-
Kraftmeßdose Zusatz zum Patent 1 121 843 Die Erfindung betrifft eine
Kraftmeßdose, bei der die zu messende Kraft gegen ein in der Meßdose vorhandenes
stabiles Kräfteverhältnis wirkt, nach Patent 1 121 843.
-
Im Hauptpatent wird vorgeschlagen, eine Kraft mittels einer Kraftmeßdose
dadurch zu messen, daß man die Kraft gegen ein in der Meßdose vorhandenes stabiles
Kräfteverhältnis zur Wirkung bringt, welches durch zwei gegeneinanderwirkende Kraftkomponentenpaare
hervorgerufen wird, die durch zwei annähernd konstante Kraftresultierende verursacht
werden. Der Erfindung des Hauptpatentes liegt das Prinzip zugrunde, durch Änderung
der Richtung von Kräften eine Änderung ihrer Größe und auf diese Weise eine Einstellung
des der zu messenden Kraft entgegenwirkenden Kräfteverhältnisses zu bewirken.
-
Die Erfindung stellt eine Weiterbildung des Gegenstandes des Hauptpatentes
dar und bezweckt die Schaffung noch stabilerer Verhältnisse bezüglich der in der
Kraftmeßdose der zu messenden Kraft entgegenwirkenden Kräfte. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß das in der Meßdose vorhandene stabile Kräfteverhältnis durch
Kraftresultierende hervorgerufen wird, die ihrerseits durch Kraftkomponenten verursacht
werden. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die Mittelstellung des Krafteinleitungshebels
bei der den Gegenstand des Hauptpatentes bildenden Ausführung, die durch das Verhältnis
der beiden Kraftkomponentenpaare gegeneinander bestimmt wird, bei geringen Richtungs-
oder Längenänderungen der Verbindungsteile eine geringfügige Änderung erfährt, was
bei höchsten Genauigkeitsanforderungen eventuell nicht tragbar ist. Eine stabile
Mittelstellung ist besonders dann wichtig, wenn die Kraftmeßdosen als Meßwertgeber
zur Steuerung der Größe einer Kraft oder eines Momentes zur Erreichung eines bestimmten
Größenverhältnisses zu einer anderen Kraft oder einem anderen Moment verwendet werden.
Dies ist beispielsweise der Fall, wenn bei der Lastausgleichsvorrich tung einer
Waage das Ausgleichsgewicht in seiner Größe oder Stellung entsprechend der Lastkraft
verändert werden, d. h. entsprechend der auf die Kraftmeßdose übertragenen Differenzkraft
ausgesteuert werden soll. Wird hierbei der Mittelstellung des Krafteinleitungshebels
ein bestimmtes Verhältnis zwischen Lastkraft und Lastausgleichskraft zugeordnet,
beispielsweise das Gleichgewichtsverhältnis, so muß diese Stellung besonders stabil
sein, um diejenigen Kräfte, die eine Abweichung von dieser Stellung verursachen,
über die Größe der Abweichung
genau erfassen zu können. Ähnliche Verhältnisse liegen
bei Kraftmessungen vor, bei denen sich die Richtung der zu messenden Kraft umkehren
kann.
-
Auch hier ist die Größe der zu messenden Kraft immer als Abweichung
von der Mittelstellung des Krafteinleitungshebels zu erfassen. Durch die erfindungsgemäße
Ausführungsform wird eine besonders stabile Mittelstellung erreicht.
-
Gemäß weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens können die Kraftkomponenten
von einem Gewicht, einer Feder oder auf ähnliche an sich bekannte Weise verursacht
werden. Die durch die zu messende Kraft hervorgerufene Verstellung des Krafteinleitungshebels
bewirkt über die Änderung der Richtung der Kraftkomponenten eine Anderung der Größe
der durch diese verursachten Kraftresultierenden und damit des durch diese bewirkten
Momentes, welches der zu messenden Kraft entgegenwirkt.
-
Es ist gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, die
Verbindungsteile so anzuordnen, daß in Mittelstellung des Krafteinleitungshebels
alle Kraftkomponenten durch dessen Drehachse verlaufen. In diesem Fall werden alle
Komponentenmomente zu Null, und es wird eine absolut stabile Mitteisteliung erreicht.
-
Zur Übertragung der Kraftkomponenten sind als Verbindungsteile zweckmäßig
Stahlbänder, Drähte od. dgl. oder gelenkig gelagerte Glieder zu verwenden,
die
einerseits ortsfest unter Krafteinwirkung gehalten sind und auf der anderen Seite
auf den Krafteinleitungshebel einwirken.
-
Zur Kompensation der zu messenden Kraft werden gemäß weiterer Ausbildung
des Erfindungsgedankens die Wirkungsrichtungen der Kraftkomponenten durch verstellbare
Anschläge, Schneiden, Kurvenstücke oder verspannte elastische Glieder in Abhängigkeit
von der Verstellung des Krafteinleitungshebels verstellt. Sieht man für die Verstellung
der Kraftkomponenten Kurvenstücke, verspannte elastische Glieder oder aber mehrere
nacheinander zur Wirkung kommende Anschläge oder Schneiden vor, so verschiebt sich
bei zunehmender Auslenkung des Krafteinleitungshebels auch der Angriffspunkt der
Kraftresultierenden an den Verbindungsteilen. Dadurch wird es möglich, einer bestimmten
zu messenden Kraft und der durch diese bewirkten bestimmten Winkelstellung des Krafteinleitungshebels
einen bestimmten Angriffspunkt der Resultierenden und damit einen bestimmten Berührungspunkt
zwischen den Verbindungsteilen und dem betreffenden Verstellglied zuzuordnen. Gemäß
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, die Berührungspunkte
als elektrische Kontakte auszubilden, die zur Signalgabe oder zu Steuerungszwecken
bei bestimmter Größe der zu messenden Kraft herangezogen werden können. Diese Möglichkeit
besteht zusätzlich zur direkten Erfassung der Verstellung des Krafteinleitungshebels
und damit der zu dieser in bestimmtem Verhältnis stehenden Größe der zu messenden
Kraft.
-
Nimmt der Abstand des Kraftangriffspunktes von der Drehachse mit
zunehmender Verstellung des Krafteinleitungshebels zu, so tritt bei der entsprechenden
Verstellung der Kraftkomponenten nicht nur eine Änderung ihrer Wirkungsrichtung
und damit verbunden eine Vergrößerung der Kraftresultierenden ein, sondern es ergibt
sich durch die Vergrößerung des Angriffshebelarmes zusätzlich noch eine weitere
Vergrößerung des Momentes, wodurch sich exponentiale Verhältnisse zwischen der Verstellung
des Krafteinleitungshebels und der zu messenden Kraft einstellen.
-
Die Verstellung des Krafteinleitungshebels durch die zu messende
Kraft kann in an sich bekannter Weise mittels Meßwandlern über Änderung des elektrischen
Widerstandes, des Stromes, der Spannung, der Frequenz, der Kapazität oder der Induktivität
in elektrische Meßwerte umgesetzt werden.
-
In den Zeichnungen sind schematische Ausführungsbeispiele für die
Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 eine Kraftmeßdose mit Dehnungsmeßstreifen
und Vorspannung durch Gewicht, Fig. 2 eine Kraftmeßdose mit Meßkondensatoren und
direkter Federvorspannung sowie Kontaktanschlägen, Fig. 3 eine Kraftmeßdose mit
induktiven Gebern, indirekter Federvorspannung und verspannten elastischen Gliedern
zur Überleitung der Kraftresultierenden.
-
In Fig. 1 ist ein Krafteinleitungshebel 1 auf einem Halter 2 ortsfest
gelagert. Über ein Stahlband 4, das durch eine Feder 5 gespannt wird, wird von einem
Bügel 6 die zu messende Kraft auf den Krafteinleitungshebel 1 übertragen. Am Krafteinieitungshebel
1 befindet sich ein Zapfen 7 und ein federndes Teil 8, auf dem beiderseitig Dehnungsmeßstreifen
9 auf-
gebracht sind. Das Teil 8 ragt mit seinem Ende zwischen zwei Rollen 10 an
einen Hebel 11, wodurch es spielfrei gehalten wird. An den Zapfen der Rollen 10
sind zwei Stahlbänder 13, 14 befestigt, die rechts und links an dem Zapfen 7 anliegen
und an der Lagerschneide 15 des Hebels 1 derart befestigt sind, daß sie die Kräfte
durch die Drehachse leiten. Der Hebelll ist mittels Lager 17 ortsfest gelagert und
trägt ein verschiebliches Laufgewicht 18.
-
Durch Verschieben des Laufgewichtes 18 kann die Größe der Vorspannung
der Stahlbänder 13, 14 und damit der in ihnen wirkenden Kraftkomponenten eingestellt
werden. Da durch die Kraftkomponenten die durch sie verursachten, auf den Zapfen
7 wirkenden Kraftresultierenden in ihrer Größe bestimmt sind und durch die Größe
dieser Kraftresultierenden sich die der zu messenden Kraft entgegenwirkenden Momente
ergeben, ist es möglich, durch Verschieben des Laufgewichtes 18 das Verhältnis zwischen
zu messender Kraft und eingetretener Verstellung des Krafteinleitungshebels 1 und
damit das Meßverhältnis einzustellen.
-
Wirkt auf den Bügel 6 eine zu messende Kraft nach oben oder unten,
so wird der Krafteinleitungshebell verstellt, bis Gleichgewicht erreicht ist zwischen
der zu messenden Kraft sowie der auf den Zapfen 7 wirkenden Kraftresultierenden,
die durch die Kraftkomponenten eines der Stahlbänder 13 oder 14 verursacht ist,
und dem Gegenmoment, das durch die Verformung des Teiles 8 sowie der Dehnungsmeßstreifen
9 hervorgerufen wird. Die Größe der Verstellung des Hebels 1, die dann zusammen
mit der Stellung des Laufgewichtes 18 ein Maß für die Kraft am Bügel 6 ist, wird
mittels der Dehnungsmeßstreifen in einen elektrischen Meßwert umgesetzt.
-
Wirkt keine Kraft auf den Bügel 6, so wird ein stabiles Gleichgewicht
und damit eine beständige Mittelstellung des Krafteinleitungshebels 1 durch das
Gegeneinanderwirken der beiden Kraftresultierenden, die von den Kraftkomponenten
der Stahlbänder 13, 14 verursacht werden, hervorgerufen. Da diese Mittelstellung
nur von der Richtung der Stahlbänder und damit der Richtung der Kraftkomponenten
abhängig ist und da die Kraftkomponenten entsprechend der Ausrichtung der Stahlbänder
durch die Drehachse des Hebels 1 gerichtet sind, können keine äußeren Kräfte oder
materialabhängige Faktoren wesentlichen Einfluß nehmen.
-
An Stelle des Bolzens 7 kann auch eine Schneide angeordnet sein,
an der ein Stahlband über eine Pfanne angelenkt ist, so daß der durch das Gewicht
18 hervorgerufene Zug über dieses Stahlband und das Schneidenlager auf den Krafteinleitungshebel
1 übertragen wird. Bei dieser Ausführung wirkt dann eine Kraftkomponente zwischen
der Befestigungsstelle am Hebel 11 in Richtung auf das Schneidenlager und die andere
Kraftkomponente im Hebel 1 selber vom Schneidenlager in Richtung gegen die Drehachse
15. Die durch die Kraftkomponenten verursachte Kraftresultierende wirkt dann direkt
auf die Schneide, die an Stelle des Zapfens 7 angebracht ist, wodurch in gleicher
Weise, wie schon angegeben, eine stabile Mittellage erreicht wird.
-
Schraubt man bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung die Anschläge
21, 22 gegen den Stahldraht 23, so ergeben sich die gleichen Verhältnisse wie bei
einer Schneidenlagerung an dieser Stelle. Der Draht
23 ist durch
die Feder 24 gespannt und verläuft im oberen Teil durch die Drehachse 25, an der
der Krafteinleitungshebel 20 ortsfest gelagert ist. An der Schneide 26 greift die
zu messende Kraft an, die zum Teil durch das Gegengewicht27 ausgeglichen wird.
-
An den Armen des Hebels 20 sind Kondensatorplatten 28, 29 angebracht,
die zwischen ortsfesten Gegenplatten 30, 31 beweglich sind.
-
Durch den Abstand der Anschläge 21, 22, die auch als Kontakte ausgebildet
sein können, ergeben sich zwei Meßbereiche mit unterschiedlichen Rückstellkräften.
Durch Anordnung mehrerer Anschläge übereinander kann die Zahl der Meßbereiche noch
vergrößert werden. Da der Draht 23 durch die Drehachse 25 geführt ist, ruft die
Verspannung durch die Feder 24 in der Mittelstellung kein wesentliches Rückstellmoment
hervor. In diesem Bereich ist also höchste Empfindlichkeit, d. h. größte Winkelverstellung
des Hebels 20 bei kleinster zu messender Kraft, vorhanden. Wird die Winkelverstellung
des Hebels 20 so groß, daß der Anschlag 21 oder 22 den Draht berührt, so tritt über
diesen als Kontakt ausgebildeten Anschlag Kontaktgabe und damit Anzeige, daß der
empfindliche Bereich überschritten ist, ein. Bei Zunahme der zu messenden Kraft
drückt jetzt z. B. der Anschlag 21 gegen den Draht, wodurch eine Änderung der Richtung
der durch die Feder 24 verursachten Kraftkomponenten eintritt. Dieses führt zu einer
gegen Anschlag 21 gerichteten Kraftresultierenden und damit zu einem gegen die zu
messende Kraft wirkenden Rückstellmoment, das mit Zunehmen der Verstellung des Krafteinleitungshebels
20 gleichfalls zunimmt.
-
Zur Messung der Verstellung werden Impulse gleicher Größe über Gleichrichter
auf die zwei Kondensatoren, bestehend aus Platten 28 und 30, sowie 29 und 31, gegeben.
Bei Mittelstellung des Krafteinleitungshebels 20 wirkt die verzögerte Entladung
der Kondensatoren in einer Brückenschaltung in bekannter Weise derart, daß bei gleicher
Ladung keine Spannung durch die Brückendiagonale fließt.
-
Bei Verstellung des Hebels 20 tritt eine Verschiebung der Kondensatorplatten
28 und 29 ein und bewirkt unterschiedliche Kapazität der beiden Kondensatoren. Bei
der Brückenschaltung bewirkt die größere Ladung des in Verstellrichtung liegenden
Kondensators einen Spannungsanstieg in der Brückendiagonalen bei der verzögerten
Entladung.
-
Die in der Diagonalen auftretende Spannung ist dabei annähernd proportional
der Verstellung des Hebels 20.
-
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung ist der Krafteinieitungshebel
40 um eine Drehachse 41 ortsfest gelagert. t2ber das Gestänge 42 wird die zu messende
Kraft eingeleitet. An der Verlängerung des Hebels 40 befinden sich die Kerne 43
zweier induktiver Geber 44, 45 und ein Schwert 46, das zwischen die Magnete 47 einer
Wirbelstrombremse ragt. Am Hebel 40 ist ein Stahlband 48 derart befestigt, daß seine
Längslinie durch die Drehachse 41 verläuft.
-
Rechts und links vom Stahlband 48 sind elastische Schenkel 49, 50
angeordnet, die durch Schrauben 51 und 52 verspannt und dadurch zu Kurvenstücken
geformt sind. An Stelle dieser Schenkel können auch starre Kurven stücke angeordnet
sein. Das Stahlband 48 ist unten an einem ortsfest gelagerten Hebel 53 befestigt.
Der Hebel 53 wird durch eine Feder 54 gegen das Stahlband 48 verspannt. Das Stahlband
48
kann auch durch die Drehachse 41 verlaufend oberhalb derselben ortsfest befestigt
sein.
-
Bei Angriff einer Kraft am Gestänge 42 wird der Hebel 40 verstellt,
wodurch sich das Stahlband 48 auf einen der Schenkel, z. B. auf Schenkel 49 legt,
wodurch der Angriffspunkt der Kraftresultierenden verschoben wird. Geichzeitig tritt
eine Verschiebung des Stahlbandes 48 und damit eine Änderung der Richtung der Kraftkomponenten
ein. Mit zunehmender Winkelverstellung des Hebels 40 durch die zu messende Kraft
wird daher der Abstand zwischen der Drehachse 41 und dem Angriffspunkt der Kraftresultierenden
auf Schenkel 49 und damit der Hebelarm, an dem die Kraftresultierende angreift,
größer.
-
Durch die gleichzeitige Vergrößerung dieses Hebelarmes und der Größe
der Kraftresultierenden ergibt sich eine Vergrößerung der Rückstellkräfte im exponentialen
Verhältnis zur Verstellbewegung. Mit zunehmender Größe der zu messenden Kraft wird
daher die relative Winkelverstellung des Hebels 40 immer kleiner. Die Größe der
Winkelbewegung wird mittels der induktiven Geber 44, 45 erfaßt und in elektrische
Meßwerte umgesetzt. Die Wirbelstrombremse 47 dient in bekannter Weise zur Verhinderung
von Schwingungen.
-
In gleicher Weise wie die als Ausführungsbeispiele beschriebenen
Meßwandler können auch solche, bei denen die Verstellbewegung über Änderung des
Stromes, der Frequenz od. ä. in elektrische Meßwerte umgesetzt wird, Verwendung
finden. An Stelle der Stahlbänder können gelenkig gelagerte Glieder od. dgl. vorgesehen
werden.
-
PATENTANS PRU'CHE: 1. Kraftmeßdose, bei der die zu messende Kraft
gegen ein in der Meßdose vorhandenes stabiles Kräfteverhältnis wirkt, nach Patent
1 121 843, dadurch gekennzeichnet, daß das Kräfteverhältnis durch Kraftresultierende
hervorgerufen wird, die ihrerseits durch Kraftkomponenten verursacht werden.