DE19547352A1 - Einrichtung zum Messen von Kräften und/oder Momenten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Kräften und/oder Momenten mit einer Meßfeder, auf welcher Dehnungsmeß­ streifen appliziert sind, welche zu einer Wheatstone-Vollbrücke verschaltet sind.

Entsprechend dem Verwendungszweck sind die Meßfedern solcher Einrichtungen in der Regel als Biege- oder Doppelbiegebalken, als rotationssymmetrische Wägezelle oder als Drehmoment-Meßwel­ le ausgeführt. Die Dehnungsmeßstreifen sind dabei in einer Weise auf der Meßfeder appliziert und miteinander verschaltet, daß zumindest theoretisch die eventuell auftretenden Störgrö­ ßen, wie Querkräfte oder Momente kompensiert sind.

In der Praxis treten jedoch aufgrund von Toleranzen und Unsym­ metrien in der Meßfeder selbst, in den Widerständen der Deh­ nungsmeßstreifen, des Applikationsortes der Dehnungsmeßstreifen und/oder der Verschaltung der Dehnungsmeßstreifen auf, so daß die oben beschriebenen Einrichtungen stets eine Restempfind­ lichkeit bezüglich der Störgrößen aufweisen. Deshalb wurde beispielsweise bei praktisch ausgeführten Wägezellen, die als Doppelbiegebalken ausgeführt sind, eine mechanische Nachbear­ beitung der applizierten Meßfeder vorgenommen. Dies erfolgte durch eine unsymmetrisch zur Belastungsrichtung durchgeführte Materialabnahme an geeigneter Stelle der Meßfeder. Auf diese Weise ist zwar eine ausreichend genaue Justierung der Meßein­ richtung möglich, dieses Verfahren ist jedoch ausgesprochen aufwendig und zeitintensiv.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung zu messen von Kräften und/oder Momenten zu schaffen, die bei geringem Justageaufwand unempfindlich gegen die genannten Störgrößen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine elektrische Kompen­ sation der Störgrößen innerhalb der Verschaltung der Dehnungs­ meßstreifen ohne daß dieser Eingriff in die Verschaltung einen Einfluß auf sonstige Justagen wie beispielsweise die des Kenn­ wertes, des Nullpunktes oder auf die Temperaturkompensation der Meßbrücke hat.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der′ Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnung.

Hierzu zeigt Fig. 1 eine geschnittene Darstellung einer rota­ tionssymmetrischen Wägezelle, Fig. 2 die zugehörige Applika­ tion der Dehnungsmeßstreifen, Figur -3 stellt eine typische Empfindlichkeit gegenüber Querkräften dar, Fig. 4 zeigt eine als Doppelbiegebalken aufgeführte Wägezelle einschließlich der Applikation der Dehnungsmeßstreifen, Fig. 5 zeigt die erfin­ dungsgemäße Brückenschaltung, Fig. 6 zeigt den Einfluß der Widerstandselemente auf die Aufnehmerempfindlichkeit in Bezug auf Querkräfte. Die Fig. 7 zeigt eine Einrichtung zum Messen von Drehmomenten, Fig. 8 zeigt eine Übersicht über die Appli­ kationsorte der Dehnungsmeßstreifen, Fig. 9 und Fig. 10 zei­ gen jeweils den Einbau von membranartigen Führungen zum Ver­ ringern des Einflusses von Störgrößen.

Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch eine rotationssymmetri­ sche Wägezelle mit einem zentralen Krafteinleitungsabschnitt 1, welcher über eine radial verlaufende Kreismembrane 2 mit dem ringförmigen Kraftaufnahmeabschnitt 3 verbunden ist. Die Kreis­ membrane 2 weist auf ihrer vom Krafteinleitungsabschnitt 1 abgewandten Seite eine umlaufende Ringnut 4 mit dreieckigem Querschnitt auf. Im Bereich dieser Ringnut 4, welche in an sich in bekannter Weise der Verbesserung der Linearität der Meßsi­ gnale dient, sind acht Dehnungsmeßstreifen in der in Fig. 2 dargestellten Weise angeordnet.

Wird die Wägezelle über den Lasteinleitungsabschnitt 1 mit einer Kraft entlang ihrer Längsachse belastet, so werden die Dehnungsmeßsteifen R1, R2, R5 und R6, welche an der radial innen liegenden Fläche der Ringnut 4 appliziert sind, einer Dehnung ausgesetzt, während die auf der radial außen liegenden Fläche der Ringnut 4 angebrachten Dehnungsmeßstreifen R3, R4, R7 und R8 einer Stauchung unterworfen werden. In Fig. 2 ist dies durch die Eintragung der Vorzeichen angezeigt.

Die Dehnungsmeßstreifen R1 bis R8 sind mittels der im Innenraum der Wägezelle angeordneten Schaltplatine 5 zu einer wheatston­ schen Vollbrücke verschaltet, deren Speisespannung und Aus­ gangssignal über das Meßkabel 6 Übertragen wird.

Die erfindungsgemäße Verschaltung der Dehnungsmeßstreifen R1 bis R8 ist in Fig. 5 dargestellt. Die dargestellte Vollbrüc­ kenschaltung wird über die Punkte 10 und 11 gespeist, die Aus­ gangsspannung liegt zwischen den Punkten 12 und 13 an. Im Brückenzweig 14 zwischen den Punkten 11 und 12 sind die Dehnungsmeßstreifen R1 und R2 hintereinander geschaltet, im Brückenzweig 15 zwischen den Punkten 12 und 10 befinden sich die Dehnungsmeßstreifen R3 und R4. Diagonal gegenüberliegend zum Brückenzweig 14 befinden sich die Dehnungsmeßstreifen R5 und R6 im Brückenzweig 16 zwischen den Punkten 10 und 13, der Brückenzweig 17, der die Punkte 13 und 11 verbindet, enthält die Dehnungsmeßstreifen R7 und R8. Auch in der Fig. 5 sind die Dehnungen, die ein Dehnungsmeßstreifen bei einer Belastung in Meßrichtung erfährt, durch Eintragung der Vorzeichen markiert. Die Dehnungsmeßstreifen sind dabei in der Vollbrückenschaltung so angeordnet, daß jeder Brückenzweig Dehnungsmeßstreifen glei­ chen Vorzeichens enthält, darüberhinaus ist aus der Fig. 5 ersichtlich, daß radial hintereinanderliegende Dehnungsmeßstrei­ fen wie beispielsweise R1 und R8 oder R5 und R4 unmittelbar an einer gemeinsamen Brückenecke 11 bzw. 10 angeordnet sind.

Auf die beschriebene Weise sind auch die Dehnungsmeßstreifen verschaltet, die auf der Oberseite der als Doppelbiegebalken ausgeführten Wägezelle gemäß Fig. 4 appliziert sind. Der gemäß Fig. 4 linksseitig eingespannte Doppelbiegebalken verformt sich in Folge einer Einwirkung der Kraft F_nenn s-förmig, so daß die dem eingespannten Ende benachbarten Dehnungsmeßstreifen R5, R6, R1 und R2 infolge einer nach unten gerichteten Kraft ge­ dehnt werden, während die dem freien Ende benachbarten Deh­ nungsmeßstreifen R4, R7, R3 und R8 gestaucht werden. Die Anord­ nung der Dehnungsmeßstreifen auf der Oberseite des Doppelbiege­ balkens ist dabei wie folgt: In Querrichtung nebeneinander sind die beiden Dehnungsmeßstreifen R5 und R6 dem eingespannten Ende am nächsten. In Längsrichtung neben R5 befinden sich zunächst der "positive" Dehnungsmeßstreifen R1, an den sich die "negati­ ven" Dehnungsmeßstreifen R8 und R4 anschließen. In einem Ab­ stand in Querrichtung zu genannten Dehnungsmeßstreifen sind längs hinter dem Dehnungsmeßstreifen R6 der positive Deh­ nungsmeßstreifen R2 und die "negativen" Dehnungsmeßstreifen R3 und R7 angeordnet.

Aufgrund der Verschaltung der gemäß Fig. 2 oder 4 applizierten Dehnungsmeßstreifen entsprechend der Fig. 5 ist prinzipiell dafür gesorgt, daß Störgrößen, die auf die Wägezelle übertragen werden, wie beispielsweise eine Querkraft F_quer (Fig. 1 oder 2) oder Biegemomente, wie eine Verschiebung des Krafteinlei­ tungsortes um einen Abstand s oder um einen Winkel, automatisch kompensiert sind, da sich die dadurch bewirkten Brückenverstim­ mungen der entsprechenden Brückenhälften aufheben. Aufgrund von Unsymmetrien der Meßfeder, der Dehnungsmeßstreifen oder der Dehnungsmeßstreifenapplikation treten jedoch unter Einwirkung solcher Störgrößen letztlich doch noch Abweichungen, d. h. Querkraftempfindlichkeiten auf. Läßt man beispielsweise die in Fig. 1 und 2 dargestellte Querkraft F_quer eine Umdrehung um die Längsachse umlaufen, so erhält man einen sinusförmigen Empfindlichkeitsverlauf, wie er in Fig. 3 dargestellt ist.

Zur Kompensation solcher Empfindlichkeiten sieht die Erfindung vor, daß je nach winkelabhängigem Verlauf dieser Empfindlich­ keit jeweils an zwei benachbarten Brückenecken 10 bis 13 ein Widerstand K (1/8), K(2/3), K (4/5) oder K (6/7) parallel zu den beiden der jeweiligen Brückenecke benachbarten Dehnungsmeß­ streifen 21 bis 28 geschaltet wird. Ein solcher "Übereck-Ab­ gleich" hat eine Phasenverschiebung der Empfindlichkeitskurve zur Folge. Fig. 6 zeigt hierzu um jeweils 90° verschobene Kurven (Kurve 1 bis 4), die durch Einschalten folgender Wider­ stände erzeugt wurden. Die Kurve 1 entspricht einem "Übereck- Abgleich" über die Brückenecke 11 mittels des Widerstandes K (1/8) und über die Ecke 12 durch den gleich großen Widerstand K (2/3). Die Kurve 2 wurde durch die Widerstandskombination K (2/3) und K (4/5), die Kurve 3 durch K (4/5) und K (6/7) sowie die Kurve 4 durch K (6/7) und K (1/8) erzeugt. Die Phasen- und Amplitudenanpassung wird durch entsprechende Paarung von gege­ benenfalls unterschiedlich großen Widerstandswerten erreicht.

Die Kompensation der Querempfindlichkeit erfolgt durch "Auf­ schalten" einer geeigneten sinusförmig verlaufenden Übertra­ gungsfunktion mittels zweier "Übereck-Abgleiche", die genau gegenläufig zu der anhand der Fig. 3 geschilderten Queremp­ findlichkeit ist. Die Widerstandselemente K besitzen einen Widerstandswert, der einem Vielfachen, insbesondere 6-30-fachen des Widerstandswertes der Dehnungsmeßstreifen entspricht. Eine Erhöhung des parallelgeschalteten Widerstandselementes einer Brückenecke entspricht einer Verstärkung des Einflusses des Dehnungsmeßstreifenpaares, welches dieser Ecke benachbart ist. Eine Abschwächung des Widerstandselementes K ( . . . ) schwächt dagegen den Einfluß dieses Dehnungsmeßstreifenpaares.

Die Bestimmung der Widerstandswerte der beiden in der Regel ungleichen einzusetzenden Widerstandselemente K erfolgt nach folgendem Verfahren. Zunächst wird der Aufnehmerkörper bzw. die Meßfeder eingespannt, damit Querkräfte bzw. Biegemomente auf ge­ bracht werden können. Nun werden Querkräfte, die mindestens 1% der Nennlast betragen, in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen aufgebracht. Bei der rotationssymmetrischen Wäge­ zelle gemäß Fig. 1 und 2 liegen diese Kräfte in einer Ebene, die orthogonal zur Längsachse liegt. Bei einer Biegebalken- Wägezelle werden hierzu Momente um gegeneinander gedrehte Ach­ sen aufgebracht. Die hier erzeugten Ausgangssignale, werden - bereits korrigiert um Nullpunkt- oder Temperaturfehler sowie um eventuell auftretende Belastungen in Nennrichtung - gemes­ sen. Aus den gemessenen Werten können nun rechnerisch die Posi­ tion, d. h. die Auswahl der entsprechenden beiden Brückenecken (10 bis 13), sowie die Widerstandswerte der Widerstandselemente K ( . . . ) ermittelt werden. Nach Einsetzen dieser Widerstands­ elemente ist der Aufnehmer vollständig unempfindlich gegen Querkräfte, außermittige Belastung und Störmomente an der Kraf­ teinleitung.

Das oben beschriebene Verfahren und die erfindungsgemäße Voll­ brückenschaltung nach Fig. 5 kann nicht nur zur Beseitigung von Querkraftempfindlichkeiten bei Wägezellen angewandt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet hierfür ist beispielsweise die Drehmomentmessung. Hierzu zeigt Fig. 7 und 8 eine Drehmoment­ meßwelle 20, an deren beiden Enden 21 und 22 Drehmomente M um die Längsachse 23 eingeleitet werden. Die Momenteneinleitung erfolgt in an sich bekannter Weise über Flansche, die in der Figur jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Zur Ermittlung dieser Torsionsmomente sind insgesamt 8 Dehnungsmeßstreifen R1 bis R8 auf der Wellenoberfläche appli­ ziert, wobei die Dehnungsmeßstreifen so gestaltet sind, daß sie die Dehnungen in Richtung ± 45° zur Wellenlängsachse 23 sen­ sieren. Dadurch können vorzeichengerecht die Schubspannungen und damit das Torsionsmoment, welches über die Drehmomentmeß­ welle 20 übertragen wird, ermittelt werden.

Fig. 8 zeigt hierzu den Applikationsplan einschließlich der Vorzeichen, d. h. der Angabe, ob der entsprechende Dehnungs­ meßstreifen R1 bis R8 beim Einleiten eines Momentes in Nenn­ richtung gestaucht oder gedehnt wird. Diese Applikation ent­ spricht sinngemäß derjenigen der oben beschriebenen Wägezellen. Die Dehnungsmeßstreifen R1 bis R8 sind entsprechend der oben bereits beschriebenen Fig. 5 verschaltet. Die Drehmomentmeß­ vorrichtung wird nun nach dem oben beschriebenen Verfahren mit Störgrößen, das sind Biegemomente um Achsen, welche nicht par­ allel zur Längsachse 23 sind, oder Querkräfte. Diese Querkräfte werden in mindestens zwei verschiedene Richtungen aufgebracht und auch für die Drehmomentmeßvorrichtung werden die beiden an jeweils benachbarten Brückenecken 10 bis 13 parallel geschalte­ ten Widerstandselemente K nach oben beschriebenem Verfahren rechnerisch ermittelt und in die Schaltung eingebracht.

Die Fig. 9 und 10 zeigen jeweils Wägezellenein- bzw. Anbau­ ten, die den Einfluß von Querkräften im Bereich der Kraftein­ leitungszone auf mechanische Weise verhindern oder mildern. Fig. 9 zeigt hierzu eine bereits in Fig. 1 dargestellte Wäge­ zelle mit einem Krafteinleitungsabschnitt 1, einer Kreismem­ brane 2 und einen Kraftaufnahmeabschnitt 3. Der zapfenförmig in Längsrichtung überstehende Krafteinleitungsabschnitt 1 ist in radialer Richtung von einer Stützscheibe 25 umgeben, an die ein rohrförmiger, auf den Kraftaufnahmeabschnitt 3 weisender Ring 26 angeformt ist. Der Ring 26 ist mit dem Kraftaufnahmeab­ schnitt 3 verbunden, so daß die in Bezug auf Belastungen in Richtung der Längsachse der Wägezelle auftretende Belastungen weiche Stützscheibe 25 als Gelenk wirkt. Dadurch tritt nur ein sehr geringer Kraftnebenschluß auf, während am Krafteinlei­ tungsabschnitt eingeleitete Querkräfte durch die Stützscheibe 25 aufgenommen werden können und damit von der Kreismembran 2 ferngehalten sind. Die Dehnungen infolge parasitärer Kräfte reduzieren sich dadurch um ein Vielfaches. Neben erhöhter me­ chanischer Festigkeit bei Querbelastung verringert sich die Querkraftempfindlichkeit. Eine solche Momentenstütze kann auf bereits bestehende Wägezellen nachträglich montiert werden. Dabei erfolgt nahezu keine Rückwirkung auf das Verhalten bei Belastung in Nennrichtung.

Fig. 10 zeigt den Halbschnitt durch eine Wägezelle mit einem Lasteinleitungsabschnitt 30, einer Ringmembrane 31 und einem rohrförmigen Kraftaufnahmeabschnitt 32. Auch bei dieser rota­ tionssymmetrischen Wägezelle sind die Dehnungsmeßstreifen auf der Ringmembrane appliziert. Der Lasteinleitungsabschnitt 30 ragt fast bis auf die Höhe des Fußes 33 der Wägezelle in den Kraftaufnahmeabschnitt 32 hinein. In seinem oberen Bereich weist der Kraftaufnahmeabschnitt einen Bund 34 auf, der die Ringmembran 31 in axialer Richtung überragt, jedoch niedriger ist als die konvex gewölbte Krafteinleitungsfläche 35 am La­ steinleitungsabschnitt 30.

Zur Abstützung von Querkräften ist der Lasteinleitungsabschnitt 30 an seinem oberen und an seinem unteren Ende jeweils über Ringscheiben 36 und 37 in radialer Richtung mit dem Kraftauf­ nahmeabschnitt 32 verbunden. Hierzu ist am Bund 34 ein Absatz 38 und am oberen Ende des Krafteinleitungsabschnittes 30 ein Absatz 39 vorgesehen, wodurch die obere Ringscheibe 36 form­ schlüssig aufgenommen werden kann. Entsprechende Absätze sind auch an dem unteren Ende des Lasteinleitungsabschnittes 30 und im Bereich des Fußes 33 des Kraftaufnahmeabschnittes 32 vor­ gesehen, in denen sich die untere Ringscheibe 37 abstützt. Die Ringscheiben 36, 37 wirken wie eine Doppellenkerlagerung und lassen ohne nennenswerten Kraftnebenschluß axiale Relativer­ schiebungen zwischen dem Lasteinleitungsabschnitt 30 und dem Kraftaufnahmeabschnitt 32 zu, während Querkräfte übertragen und somit von der Ringmembran 31 ferngehalten werden. Die Ring­ scheiben 36, 37 dienen dabei gleichzeitig als Schutz der Deh­ nungsmeßstreifen bzw. der elektrischen Verschaltung. Insgesamt wird dadurch eine kompakte und äußerst robuste Bauform er­ reicht.

Claims (4)

1. Einrichtung zum Messen von Kräften und/oder Momenten, mit einer Meßfeder, auf welcher mindestens 8 Dehnungsmeßstrei­ fen so appliziert sind, daß die halbe Anzahl der Dehnungs­ meßstreifen bei Beaufschlagung in Meßrichtung eine positive und die andere Hälfte der Dehnungsmeßstreifen eine negative Dehnung erfährt, wobei die Dehnungsmeßstreifen zu einer Vollbrücke verschaltet sind, bei welcher jeweils diagonal gegenüberliegende Brückenzweige mit mindestens 2 Dehnungs­ meßstreifen besetzt sind, die bei Belastung in Meßrichtung vorzeichengleich verformt werden, während jeweils benach­ barte Brückenzweige ausschließlich Dehnungsmeßstreifen enthalten, deren Verformung durch diese Belastung zuein­ ander umgekehrte Vorzeichen besitzen, und wobei an zwei be­ nachbarten Brückenecken jeweils ein geeignet gewähltes, festes Widerstandselement parallel zu den beiden der ent­ sprechenden Brückenecken benachbarten Dehnungsmeßstreifen geschaltet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden der Brückenecke (10 bis 13) benachbarten Deh­ nungsmeßstreifen (R1 bis R8) jeweils in der gleichen Bela­ stungsebene angeordnet sind.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert der Wider­ standselemente (K) rechnerisch aus den Meßwerten der whe­ atstonschen Brücke bei Beaufschlagung durch definierte Störgrößen ermittelt werden.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßfeder als Kreismembran (2) mit zentralem Lasteinleitungsabschnitt (1) und ringförmigem Kraftaufnahmeabschnitt (3) ausgebildet ist, und daß der Krafteinleitungsabschnitt (1) mittels mindestens einer Stützscheibe (25) axial verschieblich geführt ist.