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Meßzelle für Kraftmessungen und Wägungen Die Erfindung bezieht sich
auf eine Meßzelle für Kraftmessungen und Wägungen mit einem rotationssymmetrisch
ausgebildeten Meßkörper, der an seiner Mantelfläche elektrische Stromwicklungen
trägt, deren Widerstand sich in Abhängigkeit von der unter Einwirkung einer in axialer
Richtung wirkenden Belastung auftretenden Deformation des Meßkörpers ändert. Bei
derartigen Meßkörpern ist es bekannt, auf dem Meßkörper zwei Wicklungen oder Wicklungsgruppen
derart anzuordnen und den diese tragenden Teil des Meßkörpers derart auszubilden,
daß die eine Wicklung durch die Deformation des Körpers gestaucht und die andere
gereckt wird. Die Widerstandsänderungen erfolgen somit in den beiden Wicklungen
bzw. Wicklungsgruppen gegenläufig, so daß durch geeignete Anordnung der Wicklungen
in einer Differential- oder Brückenschaltung ein hoher Emp findlichkeitsgrad der
Meßanordnung erzielt wird.
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Temperatureinflüsse bei verschieden langen Wicklungen hat man versucht
durch die Verwendung von Wicklungen mit gleicher Länge und zusätzlichen Temperatur-Kompensations-Wicklungen
auszuschalten.
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Bei einem als Scheibe ausgebildeten Meßkörper wirkt die zu messende
Last senkrecht zur Scheibenebene. In der Nähe des fest eingespannten Scheibenrandes
sind symmetrisch zur Scheibenebene Ansätze angeordnet, auf denen je eine Meßwicklung
aufgebracht ist.
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Meßkörper dieser bekannten Art besitzen zwar eine hohe Meßempfindlichkeit,
jedoch zeigen die Meßkurven Nichtlinearitäten, die unter anderem durch mechanische
Hystereseeigenschaften des Werkstoffes bedingt sind.
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Um die Einflüsse der mechanischen Hysterese und der Temperatur vollständig
auszuschalten, wurde vorgeschlagen, einen ringförmigen Meßkörper mit dreiecklörmigem
Querschnitt zu verwenden. Die Seite des dreieckförmigen Profilriges, die parallel
zur Achse des Meßkörpers liegt, trägt hierbei die Meß-und Kompensationswicklungen.
Über die dieser Seite gegenüberliegende Spitze wird die zu messende Kraft eingeleitet.
Der dreieckförmige Profilring ist an einer Spitze des Dreieckproflls abgestützt.
Durch einen derartigen Aufbau des Meßkörpers wird schon eine hohe Unabhängigkeit
von Temperatur und von mechanischen Einflüssen erreicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Einflüsse vollständig zu vermeiden,
die Meßgenauigkeit zu erhöhen und eine hystereselose Rückstellung zu erreichen.
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Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß die Abstützung des
Meßkörpers an einer von der Krafteinleitungsspitze ausgehenden Seite zwischen den
Spit-
zen des dreieckförmigen Meßkörperprofils angreift.
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Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß die Werkstoffspaanuingen
im Meßkörper gering bleiben, während die die Meßwicklungen tragenden Teile optimal
verformt werden. Zufolge der geringen Spannungen im Meßkörper werden auch die maximal
beanspruchten Bereiche bei Entlastung des Meßkörpers hysteresefrei rückverformt.
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Man kann eine weitere Verbesserung dadurch erzielen, daß von den
beiden Kraftübertragungsgliedem (Krafteinleitung, Abstützung des Meßkörpers) eines
auf Zug und das andere auf Druck beansprucht wird.
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Hierdurch wird erreicht, daß die Bewegung der Krafteinleitungsspitze
des dreieckförmigen Profilrilnges und des Krafteinleitungsgliedes bei Einwirken
der zu messenden Kraft auf den Meßkörper gleichlaufend sind. Diese gleichlaufende
Bewegung im Kraftangriffspunkt des,dreieckförmigen Proffiringes ist erforder lich,
um Meßfehler infolge entgegengesetzt gerichteter Bewegung des Krafteinleitungsgliedes
und der Spitze des Proffiringes zu vermeiden.
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Nach einer weiteren Fortbildung der Erfiadung wird die Meßzelle derart
ausgebildet, daß die Seitenwände der Meßzelle zur Übertragung der zu messenden Kraft
benutzt werden. Vorteilhaft wird das mit dem Meßkörper verbundene Kraftübertragungsglied
mit den Seitenwänden durch Aufschrumpfen verbunden. Hierdurch werden zusätzliche
Spannungen, die bei Schraubverbindungen ed. dgl. an den Bohrungen auftreten können,
vermieden. Durch diesen Aufbau einer Meßzelle ist ihr Inneres abgekapselt, so daß
besondere Dichtelemente, insbesondere flexible Dicht ringe, Membrane od. dgl., die
oft zu Störungen und Meßwertverfälschungen Anlaß geben, vermieden werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehinen.
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Die Figuren zeigen schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die den Meßkörper nach außen abschließenden Teile sind der besseren Übersicht wegen
teilweise nicht dargestellt. Ebenfalls ist ein als Überlastsicherung wirkendes Element
nicht in allen Ausführungsbeispielen enthalten.
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Das in Fig. 1 dargestellte Meßelement ist mit zwei Ringen 4 und 5,
die Bohrungen 9 zur Befestigung bei sitzen, versehen. Der RingS wird vorzugsweise
mit einer Auflagefläche verbunden, während über den Ring 4 die Kraft auf den Meßkörper
einwirkt. Der Ring 4 ist über das Innenrohr 2 mit der Spitze 10 des dreieckförmigen
Profliringes 1, der auch als Torsionsring bezeichnet werden kann, verbunden. An
der die ser Spitze 10 gegenüberliegenden Seite des Meßkörperprofils sind die Meßwicklungen6
und 7 und die Kompensationswicklung 8 angeordnet. Die Meßwicklung 6 wird bei Einwirken
einer Kraft auf den Meßkörper gestaucht und die Meßwicklung 7 gereckt. Die Kompensationswicklung
8 befindet sich in der neutralen Zone des Meßkörpers und wird bei Krafteinwirkung
weder gereckt noch gestaucht. Das Außenrohr 3, das mit dem Ring 5 verbunden ist,
ist zwischen der Spitze 10 und der Spitze 12 an der Dreieckfläche bei Punkt 11 angebracht.
An der Mantelfläche, an der die Verformung durch die Wicklungen 6 und 7 gemessen
wird, entstehen bei dieser Anordnung eindeutige Spannungsverhältnisse. Die in Fig.
1 gezeigte Ausführungsform eignet sich besonders für Halbbrücken, d. h. für Meßzellen,
die in Waagen mit zwei oder mehr Meßzellen eingebaut werden.
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Die Ausführung nach Fig. 2 zeigt eine Meßzelle, die sich besonders
für Vollbrücken, bei denen eine Waage mit nur einer Meßzelle versehen ist, eignet.
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Der obere Teil der Fig. 2 entspricht der Fig. 1, während der untere
Teil eine spiegelbildliche Anordnung darstellt. Für die Teile, die den in Fig. 1
dargesitellten entsprechen, sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden. Der
Meßkörper besteht ans den beiden dreiecktörmigen Torsionsringen 1 und 1 a, die durch
den rohrförmigen Zwischenring 3 miteinander verbunden sind. Das rohrförmige Zwischenstück
3 ist an der Dreiecksfläche des Torsionsnnges 1 zwischen der Spitze 10 und der Spitze
12 am Punkt 11 und an dem Torsionsringla zwischen der Spitze 12 a und der Spitze
10 a am Punktlla angeordnet. Der Torsionsringl ist mit den Meßwicklungen 6 und 7
und der Kompensationswicklung 8 versehen, und der Torsionsring 1 a mit den Meßwicklungen
6 a und 7 a und der Kompensationswicklung &a. Die Meßwicklungen6 und 6a werden
bei Krafteinwirkung gestaucht und die Meßwieklung 7 und 7 a gereckt. Die Kompensationswicklungen
8 und 8a befinden sich in der neutralen Zone und werden weder gereckt noch gestaucht.
Die SpitzelO des Torsionsringes 1 ist über das rohrförmige Zwischenstück 2 mit dem
Ring 4 verbunden. In der gleichen Weise ist die Spitze 10 a des Torszonsringes 1
a über das rohrförmige Zwir schenstück 2a mit dem Ring 5 verbunden. Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung befinden sich die Meßwicklungen ebenfalls an den Stellen größter Verformung,
so daß durch die doppelte Aufbringung der Meßwicklungen eine hohe Meßgenauigkeit
erreicht wird.
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Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem die die Kraft übertragenden
Rchransätze bei Belastung sich in der gleichen
Richtung bewegen wie die betreffenden Stellen des ,dreieckförmigen Torsionsringes.
Der Torsionsringl be sitzt an seiner Mantelfläche die Meßwicklungen 6 und 7 und
die Kompensationswicklung 8. An der Spitze 20 des Torsionsringes 1 ist das rohrförrnige
Übertragungsglied 21 befestigt, das an seinem Ende mit einer Bodenplatte 22 zur
Befestigung an dem Decke123 versehen ist. Die Verbindung der Boden platte 22 mit
dem Deckel 23 erfolgt mittels Schrauben 24. Am Punkt 32 des Meßkörpers 1 ist das
Außenrohr 25 angebracht, das an seinem unteren Ende einen Ring 26 besitzt. Dieser
Ring 26 wird beispielsweise mittels Schrauben 27 mit der Bodenplatte 28 des Meßkörpers
verbunden. Die Bodenplatte 28 wird an einer Auflage befestigt. Die zu messende Kraft
wirkt über den Decke123 auf den Meßkörper ein.
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Bei Belastung zieht sich das ringförmige Übertragungselement21 infolge
der Zugbeanspruchung zusammen und verkleinert seinen Durchmesser. Der Punkt 20 des
Torsionsringesl bewegt sich bei Be lastung in der gleichen Richtung, so daß keine
das Meßergebnis verfälschenden Einflüsse, insbesondere Gegenspannungen, auftreten
können. Das Außenrohr 25 wird auf Druck beansprucht und vergrößert daher seinen
Durchmesser. Da der Punkt 32 des Profilringes 1 ebenfalls eine nach außen gerichtete
Bewegung ausfühnt, können auch an dieser Stelle keine die Meßgenauigkeit ungünstig
beeinflussenden Gegenspannungen entstehen. Bei Belastung wird, wie bereits bei Fig.
1 und 2 erwähnt, die Meßwicklung 6 gestaucht und die Meßwicklung 7 gereckt, während
die Kompensationswicklung 8 sich in der neutralen Zone befindet und weder gereckt
noch gestaucht wird. Der Torsionsringl ist durch den Mantel 29 nach außen abgedeckt.
Zwischen dem Mantel 29 und dem Dekkiel 23 ist eine Dichtung30 vorzugsweise aus flexiblem
Werkstoff vorgesehen. Der Deckel 23 und die Bodenplatte 28 sind mit kugeligen Flächen31
zum Einspannen in eine Brücke versehen. Bei Verwendung der Meßzelle in einem Pendelgehänge
wird die Meßzelle einseitig, beispielsweise an der Bodenplatte 28, fest eingespannt.
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Die Fig. 4 zeigt eine weitere Verbesserung einer Meßzelle. Der dreieckförmige
Profliring 1 ist an der Spitze 40 mit dem rohrförmigen Ansatzstück 41, über das
die Kraft auf das Meßprofil einwirkt, versehen.
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An der Mantelfläche trägt der Profilring die Meßwicklungen 6 und 7
und die Kompensationswicklung 8. Die Meßwicklung 6 wird bei Krafteinwirkung gestaucht
und die Meßwicklung 7 gereckt. Weiterhin ist an der Seitenfläche zwischen den Spitzen
40 und 50 des dreieckförmigen Meßkörpers das rohrförmige Ansatzstück42 angeordnet.
Dieses rohrförmige Ansatzstück42 ist mit dem Ring 43 verbunden. Die Bodenplatte
44 und die Seitenwände 45 sind aus einem Stück hergestellt. Die Verbindung zwischen
den Seitenwänden 45 und dem Ring 43 erfolgt durch warmes Aufschrumpfen. Hierdurch
wird eine sichere Verbindung erzielt und Eindringen von Schmutz, Feuchtigkeit od.
dgl. in das Innere der Meßzelle mit Sicherheit vermieden. Außerdem treten bei dieser
Verbindungsart keine Spannungskegel oder ähnliche unerwünschte Spannungen auf, wie
sie insbesondere bei Schraubverbindungen in der Nähe der Bohrungen vorhanden sind.
Das rohrförmige Ansatzstück 41 ist mit der Deckplatte 46 verbunden. Die Deckplatte
46 und die Bodenplatte44 besitzen kugelförmige F1ächen
47, die zum
Einbau des Meßkörpers in Pendelstützen od. dgl. dienen können. In diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist außerdem eine Überlastsicherung 48 gezeigt. Bei Auftreten von
Kräften, die das zulässige Maß überschreiten, werden diese Kräfte über den Körper
48 abgeleitet, so daß eine Zerstörung des Torsionsringesl mit Sicherheit vermieden
wird. Die zulässigen Kräfte der Meßdose sind von felder in dem Meßkörperprofil auftretenden
Spannung abhängig. Von besonderer Wichtigkeit ist hierbei die Spannung, bei der
ein hysteresefreies Rückstellen der Spitzen des Meßkörperprofils mit Sicherheit
erfolgt. Um bei von außen kommender Strahlungswärme möglichst gleichmäßige Temperatrverhältisse
zu erreichen, sind Wärmeleitbleche 49 vorgesehen, die die Strahlungswärme dem Krafteinleitungsglied
41 zuführen.
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Die in den Fig.3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung
lassen sich in ähnlicher Weise, wie in Fig. 2 gezeigt wurde, zu Doppelzellen zur
am mensetzen. Die Fig. 5 und 6 zeigen Doppelzellen, die aus dem in Fig. 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle zusammengesetzt sind. In den Fig. 5 und 6
sind daher die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 verwendet worden. Die Fig. 7
zeigt eine Doppelzelle, die, unter Verwendung der in Fig. 4 gezeigten Einzelzelle,
aufgebaut ist. Auch in diesem Fall sind die Bezugszeichen der Fig. 4 verwendet worden.
Die Erfindung läßt sich auch bei anderen als den gezeigten Ausführungsbeispielen
verwenden.