DE19643868A1 - Wägezellenanordnung - Google Patents

Description

Wägezellen sind in der Technik seit langem bekannt und werden für viele An­ wendungen wie die Erfassung von Gewichten und Drücken genutzt. Im Siemens Lexikon der Analysen-, Meß- und Regelungstechnik wird eine Wägezelle mit Dehnungsmeßstreifen (DMS) als das Primärelement einer elektromechanischen Wägeeinrichtung beschrieben. Weiterhin erfolgt die Definition, die die Wägezelle als einen mechanisch-elektrischen Meßgrößenumformer, der die von der zu wä­ genden Masse ausgeübte Gewichtskraft in ein elektrisches Signal umformt, be­ schreibt.

Die Arbeitsweise wird wie folgt erklärt: Eine durch Gewichtslast erzeugte Nor­ malkraft verformt eine als Vollzylinder, Hohlzylinder oder Biegebalken ausge­ führte Meßfeder, mit der Dehnungsmeßstreifen kraftschlüssig verbunden sind, und ruft dadurch Widerstandsänderungen der Meßstreifen hervor. Die Meßstrei­ fen sind zu einer Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet, die mit Strom oder Spannung gespeist wird. Bei Belastung der Wägezelle kommt es zu einer Ver­ stimmung der Brücke und damit zu einer lastproportionalen Meßspannung.

Die o.a. Meßfedern, z. B. als Vollzylinder, Hohlzylinder oder Biegebalken ausge­ führt, sind meistens aus Metall geformt. Häufig kommt Aluminium zur Anwen­ dung. Die am häufigsten verwendeten Konstruktionsformen sind z. B. der Dop­ pelbiegebalken und der Biegering in den verschiedensten Ausführtingen.

Alle diese Ausführungen bauen konstruktionsbedingt hoch auf. Ebenso ist es sehr aufwendig die gesondert hergestellten Dehnungsmeßstreifen aufzubringen. Eine z.Z. bekannte und als preiswertes Serienprodukt herstellbare Wägezelle im der Doppelbiegebalken-Ausführung ist ca. 8 mm hoch. Weiterhin ist von Nach­ teil, daß in einigen Fällen mehrere, einzelne Wägezellen zur Anwendung kom­ men. Diese Anordnung erfordert erhöhten Aufwand für die Mechanik und Mon­ tage der Geräte. Bei der Anwendung als Schriftenprüfer, wie in EP 0 560 356 B1 beschrieben, wird dieses besonders deutlich. So muß z. B. eine Tragplatte für die Wägezellen vorgesehen werden, auf die Wägezellen wird dann wiederum eine Platte aufgebracht, auf der die Schriftprobe getätigt wird. Die beim Schreiben auf der o.a. Platte auftretenden, seitlichen Schubkräfte müssen beachtet und in der Konstruktion berücksichtigt werden.

Um extrem flache Systeme zur Gewichts- oder Druckaufnahme zu realisieren sind preiswerte Wägezellen in geringerer Bauhöhe einzusetzen. Diese flachen Systeme sind z. B. nötig, wenn ein Schriftenprüfer, wie in EP 0 560 356 B1 be­ schrieben, so klein und flach realisiert werden soll, daß er in oder neben einer PC-Tastatur angeordnet werden kann. Viele andere Anwendungen sind denkbar, z. B. flache Personen- oder Materialwaagen, etc. Wird die beschriebene Platte auf eine für die zu messende Kraft ausgelegt Biegefeder aufgebracht, können auch höchste Kräfte gemessen werden.

Denkbar ist die Anbringung von vier Dehnungsmeßstreifen auf einer flachen und genügend großen Metallplatte beliebiger Höhe und geometrischer Form.

Hierbei ist jedoch zu beachten, daß bei Langzeitanwendungen die Rückkehr der Metallplatte in ihre ursprünglichen Form nicht garantiert werden kann. Ein, wie auch immer geartetes, Fließen des Materials kann nicht vermieden werden.

Weiterhin denkbar ist die Anbringung von vier Dehnungsmeßstreifen auf einer flachen und genügend großen Glasplatte beliebiger Höhe und geometrischer Form. Diese Anordnung hätte den Vorteil, daß durch die gleichbleibende Rück­ kehr der Glasplatte in ihre ursprünglichen Form weitgehend sichergestellt ist, daß eine Reproduzierbarkeit der Meßwerte erwartet werden kann. Nachteilig wirkt sich jedoch die dem Glas innewohnenden Spannungen, bzw. Spannungsverläufe. Diese Spannungen, bzw. Spannungsverläufe können nicht im Voraus bestimmt, sondern müssen individuell für jede Glasplatte ermittelt und Dehnungsmeßstrei­ fen entsprechend ausgewählt werden. Ebenfalls individuell müssen die Plätze ausgewählt werden an denen die Dehnungsmeßstreifen montiert werden sollen. Eine Massenanwendung und Austauschbarkeit der einzelnen Meßsysteme kommt daher nicht in Frage.

Weiterhin wird in der Patentanmeldung 196 38 860.0 eine Anordnung von Deh­ nungsmeßstreifen auf schichtweise aufgebauten Verbundmaterialien vorgeschla­ gen.

Diese Anordnung hat den Nachteil, daß mehrere verschiedene Materialien zuerst zusammengefügt werden müssen. Danach werden in bekannten Verfahren der oder die Dehnungsmeßstreifen auf eines der Materialien aufgeklebt. Ferner kön­ nen durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der zusammenge­ fügten Materialen die Fügestellen so belastet werden, daß die Verklebung sich löst. Weiterhin sind bei den vorgenannten Verfahren die Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt; es ist daher unumganglich, daß eine Kabelverbindung zwischen DMS und nachgeschalteter Elektronik vorhanden ist. Um einen Abriß der Kabel zu verhindern, ist erheblicher Aufwand zur Zugentlastung derselben nötig. Nicht außer acht lassen kann man den u. U. personen- und umweltbelastenden Einsatz von teuren Klebern für Dehnungsmeßstreifen. Diese Kleber müssen so ausgelegt werden, daß sie kraftschlüssig verschiedene Materialien verbinden. Die Klebestellen müssen vielen Umweltbelastungen, wie Feuchtigkeit, Temperatur­ wechsel, abrasiven und aggressiven Mitteln, etc. aushalten.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu entwickeln das die vorgenannten Nachteile nicht besitzt und Verbesserungen bei der Herstellung und der Anwendung von Wägezellen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf eine genügend große und genügend hohe Platte aus mineralischem Isoliermaterial wie Keramik, mit Glas bedampfter Keramik und andere Oxyde in beliebiger geometrischen Form eine genügend hohe Beschichtung aus einem geeigneten Widerstandsmaterial aufgebracht wird. Dies kann z. B. durch sputern oder galvanisch erfolgen. Aus dieser Schicht wird in einem weiterem Arbeitsgang mit einem geeigneten und bekannten Verfahren, z. B. durch Einsatz eines Laserverfahrens oder chemisches Ätzen, dem Dehnungsmeßstreifen ähnliche, ggfs. ineinanderverschachtelte, Wi­ derstandsbahnen beliebiger geometrischer Form erzeugt.

Gleich einem Dehnungsmeßstreifen ändert sich der Widerstand der Widerstands­ bahnen mit ihrer Streckung oder Stauchung, die durch eine Verbiegung der Trä­ gerkeramik in beliebiger Richtung erfolgt.

Die Anzahl der erzeugten Widerstandsbannen richtet sich nach der Größe der Keramikplatte und nach dem jeweiligem Anwendungsgebiet und Genauigkeits­ anforderungen. Um hohe Genauigkeiten zu erreichen, werden auf beiden Seiten der Platte Widerstandsbahnen aufgebracht.

Bei einem beispielhaften Einsatz in einem Schriftenprüfer wären 4 bis 8 Wider­ standsbahnen nützlich.

Die benötigten elektrischen Anschlüsse der einzelnen Widerstandsbahnen werden mit gleichem Verfahren, z. B. mittels Laser, leiterbahnähnlich bis an den Rand der Keramikplatte geführt. Dort können dann Anschlußdrähte z. B. mit ge­ schraubten oder gepreßten Stützpunkten mit den von den Widerstandsbahnen kommende Leiterbahnen verbunden werden. Eine mechanische Belastung der mäanderförmigen und zur Gewichts- oder Druckmessung genutzten Wider­ standsbahnen durch Anschlußdrähte ist somit ausgeschlossen.

Weiterhin ist vorgesehen an Stellen ohne Durchbiegungen, z. B. an den Seiten­ rändern, Teile oder die gesamte Auswerteelektronik zu plazieren. Hierbei wird die gleiche Technik für das Aufbringen von Leiterbahnen genutzt, die oben für die betriebsgemäßen Widerstandsbahnen beschrieben ist.

In bekannten und geeigneten elektronischen Schaltungen werden die Widerstand­ sänderungen erfaßt und wunschgemäß ausgewertet.

Um eine eventuelle Temperaturdrift der zur Messung eingesetzten Widerstand­ bahnen zu kompensieren wird im gleichen Verfahren direkt zwischen oder nahe bei den der Gewichtsmessung dienenden Widerstandbahnen aus dem gleichen oder einem zu Temperaturmessung besonders geeignetem Material, wie z. B. Nickel oder Platin, gesonderte Strukturen erzeugt, die der Temperaturmessung dienen und entsprechend ausgewertet und verarbeitet werden.

Um einwirkende Kräfte wunschgemäß auf bestimmte Punkte der Keramikplatte zu kanalisieren, sind Einschnitte beliebiger geometrischen Form in der Kera­ mikplatte vorgesehen.

Um die Keramikplatte bei Überlast vor Bruch zu sichern, sind mechanische An­ schläge an den gefährdeten Stellen anzubringen.

Zur Messung der einwirkenden Kräfte oder Gewichte wird die Keramikplatte z. B. an den vier Ecken, lose aufliegend oder fest eingespannt, gelagert. Es wird die von den Seiten in Richtung zur Mitte der Platte auftretenden, dem einwirken­ den Gewicht entsprechende Durchbiegung gemessen. Ebenso ist es möglich die Keramikplatte nur an einer Seite zu einzuspannen, dann wird die einseitig auftre­ tende, dem Gewicht entsprechenden Durchbiegung, gemessen.

Bezugszeichenliste

1

Auflage

2

Widerstandsbahn

3

Keramikplatte

4

Einschnitt in Keramikplatte

5

Elektrischer Anschluß

Claims (8)

1. Wägezellenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Platte (3) aus keramischen Werkstoffen genügender Höhe und Größe beidseitig großflächig ein geeignetes Widerstandsmaterial z. B. durch sputern oder galvanisch, aufge­ bracht ist und in diesem Widerstandsmaterial min. eine z. B. durch Läsern oder chemisches Ätzen dem Dehnungsmeßstreifen ähnliche, gfs. mäanderförmige Widerstandsbahn (2) beliebiger Größe und geometrischer Form erzeugt wird. Die bei Belastung durch Biegen oder Stauchung in den Widerstandsbahn entstehen­ den Widerstandsänderung wird in einer geeigneten elektronischen Schaltung ge­ messen und ausgewertet.

2. Wägezellenanordnung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur wunschgemäßen Einleitung der Kräfte Einschnitte (4) in das keramische Material eingebracht werden.

3. Wägezellenanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die betriebsfertige Platte mindestens auf drei Punkten gelagert (1) oder einseitig eingespannt ist.

4. Wägezellenanordnung, nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Messung hoher Kräfte eine Kombination mit einer Biegefeder zur Anwendung kommt.

5. Wägezellenanordnung, nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß alle zum Anschluß (5) an externe Geräte benötigten elektrischen Leiter z. B. durch Läsern oder chemisches Ätzen erzeugt und bis an den Rand der Keramikplatte geführt sind.

6. Wägezellenanordnung, nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß alle benötigten elektrischen Leiterbahnen der Auswerteelektronik z. B. durch Läsern oder chemisches Ätzen erzeugt und auf der Keramikplatte inte­ griert ist.

7. Wägezellenanordnung, nach den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bauteile der Auswerteelektronik auf der Keramikplatte inte­ griert sind.

8. Wägezeilenanordnung, nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß weitere, ähnlich aufgebaute und herstellbare Sensoren, z. B. für Temperatur, gfs. mit gesonderten Strukturen und Materialien hergestellt und auf der Keramikplatte integriert sind.