwertkorrektur (s. hierzu
WO2010054743A1 ,
WO2008006423A1 ,
DE102009015029B4 und
DE19502694C1 ).
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Andere, durch die Last auf der Waagschale hervorgerufene, Verformungen beeinflussen die Steifigkeit der Wägezelle und damit auch deren gewünschte messtechnische Sensitivität und die störende Neigungsempfindlichkeit. Generell werden die Glieder der Wägezelle bisher möglichst steif ausgelegt, um die parasitären Verformungen möglichst klein zu halten. Damit wird der Einfluss dieser unerwünschten Verformungen zwar minimiert, aber nicht vollständig beseitigt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der die Astasierung eines Mechanismus für die Kraftmess- und Wägetechnik für verschiedene Lasten konstant gehalten und gleichzeitig negativen Effekten, wie einer erhöhten Neigungsempfindlichkeit oder einer erhöhten Ecklastempfindlichkeit, entgegengewirkt werden kann, wobei die messtechnischen Eigenschaften des Mechanismus auch während des Betriebs angepasst werden können.
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Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten, fünften und siebenten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die unvermeidlichen Verformungen der Glieder des Mechanismus für die Kraftmess- und Wägetechnik zur Verbesserung seiner messtechnischen Eigenschaften zu nutzen. Insbesondere wird dies mit Hilfe einer definiert erhöhten Nachgiebigkeit der Glieder des Mechanismus in Verbindung mit einer veränderlichen Belastung der Waagschale realisiert. Zur definierten Anpassung der Steifigkeit einzelner Glieder des Mechanismus können insbesondere elastische Strukturelemente mit nichtlinearen Kraft-Weg-Kennlinien von Vorteil sein. Der Justierbereich und die Auflösung der Justierung werden durch die definierte Steifigkeit der Glieder und durch die Laständerung auf der Waagschale bestimmt.
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Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen 1 bis 6, in denen jeweils verschiedene Ausführungsbeispiele gezeigt sind, näher erläutert. Dabei beziehen sich die in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele auf die Einstellbarkeit der Sensitivität in Abhängigkeit von der Last auf der Waagschale. In 5 ist die Justierung der Ecklastempfindlichkeit durch eine laterale Verschiebung von Gewichten auf der Waagschale bzw. durch eine dauerhafte Änderung der Sollposition der Waagschale sowie die Realisierung der Einstellung der Exzentrizität auf der Waagschale durch externe Mittel während des Betriebs dargestellt. Schließlich zeigt das in 6 offenbarte Ausführungsbeispiel eine Verringerung der Neigungsempfindlichkeit durch Maßnahmen, mit denen die negativen Effekte aufgrund der Verformung des Mechanismus kompensiert werden können.
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Es ist bekannt, dass die messtechnische Sensitivität des Mechanismus einer Wägezelle durch Einbringung einer Nichtlinearität (Astasierung) in den Mechanismus erhöht werden kann. Diese Nichtlinearität besteht aus der Einführung und Einstellung eines definierten vertikalen Abstands zwischen dem zentralen Hebelgelenk (10) des Übersetzungshebels (1) und den Gelenken als Verbindung zu den Koppelelementen (50a, 50b). Dieser vertikale Abstand sorgt für eine erwünschte Erhöhung der Sensitivität, die nach dem Stand der Technik aber nur für einen Lastwert erreicht werden kann. Nachteilig dabei ist, dass der Effekt der Astasierung von den auf den Waagschalen (110a, 110b) aufgelegten Gewichtsstücken (100a, 100b), also der Last, abhängt. Dies führt zu dem unerwünschten Effekt, dass nur für eine einzige Last die erhöhte Sensitivität erzielt werden kann. Bei konstanter bekannter Astasierung des Mechanismus kann der Zusammenhang, bei welcher Last welche Sensitivität des Mechanismus resultiert, vom Fachmann experimentell oder modellhaft als funktionaler Zusammenhang oder als Tabelle ermittelt werden.
Will man jedoch mit dem Mechanismus, beispielsweise bei einer Anwendung als Massekomparator, nicht nur eine feste Last, sondern einen bestimmten Lastbereich abdecken, wäre also eine lastabhängige Einstellung des vertikalen Gelenkabstandes erforderlich. Dazu wird nach einem Aspekt der Erfindung bei einer symmetrischen Wägezelle (s. 1) auf jeder Seite des Übersetzungshebels (1) ein erstes elastisches Strukturelement (11a, 11b) mit definierter Steifigkeit eingebracht. Bei Lastbeaufschlagung verbiegt sich das elastische Strukturelement und verändert somit den vertikalen Abstand an seinen beiden Befestigungsenden und damit die Astasierung des Mechanismus. Der mit zunehmender Masse auf der Waagschale zu reduzierende Gelenkabstand ist durch eine lastabhängige Verformung des Strukturelements (11a, 11b) zu erreichen. Diese lastabhängige Verbiegung des Strukturelements (11a, 11b) wird erfindungsgemäß so ausgelegt, dass der oben erwähnte Zusammenhang zwischen Last und Astasierung so invertiert wird, dass für jede Last die für eine hohe Sensitivität jeweils benötigte Astasierung durch die Verbiegung des Strukturelements (11a, 11b) realisiert wird. Dies führt zu einer lastabhängigen Verringerung des vertikalen Gelenkabstands und bei entsprechender Ausführung des Strukturelements (11a, 11b) zu einer in einem Lastbereich konstanten (hohen) Sensitivität. Mögliche geometrische Ausführungsformen elastischer Strukturelemente und zugehörige Berechnungsformeln, um ihre lastabhängige Verbiegung zu realisieren, sind dem Fachmann geläufig.
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Da die Verformung des Strukturelements (11a, 11b) auch eine Absenkung der Koppelelemente (50a, 50b) zur Folge hat und die resultierende Auslenkung der Parallelkurbeln (60a, 60b, 61a, 61b, 50a, 50b) negative Auswirkungen auf die Neigungsempfindlichkeit hat, umfasst die Vorrichtung einen Justiermechanismus (30 - 33), mit dem die beidseitigen Parallelkurbeln für jede lastbedingte Verformung wieder in die Ausgangslage justiert werden können. Dargestellt ist ein mittels eines Handrades (30) manuell verstellbares Justiergetriebe, welches ein Schraubengetriebe (31) in Verbindung mit einer Linearführung (33) aufweist. Zum Ausgleich von Fluchtungsabweichungen zwischen Linearführung (33) und Schraubengetriebe (31) ist ein Koppelelement (32) vorhanden.
Mit Hilfe dieser halbautomatischen Selbsteinstellung der Nichtlinearität des Mechanismus einer gleicharmigen Balkenwaage können Messungen bzw. Massevergleiche mit hoher Sensitivität in einem großen Lastbereich auf der Waagschale durchgeführt werden. Es ist dabei vorteilhaft, elastische Strukturelemente (11a, 11b) mit nichtlinearen Kraft-Weg-Kennlinien zu verwenden.
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Denkbar ist aber ebenso eine automatisierte Antriebslösung. Ein Ausführungsbeispiel für eine vollständig automatische Selbsteinstellung der Nichtlinearität des Mechanismus einer gleicharmigen Balkenwaage ist in 2 aufgezeigt. Dies wird mit einem zusätzlichen Hebelwerk (30a, 30b) realisiert. Weiterhin umfasst dieses Ausführungsbeispiel ein drittes elastisches Strukturelement (11c) mit einer definierten Steifigkeit, welches in Verbindung mit den Hebelverhältnissen des Hebelwerkes (30a, 30b) zu einer Nachführung der Parallelkurbeln (60a, 60b, 61a, 61b, 50a, 50b) führt, um dessen Auslenkung durch die ersten elastischen Strukturelemente (11a, 11b) zu kompensieren.
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Der in 1 und 2 gezeigte Lösungsansatz lässt sich auch für unsymmetrische bzw. einseitige Wägezellen realisieren (siehe 3: rechts - halbautomatische Einstellung der Sensitivität; links - vollautomatische Einstellung der Sensitivität). Die Änderung der Last (100) auf der Waagschale (110) bedarf hier allerdings auch einer Änderung des Gegengewichts (115) bzw. dessen horizontaler Lage.
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Bei der Verformung der ersten elastischen Strukturelemente (11a, 11b) mit definierter Steifigkeit kann es je nach deren Gestaltung zu einer kleinen Veränderung der Länge des Übersetzungshebels (1) kommen. Bei den symmetrischen Wägezellen kompensiert sich diese Längenänderung, da sie auf beiden Seiten entsteht. Durch Verwendung von jeweils zwei kombinierten elastischen Strukturelementen (11a, 11 b), die in entgegengesetzter Richtung mechanisch seriell in Reihe verbunden sind (siehe 4), so dass die Funktion einer Doppelparallelkurbel realisiert wird, kann diese Hebellängenänderung minimiert werden.
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Ursachen für die Ecklastempfindlichkeit sind die geometrische Anordnung der Bauteile und Verformungen der Bauteile des Mechanismus. Kleinste Verformungen im Mechanismus für die Kraftmess- und Wägetechnik können die Empfindlichkeit der Waage gegenüber Störeinflüssen erhöhen. Ein bekannter Fehlereinfluss ist die Ecklastempfindlichkeit, die bei einer perfekten Linearführung null ist. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass eine reale, fehlerbehaftete Struktur durch Feinjustierung nahe an diesen Zustand gebracht werden kann. Ziel der Justierung ist das Erreichen der Parallelität der Lenker der Parallelführung (60, 61). Nachteilig ist der große Aufwand dieser Feinjustierung. Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird deshalb, wie in 5 dargestellt, ein zweites elastisches Strukturelement (75) mit definierter Nachgiebigkeit in die Struktur der Lastaufnahme (70) eingebracht. Damit kann durch eine bewusst eingeleitete veränderliche Ecklast (101) die Ecklastempfindlichkeit reduziert werden. Dabei wird das von der Waagschale und deren Last verursachte Biegemoment durch Änderung der Waagschalenposition angepasst und somit eine feinfühlige Justierung der relativen Gelenkpositionen realisiert. Ein großer Vorteil dabei ist, dass hierzu kein zusätzlicher Aufwand erforderlich ist und die Justierung durch die veränderliche Ecklast (101) im Betrieb der Waage erfolgen kann.
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Ebenso sind die geometrische Anordnung der Bauteile und der Schwerpunkte der Bauteile sowie Verformungen der Bauteile des Mechanismus Ursachen für die Neigungsempfindlichkeit einer Wägezelle. Der Übersetzungshebel (1) im Mechanismus für die Kraftmess- und Wägetechnik wird sich je nach Last und Gestaltung unweigerlich verformen. Zusätzlich kommt es zu einer lastbedingten Längenänderung der Koppelelemente (50a, 50b), weil die Koppelelemente zwar möglichst steif in Zugrichtung ausgelegt werden, jedoch kleine Federwege nicht gänzlich vermieden werden können. Beide genannten lastbedingten Verformungen im Mechanismus führen, ohne zusätzliche Maßnahmen, zu einer Auslenkung der Parallelkurbeln (60, 61), welche die Neigungsempfindlichkeit der Wägezelle negativ beeinflusst.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann daher eine vertikale Justierung eines Positionssensors (180) zur Kompensation der Verformungen im Mechanismus genutzt werden. Im abgebildeten Fall (6) muss der Positionssensor (180) nach unten verschoben werden, um die Auslenkung der Parallelkurbel (60, 61, 70) zu kompensieren. Anstelle der dargestellten mechanischen Justierung (190) kann gleichermaßen die Soll-Position des Reglers elektronisch angepasst werden. Positionssensoren nach dem Stand der Technik wandeln die mechanische Position der Hebellage berührungslos in ein elektrisches Spannungssignal um, das in erster Näherung proportional zum Wegsignal ist. Die Ausgansspannung des Positionssensors (180) wird zum Regeln der Sollposition verwendet, indem die aktuelle Ausgansspannung mit einem Sollwert verglichen wird. Dem Fachmann sind mehrere Ausführungsvarianten für Positionssensoren und Sollwertregler geläufig. Durch eine elektronische oder softwaremäßige Veränderung dieses Sollwertes kann die eingeregelte mechanische Position in einfacher Weise eingestellt werden, ohne zusätzliche mechanische Stellvorrichtungen zu benötigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Übersetzungshebel
- 10
- Hebelgelenk
- 11a, 11b
- erste elastische Strukturelemente mit definierter Steifigkeit
- 11c
- drittes elastisches Strukturelement mit definierter Steifigkeit
- 30
- gestellfest gelagertes Handrad (1)
- 31
- Schraubengetriebe (1)
- 32
- Koppelement (1)
- 33
- Linearführung (1)
- 30a, 30b
- zusätzliches, gestellfestes Hebelwerk (2)
- 50, 50a, 50b
- Koppelelement
- 60, 60a, 60b
- unterer Parallellenker
- 61, 61a, 61b
- oberer Parallellenker
- 70, 70a, 70b
- Lastaufnahme
- 75
- zweites elastisches Strukturelement mit definierter Steifigkeit
- 100, 100a, 100b
- Last
- 101
- veränderliche Ecklast
- 110, 110a, 110b
- Waagschale
- 115
- Gegengewicht
- 180
- Positionssensor
- 190
- Mechanische Justierung der Höhe des Positionssensors
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2003002954 A1 [0004]
- WO 2008145427 A1 [0004]
- EP 2615433 B1 [0004]
- WO 2010054743 A1 [0004]
- WO 2008006423 A1 [0004]
- DE 102009015029 B4 [0004]
- DE 19502694 C1 [0004]
