DE20023524U1

DE20023524U1 - Kraftmesselement für eine Waage

Info

Publication number: DE20023524U1
Application number: DE20023524U
Authority: DE
Original assignee: Soehnle Waagen GmbH and Co KG
Current assignee: Soehnle Professional GmbH and Co KG
Priority date: 1999-07-10
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2010-06-29
Also published as: EP1194753A1; WO2001004587A1; US20020104690A1; DE19932289C1

Abstract

Waage mit einem Kraftmesselement, gebildet durch mindestens einen an seinem einen Ende die Last aufnehmenden Balken, der eine erste Ausnehmung aufweist, auf deren Ober- und Unterseite durch verringerte Querschnitte Biegestellen derart ausgebildet sind, dass sich bei Belastung zwischen den Biegestellen am Kraftmesselement eine Parallelführung ergibt, wobei das Messsignal am Kraftmesselement mittels nur eines einzigen Dehnmessstreifens (120) abgeleitet wird, der auf der Oberseite des Balkens angeordnet ist, und bei dem auf der Außenseite des Balkens (13) und dem Dehnmessstreifen (20) in Richtung auf das die Kraft aufnehmende Ende (13') des Balkens benachbart eine quer zum Balken verlaufende nach oben offene zweite Ausnehmung (151) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass vier Kraftmesselemente (100), die von einer Plattform (160) belastet werden, als Wheatstone'sche Brücke geschaltet sind, wobei zwei gegenüberliegende Kraftmesselemente derart umgekehrt wie die anderen angeordnet sind, dass zwei Kraftmesselemente auf Druck und zwei auf Zug belastet werden.

Description

Die Neuerung betrifft ein Kraftmesselement für eine Waage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Ein solches Kraftmesselement ist aus der DE 38 02 153 C2 bekannt.
Aufgabe der Neuerung ist es, die Linearität der Abhängigkeit des mittels Dehnmessstreifen abgeleiteten Messsignals von der eingeleiteten Kraft weiter zu verbessern.
Neuerungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. In den beigefügten Zeichnungen stellen dar:
1 eine Draufsicht auf eine Plattformwaage nach dem Stand der Technik gemäß der DE 38 02 153 C2 ;
2 einen Schnitt entlang der Linie II–II in 1;
3 eine Messschaltung in Form einer Wheatstone'schen Brücke mit einem Kraftmesselement 1 gemäß 1;
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Neuerung mit einem Kraftmesselement 100;
5 eine perspektivische Ansicht des Kraftmesselementes 100;
6 einen Schnitt entlang der Linie VI–VI in 5;
6a einen Schnitt durch ein Kraftmesselement aufgesetzter Plattform 2;
7 eine Anordnung einer Waage mit 4 Kraftmesselementen 100;
8 die Schaltung der 4 Kraftmesselemente zu einer Wheatstone'schen Brücke nach dem Stande der Technik;
9 die Schaltung von 4 Kraftmesselementen zu einer Wheatstone'schen Brücke mit am Ausführungsbeispiel der Neuerung.
Bei der Tischwaage nach dem Stand der Technik (1, 2) wirkt eine Platte 2 auf ein Kraftmesselement 1. Zu diesem Zweck ist ein flächiger Vorsprung 3 der Platte 2 mit dem Kraftmesselement 1 an dessen linkem Ende und das Kraftmesselement 1 an seinem rechten Ende mit einer festen Bodenplatte 4 fest verschraubt.
Auf dem Kraftmesselement 1 sind zwei Dehnmessstreifen (DMS) 5 und 6 angeordnet. Die Kraftmesszelle 1 ist mit einer Öffnung 7 versehen. Durch die verringerten Querschnitte des Materials der Kraftmesszelle entstehen Gelenke 8, 9, 10, 11. Oberhalb der Gelenke 8, 9 sind die Dehnmessstreifen 5, 6 angeordnet. Die beiden Dehnmessstreifen 5, 6 werden gemäß 3 mit zwei Widerständen 12, 13 zu einer Wheatstone'schen Brücke zusammengeschaltet. Da die Dehnmessstreifen 5, 6 in benachbarten Zweigen einer Wheatstone'schen Brücke angeordnet sind, addieren sich ihre elektrischen Wirkungen, sofern, wie dargestellt, an den Klemmen 22, 23 Spannung angelegt wird und die Ableitung des Signals an den Klemmen 24, 25 erfolgt.
Wird die Kraftmesszelle 1 mit einer Kraft F belastet (an Stelle I; vgl. 2), treten an den Gelenken 8 und 9 je eine Druck- bzw. eine Zugspannung auf, die betragsmäßig gleich sind. In der Brücke gemäß 3 addieren sich die an den Dehnmessstreifen 5, 6 gemessenen Wirkungen. Wird aber die Kraftmesszelle 1 außermittig (Stelle II) belastet; so entsteht zusätzlich ein Biegemoment Mb = F × 1, das im oberen Lenker 20 eine Zugspannung Z und im unteren Lenker 21 eine Druckspannung D bewirkt. Die zusätzliche Zugspannung Z im Lenker 20 bewirkt in den beiden Dehnmessstreifen 5, 6 eine betragsgleiche Widerstandszunahme. Da sich in einer Wheatstone'schen Brücke gleichsinnige Widerstandsänderungen in benachbarten Brückenzweigen kompensieren, ändert sich das Ausgangssignal der Wheatstone'schen Brücke gegenüber dem Belastungsfall 1 nicht. Die Anordnung erfordert aber zwei Dehnmessstreifen.
Die EP-A1-0 337 953 zeigt bereits ein Kraftmesselement, das eine Kompensation der Nichtlinearitäten bei exzentrischer Belastung durch Ausnehmungen beschreibt, gibt aber keinen Hinweis auf eine Verbesserung bei einer Plattformwaage mit vier Kraftmesselementen, die als Wheatstone'sche Brücke geschaltet sind.
4 zeigt schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels. Am Rand 101 eines Kastens 102 sind vier Hebel 103, 104, ∼105, 106 eingehängt. Die Hebel 105 und 106 greifen mittels je eines Gehänges 107, 108 an den Hebeln 103, 104 etwa an deren Mitte an. Die Hebel 103, 104 sind an ihrem freien Ende miteinander verbunden und tragen dort einen Stift 119, der auf ein Kraftmesselement 100 einwirkt. Die Hebel 103 bis 106 werden an den mit Pfeilen bezeichneten Stellen ihrerseits von einer (nicht gezeigten) Plattform her über Schneide und Pfanne belastet.
5 zeigt das Kraftmesselement 100. Es wird durch zwei äußere Balken 111, 112 und einen inneren Balken 113 gebildet, die parallel zueinander angeordnet, gleich lang und miteinander durch einen Querbalken 114 verbunden sind. Die Form ist in Draufsicht E-förmig. Die äußeren Enden der Balken 111, 112 werden, wie aus 4 ersichtlich, an einer Konsole 115 befestigt, die in der Mitte eine Vertiefung 115' aufweist, damit sich der mittlere Balken 113 absenken kann. Das Kraftmesselement 100 nimmt die Last durch den Stift 119, der mit den Hebeln 113 und 114 an deren vorderen Verbindung verbunden ist, auf.
Die Balken 111, 112, 113 sind je mit einem Durchbruch 125 versehen. Dieser wird durch einen kreisförmigen Bereich 125' und einen ovalen Bereich 125" gebildet, die miteinander in Verbindung stehen. Durch die ausgeprägt verringerten Materialquerschnitte entstehen Biegestellen 141, 142, 143, 144 (vgl. 3). Diese ergeben ein Parallelogramm, das sich bei Belastung verbiegt. Dabei verformt sich auch der Lenker 150 im oberen Bereich des Balkens 113. Oberhalb der Öffnung 125" ist ein Dehnmessstreifen 120 aufgeklebt, dessen elektrischer Widerstand sich bei Belastung des Kraftmesselementes 100 (Zug oder Druck) ändert.
Auf der Oberseite des Balkens 113 – sowie auf den anderen Balken 111, 112 – befindet sich eine im Querschnitt rechteckige nach oben offene Ausnehmung 151. Die Abmessungen sind beispielhaft etwa folgende: Die Länge des Balkens 113 beträgt ca. 6,6 mm. Die Ausnehmung 151 gemäß 3 hat eine Länge von ca. 13 mm und eine Höhe von ca. 3,5 mm. Die Breite der beiden äußeren Balken 110, 111 beträgt ca. 6 mm. Die Breite des mittleren Balkens beträgt ca. 112 mm. Die Ausnehmung 151 bewirkt eine Schwächung des Lenkers 150 oberhalb des Durchbruches 125.
Bei Belastung durch eine Kraft über den Stift 119 ergibt sich infolge der Ausnehmung 151 eine Linearisierung des mittels eines Dehnmessstreifens 120 bei Einleitung einer Kraft über den Stift 119 ableitbaren Signals. Es ist also nicht mehr nötig (wie noch beim Stand der Technik gemäß DE 3802 153 C2 , Spalte 2, Zeile 60 ff.), auf der Oberseite des Balkens 113 zwei Dehnmessstreifen anzuordnen, von denen bei einer Auslenkung der eine auf einer Zugzone und der andere auf einer Druckzone angeordnet sein muss, um die Nicht-Linearitäten durch entsprechende Gegeneinanderschaltung der Dehnmessstreifen kompensieren zu können. Vielmehr ergibt nunmehr bereits nur ein Dehnmessstreifen pro Kraftmesselement ein zufriedenstellend lineares Signal.
6a zeigt – etwa analog zu 2 – die Belastung 100 mit einer Plattform 160. Bei exzentrischer Belastung durch die Kraft F an Stelle 4 entsteht ein Biegemoment M_b = F . 1, das durch das an der Ausdehnung 151 bzw. dem Versatz e entstehende Drehmoment M_e kompensiert wird.
Vier Kraftmesselemente 100 können, wie in 7 dargestellt, an den Kanten einer Platte 160 angeordnet sein. Die Kraftmesselemente können dann zur Ableitung eines Messsignals in einer Wheatstone'schen Brücke zusammen geschaltet werden. Nach dem Stande der Technik musste man, wie in 8 dargestellt, jeweils in einem Zweig der Wheatstone'schen Brücke 2 Kraftmesselemente anordnen, um einen auf Zug belasteten Bereich 5 und einen auf Druck belasteten Bereich 6 (je mit einem Dehnmessstreifen) so zu schalten, dass die geschilderte Kompensation wirksam werden konnte.
Gemäß der Neuerung ist dies nicht mehr erforderlich. Man kann mit die vier Kraftmesselementen 100 gemäß der Neuerung eine Wheatstone'schen Brücke nach 9 ohne durch Druck oder Zug verursachten Nicht-Linearitäten zusammenschalten, von denen zwei auf Druck (D) und zwei auf Zug (Z) zu belastenden werden. Die auf Zug belasteten werden lediglich umgekehrt angeordnet wie die auf Druck zu belastenden Dehnmessstreifen ("über Kopf"). Damit lässt sich eine sehr viel einfachere Gestaltung der einzelnen Kraftmesselemente 120, aber auch ein erheblich verbilligter Aufbau einer Wheatstone'schen Brücke nach 9 erzielen. Man kann daher ein Kraftmesselement nach der Neuerung auch als "Viertelbrücke-Wägezelle" bezeichnen.

Claims

Waage mit einem Kraftmesselement, gebildet durch mindestens einen an seinem einen Ende die Last aufnehmenden Balken, der eine erste Ausnehmung aufweist, auf deren Ober- und Unterseite durch verringerte Querschnitte Biegestellen derart ausgebildet sind, dass sich bei Belastung zwischen den Biegestellen am Kraftmesselement eine Parallelführung ergibt, wobei das Messsignal am Kraftmesselement mittels nur eines einzigen Dehnmessstreifens (120) abgeleitet wird, der auf der Oberseite des Balkens angeordnet ist, und bei dem auf der Außenseite des Balkens (13) und dem Dehnmessstreifen (20) in Richtung auf das die Kraft aufnehmende Ende (13') des Balkens benachbart eine quer zum Balken verlaufende nach oben offene zweite Ausnehmung (151) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass vier Kraftmesselemente (100), die von einer Plattform (160) belastet werden, als Wheatstone'sche Brücke geschaltet sind, wobei zwei gegenüberliegende Kraftmesselemente derart umgekehrt wie die anderen angeordnet sind, dass zwei Kraftmesselemente auf Druck und zwei auf Zug belastet werden.