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Die Erfindung betrifft eine Kraftmessvorrichtung,
insbesondere für
eine Waage, nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.
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Die Präzision einer Waage, die eine
in einem Gehäuse
angeordnete Kraftmesszelle aufweist, ist von verschiedenen Faktoren,
insbesondere auch äusseren
Einflüssen
abhängig.
Festgestellt wurde, dass in der Umgebung auftretende elektromagnetische
wellen im Hochfrequenzbereich störend
in Erscheinung treten können.
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Zur Vermeidung dieser störenden Einflüsse wurde
in [1], der europäischen
Patentanmeldung mit der Publikationsnummer
EP 0 144 232 A2 , vorgeschlagen,
ein der Krafteinleitung dienendes, mit der Kraftmesszelle direkt
oder indirekt verbundenes Teil als Isolator auszubilden, wodurch
die Übertragung elektromagnetischer
wellen hin zur Kraftmesszelle verhindert wird.
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Statische Ladungen, die sich während des Betriebs
der Waage im Bereich der Waagschale aufbauen können, werden vor Beginn jeder
Messung durch Erdung der Waagschale beseitigt, so dass plötzliche
Entladungen, die die Messungen beeinflussen oder Bauteile der Messelektronik
schädigen können, vermieden
werden.
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In [2], Offenlegungsschrift
DE 34 11 550 A1 , wurde
vorgeschlagen ein der Krafteinleitung dienendes, mit der Kraftmesszelle
verbundenes Teil an der Stelle mit einer Isolationsschicht zu versehen,
an der die Waagschale aufgesetzt wird. zur Ableitung statischer
Ladungen ist die Isolationsschicht mittels eines ohmschen Widerstands überbrückt, der
innerhalb des der Krafteinleitung dienenden Teils angeordnet ist.
Der Widerstandwert des ohmschen Widerstands wird dabei im Bereich
von 100 Ohm bis 10'000 Ohm gewählt.
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Diese Lösung weist den Nachteil auf,
dass der der Ableitung statischer Ladungen dienende ohmsche widerstand
in reduziertem Mass selbst Störsignale
zur Kraftmesszelle überträgt, welche
die Messungen ungünstig
beeinflussen können.
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Zudem weist die in [2] offenbarte
Lösung weitere
Nachteile auf. zur Verbindung mit der Waagschale weist das der Krafteinleitung
dienende Teil einen zapfen auf, der mit der Isolationsschicht zu
versehen und in den der ohmsche widerstand einzusetzen ist. Nebst
dem Aufwand zum Bearbeiten des Zapfens und zum Einsetzen des Widerstands
ist zu beachten, dass die Kontaktierung des ohmschen Widerstands
mit dem Aufsetzen und Entfernen der Waagschale jeweils geschaffen
und wieder aufgehoben wird, so dass sich das Übertragungsverhalten der Anordnung
jedes Mal ändern
kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kraftmessvorrichtung
zu schaffen, bei der der Aufbau statischer Ladungen verhindert wird
und störende
Einflüsse elektromagnetischer
wellen wirkungsvoller unterdrückt
werden.
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Insbesondere ist eine verbesserte
Kraftmessvorrichtung zu schaffen, bei der die Unterdrückung störender Einflüsse zuverlässig auf
hohem Niveau erfolgt.
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Ferner sollen die Mittel zur Ableitung
statischer Ladungen und zur Unterdrückung störender Einflüsse elektromagnetischer
wellen mit geringem Kostenaufwand herstellbar und montierbar sein.
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Zudem soll die erfindungsgemässe Kraftmessvorrichtung
oder die darin vorgesehene Kraftmesszelle vorzugsweise modular einsetzbar
sein, so dass damit zu verbindende, gegebenenfalls verschiedenartig
ausgestaltete Lastübertrager
in einfachster weise montierbar sind.
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Diese Aufgabe wird mit einer Kraftmessvorrichtung
gelöst,
welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
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Die insbesondere zur Verwendung in
Waagen vorgesehene Kraftmessvorrichtung weist eine in einem Gehäuse angeordnete
Kraftmesszelle auf, deren Lasteinleitungsteil mit einem durch eine
Gehäuseöffnung hindurch
geführten
Lastübertrager,
gegebenenfalls einem Waagschalenträger, mechanisch und elektrisch
gekoppelt ist.
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Erfindungsgemäss sind die Kraftmesszelle und
der Lastübertrager
mittels eines passiven elektrischen Filters gekoppelt, das die Übertragung
von Gleichströmen
und elektrischen Signalen tiefer Frequenz erlaubt und die Übertragung
von störenden
Signalen hoher Frequenz zwischen Lastübertrager und Kraftmesszelle
verhindert.
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Das Filter weist in einer einfachen
Ausgestaltung vorzugsweise einen zumindest teilweise durch zwischen
dem Lastübertrger
und der Kraftmesszelle eingefügten
Isolationselemente gebildeten hochohmigen widerstand auf, parallel
zu dem eine Induktivität
geschaltet ist.
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Das Filter verhindert somit wirksam
den Aufbau von Ladungsdifferenzen sowie die Übertragung störender elektromagnetischer
Signale zu Elementen der Kraftmesszelle.
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In einer vorzugsweisen Ausgestaltung
der Erfindung ist ein mit dem Lastübertrager verbindbarer Adapter
vorgesehen, der elektrisch mittels des Filters und mechanisch mittels
Montageschrauben mit der Kraftmesszelle verbunden ist. Dies erlaubt
die einfache Montage des Filters und den modularen Einsatz der Kraftmessvorrichtung
oder der Kraftmesszelle. Für
den jeweiligen Verwendungszweck der Kraftmessvorrichtung vorgesehene,
gegebenenfalls verschiedenartig ausgestaltete Lastübertrager können dabei
in einfachster weise stabil mit dem Adapter verbunden werden.
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Das Filter selbst kann kompakt aufgebaut sein.
Es verbindet aber vorzugsweise mittels der Induktivität zwei durch
eine hochohmige Isolationsschicht voneinander getrennte Metallschichten,
von denen die erste mit dem Lasteinleitungsteil und die zweite mit
dem Adapter verbunden wird.
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Beispielsweise liegt der Adapter
mit dessen Rückseite,
getrennt durch wenigstens ein Isolationselement, am Lasteinleitungsteil
und mit dessen Frontseite unmittelbar oder über Distanzhülsen an der
zweiten Metallschicht des Filters an, dessen erste Metallschicht
mittels wenigstens einer der Montage des Filters und des Adapters
dienenden Montageschraube mit dem Lasteinleitungsteil verbunden
ist.
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Diese Massnahmen erlauben eine präzise Verbindung
des Adapters mit dem Lasteinleitungsteil und, ohne zusätzlichen
Aufwand, die Montage des Filters.
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Die Elemente des Filters, die Induktivität, die Beschaffenheit
der Isolationselemente und die gegebenenfalls mittels eines Kondensators
bewirkte Kapazität,
sind vorzugsweise derart abgestimmt, dass dieses ein passives Tiefpassfilter
oder eine Bandsperre erster oder höherer Ordnung bildet, über das der
Ausgleich statischer Ladungen erfolgt.
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Die erfindungsgemässe Lösung kann bei verschiedenartigen
Kraftmesszellen, beispielsweise bei Vorrichtungen mit einem Verformungskörper oder bei
Vorrichtungen mit elektromagnetischer Kraftkompensation, und zudem
weitgehend unabhängig
von der Ausgestaltung und Ausrichtung des Krafteinleitungsteils
eingesetzt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
von Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 das
Kernstück
einer bekannten ersten einen Verformungskörper 11 aufweisenden
Kraftmesszelle 1 mit nach oben ausgerichtetem Montagesegment 14 des
Lasteinleitungsteils 13,
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2 das
Kernstück
einer bekannten zweiten einen Verformungskörper 11 aufweisende
Kraftmesszelle 1 mit nach vorn ausgerichtetem Montagesegement 14 des
Lasteinleitungsteils 13,
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3 eine
schematische Darstellung einer mit der Kraftmesszelle 1 von 2 versehenen Kraftmessvorrichtung 100,
die erfindungsgemäss
mit einem Filter 5 versehen ist,
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4 die
schematische Darstellung der Kraftmesszelle 1 von 3 mit einem der Montage des
Filters 5 dienenden Adapter 3,
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5 die
Kraftmessvorrichtung 100 von 4 in
einer vorzugsweisen Ausgestaltung,
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6 Elemente
der Kraftmessvorrichtung 100 von 5 in Detaildarstellung und
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7 den
Aufbau des in der Vorrichtung von 5 verwendeten
Filterbauteils 5'.
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1 zeigt
das Kernstück
einer Kraftmesszelle
1 mit einem Kraftübertrager
10, der
in [3],
EP 0 670 479
A1 , als „counterforce"
oder „force
receiver" bezeichnet ist. Der Kraftübertrager
10 weist
einen als Messparallelogramm
11' ausgestalteten Verformungskörper
11 auf,
der ein mittels Schrauben
93 ortsfest mit einer Montagevorrichtung
verbindbares Teil
12 des Kraftübertragers
10 mit
dessen der Krafteinleitung bzw. der Lastaufnahme dienendem Lasteinleitungsteil
13 verbindet.
zur Entkopplung des Verformungskörpers
11 sind
daran anschliessend Einschnitte
15 im Kraftübertrager
10 vorgesehen.
An den Stellen, die virtuell die Ecken des Messparallelogramms
11' bilden,
weist der Verformungskörper
11 mit
Dehnmessstreifen
16TF ,
16TB ,
16BF ,
16BB versehene Dünnstellen auf, durch die senkrecht
zum Messparallelogramm stehende Biegeachsen
aTF ,
aTB ,
aBF ,
aBB verlaufen. An der Oberseite des Verformungskörpers
11 ist
ferner ein für
die Temperaturkompensation benötigter
Temperaturfühler
17 angeordnet.
Der mit den Messfühlern
16TF ,
16TB ,
16BF ,
16BB ,
17 versehene Kraftübertrager
10 bildet
das Kernstück
einer Kraftmesszelle, weshalb diese Anordnung nachstehend kurz als
Kraftmesszelle bezeichnet wird.
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Das mittels der vorzugsweise in einer
Brückenschaltung
integrierten Dehnmessstreifen gebildete analoge Messsignal wird
normalerweise in einer Messschaltung 8 (5) digitalisiert und anschliessend weiter
verarbeitet. Der Aufbau einer Brückenschaltung
mit Dehnmessstreifen ist beispielsweise in [4], u. Tietze, Ch. Schenk,
Halbleiterschaltungstechnik, 11. Auflage, 1. Nachdruck, Springer
Verlag, Berlin 1999, Seiten 1242-1243 beschrieben.
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Das Lasteinleitungsteil 13 der
in 1 gezeigten Kraftmesszelle 1 weist
ein nach oben gerichtetes, mit Gewindebohrungen 19 versehenes
Montagesegment 14 auf, das mittels Schrauben 92 mit
einem Lastübertrager,
beispielsweise einem Waagschalenträger verbindbar ist.
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2 zeigt
eine Kraftmesszelle 1 mit einem weiteren Kraftübertrager 10,
der ein Lasteinleitungsteil 13 mit einem nach vorn, d.h.
parallel zur Längsachse
des Kraftübertragers 10 ausgerichteten
Montagesegment 14 aufweist.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer mit der Kraftmesszelle 1 von 2 versehenen Kraftmessvorrichtung
100, die erfindungsgemäss
ein Filter 5 aufweist, welches die Übertragung hochfrequenter elektromagnetischer
wellen vom Lastübertrager 91 auf
den Kraftübertrager 10 sowie
den Aufbau von Ladungsdifferenzen zwischen dem mittels des Erdanschlusses 99 an
Erdpotential angeschlossenen Kraftübertrager 10 und dem
Lastübertrager 91 verhindert.
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Der beispielsweise zum Tragen einer
Waagschale dienende Lastübertrager 91,
der durch eine Öffnung 95 eines
Gehäuses 9 hindurch
geführt
ist, wird mit dem Montagesegment 14 des Lasteinleitungsteils 13 mittels
Isolationselementen 41, 42, 44 und Schrauben 92 derart
verbunden, dass das Lasteinleitungsteil 13 und die Schrauben 92 mit
dem Lastübertrager 91 nicht
direkt in Kontakt treten, weshalb der resultierende Übergangswiderstand 4 durch die
Beschaffenheit der Isolationselemente 41, 42, 44 bestimmt
wird. Parallel zum Übergangswiderstand 4 ist
eine Induktivität 7 bzw.
eine Spule geschaltet, welche den Ausgleich statischer Ladungen
bewirkt sowie als Sperre für
hochfrequente elektromagnetische wellen dient. Durch metallene Vorrichtungsteile
wird ferner eine parallel zur Induktivität 7 geschaltete Kapazität 6 gebildet.
Durch die beschriebenen Elemente des Filters 5 wird daher
ein Tiefpassfilter bzw. eine Bandsperre gebildet, die durch die
Wahl der Induktivität 7 und
gegebenenfalls zusätzlich
zugeschalteter Widerstände
und Kapazitäten
bezüglich
des Durchlassbereichs und der Durchgangsdämpfung derart einstellbar ist,
dass störende äussere Einflüsse unterdrückt werden.
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In 3 ist
ferner gezeigt, dass ein mit Anschlussringen 67 versehenes
Filterbauteil 5 beispielsweise mittels der Schrauben 92 in
einfacher weise einerseits mit dem Lasteinleitungsteil 91 und andererseits
mit dem Kraftübertrager 10 verbindbar ist.
Nachteilig dabei ist natürlich,
dass dieses Filterbauteil 5 jeweils zusammen mit dem Lastübertrager 91 montiert
werden muss, wodurch ein erhöhter
Aufwand bei der Produktion und bei der Wartung von mit der Kraftmessvorrichtung 100 versehenen
Waagen entsteht.
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Die in 4 schematisch
gezeigte Kraftmesszelle 1 ist erfindungsgemäss daher
mit einem Adapter 3 versehen, mittels dessen das Filter 5 stabil montierbar
ist. Der zum Tragen der Waagschale dienende Lastübertrager 91 kann
dadurch unabhängig vom
Filter 5 mittels einer schraube 92 in einfachster weise
mit dem Adapter 3 bzw. der modular aufgebauten Kraftmessvorrichtung 100 verbunden
werden.
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5 zeigt
die Kraftmessvorrichtung 100 von 4 in einer vorzugsweisen Ausgestaltung,
jedoch ohne Gehäuse
und Lastübertrger.
Die Kraftmesszelle 1 ist in eine Montagevorrichtung 2 eingebaut,
an der seitlich eine Messschaltung 8 montiert wird, welche
der Verarbeitung der von den Dehnmessstreifen 16 und dem
Temperaturfühler 17 abgegebenen
Signale dient.
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Der Adapter 3 wird, getrennt
durch Isolationsplatten 41, 42, mittels oberer
und unterer Montageschrauben 61; 62 mit dem Montagesegment 14 des
Lasteinleitungsteils 13 verbunden. Die oberen Montageschrauben 61 sind
durch Isolationsringe 44, die in Öffnungen 31 des Adapters 3 eingeführt werden,
elektrisch von diesem isoliert. Die unteren Schrauben 62 werden
durch metallene Unterlagsscheiben 63, durch das Filter 5,
das heisst durch ein mit den Filterelementen versehenes Filterbauteil 5' sowie
durch in Öffnungen 32 des
Adapters 3 einzuführende
metallene Distanzhülsen 66 hindurch
geführt
und in das Montagesegment 14 eingeschraubt. Wesentlich
ist dabei, dass weder die oberen, noch die unteren Montageschrauben 61; 62 mit
dem Adapter 3 unmittelbar in Kontakt stehen.
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Die Verbindung der unteren Montageschrauben 61 und
somit des Kraftübertragers 10 mit
dem Adapter 3 erfolgt, wie in 6 im Detail gezeigt, mittelbar über das
Filterbauteil 5', das zwei durch eine hochohmige Isolationsschicht 43 voneinander
getrennte und mittels der Induktivität 7 miteinander verbundene
Metallschichten 64, 65 aufweist (siehe 7), von denen die erste
Metallschicht 64 über
die Montageschrauben 61 mit dem Lasteinleitungsteil 13 und
die zweite Metallschicht 65 über die metallenen Hülsen 66 mit
dem Adapter 3 verbunden ist.
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Das entsprechend den zu unterdrückenden Störsignalen
ausgestaltete Filterbauteil 5' kann daher in einfacher
weise montiert werden, wonach ein modularer Aufbau der Kraftmesszelle 1 resultiert.
Beliebige Lastübertrager 91 können daher
auf Flanschsegmente 33 des Adapters 3 aufgesetzt
und mittels einer Schraube 92 fixiert werden, die in eine
im Adapter 3 vorgesehene Gewindebohrung 34 eingeschraubt
wird.
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Die erfindungsgemässe Kraftmessvorrichtung 2 wurde
in einer bevorzugten Ausgestaltung beschrieben und dargestellt.
Anhand der erfindungsgemässen
Lehre sind jedoch weitere fachmännische Ausgestaltungen
realisierbar. Insbesondere sind verschiedene Ausgestaltungen des
Filters 5 bzw. des Filterbauteils 5' sowie des
Adapters 3 möglich.
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Ferner kann das Filter 5 gegebenenfalls
in Verbindung mit dem Adapter 3 bei verschiedenartigen
Kraftmesszellen eingesetzt werden, die mit Lastübertragern zu verbinden und
vor störenden
Einwirkungen zu schützen
sind.
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Die Erfindung ist daher nicht nur
bei Kraftmesszellen mit einem Verformungskörper sondern auch bei Kraftmesszellen
vorteilhaft anwendbar, die eine Vorrichtung zur elektromagnetischen
Kraftkompensation aufweisen.
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Waagen mit elektromagnetischer Kraftkompensation,
welche Regeleinrichtungen mit einer Differenzmessschaltung aufweisen,
sind beispielsweise aus [5], U.S. Patentdokument Nr. 4,489,800 bekannt.
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Weiterhin kann selbstverständlich auch
das Gehäuse 9 der
Kraftmessvorrichtung 100 bzw. der mit der Kraftmessvorrichtung
100 versehenen Waage 1 eine beliebige Form aufweisen und
aus beliebigen Materialien gefertigt sein.
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Bezugszeichenliste
- 1
- Kraftmesszelle
- 10
- Kraftübertrager
- 11
- Verformungskörper
- 11'
- durch
den Verformungskörper
gebildetes
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- Messparallelogramm
- 12
- gehäusefest
montiertes Teil des Kraftübertragers 10
- 13
- Lasteinleitungsteil
des Kraftübertragers 10
- 14
- Montagesegment
des Lasteinleitungsteils 13
- 15
- Einschnitte
- 16
- Sensoren
/ Dehnmessstreifen
- 17
- Temperaturfühler
- 19
- Gewindebohrungen
im Lasteinleitungsteil 13
- 2
- Montagevorrichtung
- 3
- Adapter
- 31,32
- Durchgangsöffnungen
im Adapter 3
- 33
- Montageflanschen
am Adapter 3
- 34
- Gewindebohrung
im Adapter 3
- 4
- Widerstand
- 41–44
- Isolationselemente
- 41,42
- Isolationsplatten
- 43
- Isolationsschicht
des Filterbauteils 5
- 44
- Isolationsringe
- 5
- Filterbauteil
- 51
- Durchgangsöffnungen
in Filterbauteil
- 6
- Kondensator
- 61,62
- Montageschrauben
- 63
- Unterlagsscheiben
- 64,65
- die
Isolationsschicht einschliessende Metallschichten
- 66
- Distanzhülsen
- 7
- Induktivität
- 8
- Messschaltung
- 9
- Gehäuse
- 91
- Lastübertrager
- 92
- Verbindungsschraube
- 94
- Durchgangsöffnung im
Lastübertrager
- 95
- Gehäuseöffnung
- 99
- Erdanschluss
- 100
- Kraftmessvorrichtung
-
Literaturverzeichnis
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- [1] Europäische
Patentanmeldung EP
0 144 232 A2
- [2] Deutsche offenlegungsschrift DE 34 11 550 A1
- [3] Europäische
Patentanmeldung EP
0 670 479 A1
- [4] U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 11.
Auflage, 1. Nachdruck, Springer Verlag, Berlin 1999
- [5] USA Patentschrift US
4,489,800