DE2237661A1

DE2237661A1 - METHOD AND DEVICE FOR MEASURING FORCE

Info

Publication number: DE2237661A1
Application number: DE2237661A
Authority: DE
Inventors: William Archibald Jamiso Small
Original assignee: W&T Avery Ltd
Current assignee: Avery Weigh Tronix Ltd
Priority date: 1971-07-31
Filing date: 1972-07-31
Publication date: 1973-02-22
Also published as: FR2149132A5; GB1377738A; AU4497172A; ZA725092B

Description

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¥. & T. AVERY LIMITED
Soho Foundry, Smethwick, Warley, Worchester/England¥. & T. AVERY LIMITED
Soho Foundry, Smethwick, Warley, Worchester / England

Verfahren und Vorrichtung zur KraftmessungMethod and device for force measurement

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kraftmessung durch Messung der Spannung in einem Balken infolge der Durchbiegung in Abhängigkeit von dem Angriff der zu messenden Kraft,The invention relates to a method and a device for measuring force by measuring the tension in a beam as a result the deflection depending on the application of the force to be measured,

Bei einem bekannten Verfahren greift die zu messende Kraft an oder nahe dem freien Ende eines freitragenden Balkens an und Spannungsmessungen werden an Stellen zwischen dem festen Ende und der Angriffsstelle der Kraft durchgeführt und zur Auswertung der Grosse der angewandten Kraft verwendet.In a known method, the force to be measured acts or near the free end of a cantilevered beam and stress measurements are made at locations between the fixed end and the point of application of the force and for evaluation the amount of force applied is used.

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Dieses Verfahren beruht auf der Theorie der Messung von Momenten an voneinander entfernten Stellen längs eines belasteten freitragenden Balkens, nach der die Differenz zwischen den gemessenen Momenten an diesen Stellen direkt der angewandten Kraft proportional ist·This method is based on the theory of measurement of Moments at distant points along a loaded cantilevered beam, according to which the difference between the measured moments at these points is directly proportional to the force applied

Die Anwendbarkeit dieses Verfahrens auf die Kraftmessung ist infolge einer Reihe von Faktoren wie unter anderem der Empfindlichkeit begrenzt·The applicability of this method to force measurement is limited due to a number of factors including sensitivity

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kraftmessung unter Anwendung von Spannungsmessungen an einem Biegebalken zu schaffen.The invention is based on the object of a method and a device for force measurement using To create stress measurements on a bending beam.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass ein Balken an zwei im Abstand befindlichen Stellen derart gelagert wird, dass der Balken an einer dieser Stellen im wesentlichen fest ist, um Drehmomenten an dieser Stelle zu widerstehen und an der anderen Stelle im wesentlichen frei von Biegemomenten ist, dass die zu messende Kraft an einer Stelle zwischen den beiden Lagerstellen angewandt wird, um einen Wendepunkt des Biegemoments zwischen der einen Stelle und der Mittleren Stelle zu schaffen, dass die Spannung in einem Balken an Stellen gemessen wird, die an jeder Seite des Wendepunktes und zwischen der einen Stelle und der Zwischenstelle liegen, und dass die Absolutwerte der Spannungsmessungen addiert werden, um die Grosse der angewandten Kraft zu bestimmen·This task is solved by connecting one beam to two at the spaced locations is stored in such a way that the beam is essentially fixed at one of these locations is to withstand torques at this point and essentially free of bending moments at the other point is that the force to be measured is applied at a point between the two bearing points to avoid a Point of inflection of the bending moment between the one point and the middle point to create that the tension in a bar is measured at points on either side of the turning point and between the one point and the Intermediate point, and that the absolute values of the voltage measurements are added to the size of the applied To determine force

Vorzugsweise wird die Spannung in dem Balken an Stellen gemessen, an denen die Biegemomente einander gleich und entgegengesetzt sind·Preferably, the stress in the beam is measured at points where the bending moments are equal to each other and are opposite

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Das Verfahren geraäss der Erfindung hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem bekannten Verfahren, unter anderem die erhöhte Empfindlichkeit, da die Spannungsmessungen entgegengesetztes Vorzeichen haben und, wenn sie zur Bestimmung der angewandten Kraft verwendet werden, ihre Grosseh addiert statt wie bei dem bekannten Verfahren subtrahiert werden« Der Balken kann wegen der erhöhten Empfindlichkeit und des Vorhandenseins eines zusätzlichen Lagers im Vergleich zu einem freitragenden Balken von höherer Steifigkeit sein. Die Tendenz des Kraftangriffpunktes, sich zu verschieben, wenn die Kraft zunimmt, wird vermindert und der Bereich der zu messenden Kräfte kann durch Änderung der Lage des zusätzlichen Lagers und damit der Arbeitslänge des Balkens geändert werden. The method according to the invention has a number of advantages compared to the known method, among other things, the increased sensitivity, since the voltage measurements are opposite And, if they are used to determine the force applied, their magnitude added instead of subtracted as in the known method «The bar can because of the increased sensitivity and the presence of an additional bearing compared to a cantilever beam of greater rigidity be. The tendency of the force application point to shift as the force increases is decreased and the range of forces to be measured can be changed by changing the position of the additional bearing and thus the working length of the beam can be changed.

Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die sich auszeichnet durch einen Balken, der an einer ersten Stelle in einem im wesentlichen eingespannten Zustand und an einer zweiten Stelle durch ein einfaches Lager gelagert ist, eine Einrichtung zur Übertragung einer an einer vorbestimmten Stelle zwischen der ersten und zweiten Stelle angreifenden Kraft, und zwei Spannungsmesser, die an jeder Seite der Stelle des Balkens angeordnet sind, an der eine Umkehr des Biegemoments in Abhängigkeit von dem Angriff der Kraft an der vorbestimmten Stelle auftritt, wobei die Spannungsmesser zwischen der ersten Stelle und der vorbestimmten Stelle liegen.To carry out the method according to the invention proposed a device which is characterized by a bar which is at a first point in an im essential clamped state and is stored at a second point by a simple bearing, a device for transmitting an attacking at a predetermined point between the first and second point Force, and two tension meters placed on either side of the point of the beam at which a reversal of the bending moment as a function of the application of the force occurs at the predetermined point, the Voltmeter lie between the first point and the predetermined point.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:The invention is explained below with reference to Figures 1 to, for example. It shows:

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Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäss der Erfindung,Fig. 1 is a schematic representation of the device according to the invention,

Fig. 2 ein Biegemomentdiagramm für den Balken der Fig. 1, undFig. 2 is a bending moment diagram for the beam of Fig. 1, and

Fig. 3 eine praktische Ausführungsform der Erfindung in Form einer Wägevorrichtung mit einem Biegebalken, an dem zwei Spannungsmesser befestigt sind und der gemäss der Erfindung belastet und gelagert ist·Fig. 3 shows a practical embodiment of the invention in Form of a weighing device with a bending beam to which two tension meters are attached and the is loaded and stored according to the invention

Fig. 1 zeigt einen Balken 10, der an einem Ende in einem Einspannlager 11 fest gehalten wird, um allen Drehmomenten zu widerstehen, die von dem Balken auf es übertragen werden. Der Balken ist an einer Stelle an oder nahe seinem anderen Ende von einem Lager 12 fest unterstützt, das einer Drehung des Balkens um diese Stelle nicht entgegenwirkt, so dass an dieser Stelle kein Biegemoment in dem Balken auftritt. Dieses Lager, das als "einfaches" Lager bekannt ist, kann die Form einer Messerschneide oder vorzugsweise eines vertikal angeordneten Biegestreifens haben, der an einem Ende an dem freien Ende des Balkens angeordnet ist und an seinem anderen Ende von einem an einem Rahmen der Vorrichtung (nicht gezeigt) fest angeordneten Teil nach unten gerichtet ist. Die letztere Alternative fällt nicht unter die strenge Definition eines einfachen Lagers, ist aber dennoch in ihrer Funktion, wie sie hier angewandt wird, wirksam und der Ausdruck "einfaches" Lager, wie er hier im Zusammenhang mit einem Lager verwendet wird, soll solche Alternativen umfassen.Fig. 1 shows a beam 10, which is held firmly at one end in a clamping bearing 11 to all torques to withstand that are transferred from the beam to it. The bar is at or near his the other end is firmly supported by a bearing 12 which does not prevent the beam from rotating about this point, so that there is no bending moment in the beam at this point. This camp, called the "simple" camp is known, can have the shape of a knife edge or preferably a vertically arranged bending strip, which is arranged at one end on the free end of the beam and at its other end by one on a frame of the device (not shown) fixed part is directed downwards. The latter alternative does not apply under the strict definition of a simple camp, but is nonetheless in its function as applied here becomes effective and the term "simple" camp, like him used here in connection with a bearing is intended to include such alternatives.

Die Last wirkt auf den Balken an einer im wesentlichen konstanten Stelle, so dass der Balken eine nach oben konvexeThe load acts on the beam at a substantially constant location so that the beam is upwardly convex

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Form im Bereich des Einspannlagers 11 und eine nach oben konkave Form über den restlichen Teil des Balkens annimmt, wobei der unterste Bereich des konkaven Teils an der Angriffsstelle der Last liegt.Shape in the area of the clamping bearing 11 and one to the top takes on a concave shape over the remainder of the beam, with the bottom of the concave portion at the point of attack of the load lies.

Fig. 2 zeigt das Biegemomentdiagramm, das sich ergibt, wenn die Last zwischen den Lagern 11 und 12 angreift, und es ist festzustellen, dass ein Punkt längs des Balkens auftritt, der zwischen dem Lager 11 und der Angriffsstelle der Last liegt, an dem das resultierende Biegemoment Null ist und dieser Punkt ist ein Wendepunkt. Da das Biegemoment an jedem Teil des Balkens als die resultierende Wirkung der beiden getrennten Momente angesehen werden kann, die in entgegengesetzten Richtungen wirken und sich aufgrund der.Last und der Gegenwirkung an dem jeweiligen einfachen Lager ergeben, von denen jedes als eine konzentrierte Last an dem äquivalenten freitragenden Balken wirkt und an einem Punkt in dem Balken ein Biegemoment hervorruft ., dessen Grosse linear von Null an der Angriffsstelle bis zum Maximum an dem eingespannten Lager steigt, sind die Biegemomente an jeder Seite des Wendepunktes gleich und einander entgegengesetzt.Fig. 2 shows the bending moment diagram that results when the load acts between the bearings 11 and 12, and it should be noted that a point occurs along the beam between the bearing 11 and the point of attack the load at which the resulting bending moment is zero and this point is a point of inflection. Because the bending moment on each part of the beam can be viewed as the resultant effect of the two separate moments can, which act in opposite directions and due to the load and the counteraction on the respective simple bearings, each as a concentrated load on the equivalent cantilevered beam acts and causes a bending moment at a point in the beam, the magnitude of which increases linearly from zero at the point of application to the maximum at the clamped bearing, the bending moments on each side of the turning point are the same and opposite to each other.

Der Wendepunkt kann durch übliche geometrische Analyse des Systems berechnet werden, d.h. aufgrund des Lastangriffspunktes, dem einfachen Lager und der Einspannstelle· Normalerweise wird die Dehnung des Balkens vernachlässigt, da sie im allgemeinen klein im Vergleich zu der Verformung infolge der Biegung ist und daher wird die Annahme getroffen, dass die berechnete Stelle des Biegepunktes sich in der horizontalen Ebene während der Biegung des Balkens nicht verschiebt.The turning point can be calculated using the usual geometrical analysis of the system, i.e. based on the load application point, the simple bearing and the clamping point normally the elongation of the beam is neglected, since they are generally small compared to the deformation as a result of the bending and therefore the assumption is made that the calculated location of the bending point does not shift in the horizontal plane during the bending of the beam.

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Um die Grosse der auf den Balken einwirkenden Kraft zu
bestimmen, werden zwei Spannungsmesser an einer horizontalen Fläche des Balkens angeordnet, einer an jeder
Seite des Wendepunktes, so dass die AusgangsSignaIe der
Spannungsmesser entgegengesetztes Vorzeichen haben. Da
das Ausgangssignal der beiden Spannungsmesser proportional der algebraischen Differenz der Impedanzänderung der beiden Spannungsmesser ist, ist das Ausgangssignal proportional der Summe der Grossen der beiden Änderungen
der Impedanz und ergibt im Vergleich zu den bekannten
Systemen mit freitragendem Balken ein wesentlich höheres Ausgangssignal. Es wurde festgestellt, dass beste Ergebnisse erzielt werden, wenn die beiden Spannungsmesser
symmetrisch um den Wendepunkt angeordnet werden, so dass deren Ausgangssignale gleiche Grosse und entgegengesetztes Vorzeichen haben.To increase the magnitude of the force acting on the beam
two tension meters are placed on a horizontal surface of the beam, one on each
Side of the turning point, so that the output signals of the
Voltmeter have the opposite sign. There
the output signal of the two voltmeters is proportional to the algebraic difference in the impedance change of the two voltmeters, the output signal is proportional to the sum of the magnitudes of the two changes
the impedance and results in comparison to the known
Systems with a self-supporting beam have a significantly higher output signal. It has been found that best results are obtained when using the two voltmeters
be arranged symmetrically around the turning point, so that their output signals have the same size and opposite sign.

Weitere zwei Spannungsmesser können an der Fläche angeordnet werden, die der gegenüberliegt, an der die ersten
beiden angeordnet sind, um ein grösseres Ausgangssignal
zu erzeugen und die Spannungsmesser werden dann wegen der Genauigkeit in bekannter Weise in einem Brückenkreis angeordnet. Another two voltmeters can be placed on the face opposite that of the first
both are arranged to provide a larger output signal
to generate and the voltmeters are then arranged in a known manner in a bridge circuit because of the accuracy.

Die Anwendung der Erfindung auf eine Wägevorrichtung des Roberval-Typs ist in Fig. 3 gezeigt, in der ein Balken an einem Ende in einem Einspannlager 16 gelagert ist, das an der Grundplatte 17 der Vorrichtung befestigt ist. Das andere Ende des Balkens ist an dem unteren Ende eines
Biegestreifens 18 befestigt, dessen oberes Ende an dem
oberen Ende eines Ständers 19 befestigt ist, der von der Grundplatte 17 getragen wird« Ein Belastungsteil 20 wird über dem Balken 15 von einem Parallelbewegungssystem getragen, das aus oberen und unteren ParallelogranuntragarmenThe application of the invention to a Roberval-type weighing device is shown in Fig. 3 in which a beam is supported at one end in a clamping bearing 16 which is attached to the base plate 17 of the device. The other end of the beam is at the bottom of one
Bending strip 18 attached, the upper end of which
is attached to the upper end of a stand 19 which is carried by the base plate 17 «A loading part 20 is carried above the beam 15 by a parallel movement system, which consists of upper and lower parallelogranous support arms

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gleicher Länge besteht, die an dem Belastungsteil 20 und einer festen vertikalen Stütze 23 jeweils durch Metallbiegestreifen 22a angelenkt sind, um das Belastungsteil 20 zu zwingen, sich in einer vertikalen Ebene zu bewegen und so den Balken in einer Richtung senkrecht zu dem Balken an der Lastangriffsstelle zu belasten. Die Last 20 greift an dem Balken mittels eines Roilagers 21 an einer Stelle zwischen den Lagern 16 und 18 an·the same length exists on the loading part 20 and a fixed vertical support 23 each by bending metal strips 22a are hinged to force the loading member 20 to move in a vertical plane and so to load the beam in a direction perpendicular to the beam at the load application point. The burden of 20 engages the beam by means of a roller bearing 21 at a point between the bearings 16 and 18

Das Belastungsteil trägt eine Waagschale 24 und um eine unerwünschte Schwingbewegung des Belastungsteils 20 während des Angriffs einer Last zu verhindern, ist zwischen der Grundplatte 17 und einem von zwei sich seitlich erstreckenden Armen 26 des Belastungsteils ein Dämpfungselement vorgesehen·The loading part carries a weighing pan 24 and around a to prevent undesired oscillatory movement of the loading part 20 during the application of a load is between the base plate 17 and one of two laterally extending arms 26 of the loading part Damping element provided

Es ist zu erkennen, dass die beschriebene Vorrichtung der anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen schematischen Vorrichtung äquivalent ist, ,und dass, wenn eine Last auf der Waagschale 2k angeordnet wird, ein Wendepunkt zwischen dem Lager 16 und der Berührungsstelle des Rollagers 21 mit dem Balken 15 auftritt. Bei Verwendung der Vorrichtung der Fig. 3 werden Spannungsmesser (nicht gezeigt) an jeder Seite des berechneten Wendepunktes und zwischen dem Lager 16 und der Berührungsstelle des Rollagers 21 mit dem Balken 15 angeordnetοIt will be appreciated that the apparatus of the schematic device described with reference to Figures 1 and 2 described above is equivalent, and that when a load is placed on the weighing pan 2k, a turning point between the bearing 16 and the point of contact of the rolling center 21 with the Bar 15 occurs. When using the device of FIG. 3, tension meters (not shown) are arranged on each side of the calculated turning point and between the bearing 16 and the point of contact of the roller bearing 21 with the beam 15

Wenn ein Parallelogrammsystem verwendet wird, um die Last auf einen freitragenden Balken anzuwenden, verursachen grosse Lasten eine geringe Änderung der Angriffsstelle der Last und verursachen eine Nichtlinearität der Vorrichtung· Bei der Konstruktion gemäss der Erfindung wird diese Nichtlinearität dadurch vermindert, dass das Ende desWhen a parallelogram system is used to apply the load to a cantilevered beam, cause large loads cause a slight change in the point of application of the load and cause the device to be non-linear In the construction according to the invention, this non-linearity is reduced by the fact that the end of the

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Balkens, das von dem flexiblen Streifen 18 getragen wird, sich während der Biegung des Balkens in Richtung des Einspannlagers verschieben kann. Die erhöhte Empfindlichkeit des Verfahrens gemäss der Erfindung ermöglicht es, einen aus einem steiferen Material bestehenden Balken zu verwenden und eine weitere Festigkeit wird durch das Vorhandensein des zusätzlichen Lagers verliehen, das durch den Streifen 18 gebildet wird, und diese erhöhte Festigkeit des Balkens ermöglicht die Verwendung dünnerer Metallbiegestreifen 22a als Gelenke in dem Parallelogrammbewegungssystem anstelle üblicher Schwenkzapfen·Beam carried by the flexible strip 18, can move in the direction of the mounting bearing during the bending of the beam. The increased sensitivity of the method according to the invention makes it possible to use a beam made of a more rigid material, and further strength is given by the presence of the additional bearing made by the strip 18 is formed, and this increased strength of the beam enables thinner ones to be used Metal bending strips 22a as joints in the parallelogram movement system instead of conventional pivot pins

Erforderlichenfalls kann bei der Ausfuhrungsform der Fig. 3 eine ÜberlastungsVerhinderungsvorrichtung vorgesehen werden, um eine übermässige Verformung des Balkens zu verhindern, und diese kann aus einem Begrenzungeanschlag (nicht gezeigt) bestehen, der z.B. unter dem Balken an der Lastangriffestelle angeordnet ist.If necessary, the Fig. 3 an overload prevention device can be provided to prevent excessive deformation of the beam to prevent, and this can consist of a limit stop (not shown), e.g. under the Bar is arranged at the point of application of the load.

Obwohl die Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf eine Wägevorrichtung beschrieben wurde, können die besondere Anordnung des Balkens, des Einspannlagers und des einfachen Lagers, der Spannungsmesser und der Lastangriffestelle in einer Kraftmessdose oder einer anderen Kraftmessvorrichtung verwendet werden. Vorteile, die durch die Lagerung und Belastung des Balkens entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren erhalten werden, sind eine bessere dynamische Empfindlichkeit, die verbesserte Linearität, geringere Hysterese und geringere Beanspruchung an der Stirnseite des Einspannlagers. Zusätzlich ermöglicht die erhöhte Genauigkeit, die mit der vorliegenden Konstruktion erzielbar ist, die Verwendung für viele Arten von Kraftmessung, für die bisher Vorrichtungen mit freitragendem Balken infolge ihrer nicht ausreichenden Genauigkeit nicht geeignet waren.Although the invention has been described with particular reference to a weighing device, the particular Arrangement of the beam, the clamping bearing and the simple bearing, the tension meter and the load application point can be used in a load cell or other force measuring device. Benefits that the Storage and loading of the beam obtained in accordance with the method according to the invention are better dynamic sensitivity, improved linearity, lower hysteresis and lower stress on the Front side of the clamping bearing. Additionally, the increased accuracy enabled with the present design is achievable, the use for many types of force measurement, for the previous devices with cantilever Beams were unsuitable due to their insufficient accuracy.

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Claims

Expectations

1. A method for measuring force, characterized in that a beam is mounted at two spaced-apart locations in such a way that the beam at one of these locations is substantially solid to withstand torques at this point and substantially at the other point It is free of bending moments that the force to be measured is applied at a point between the two bearing points is to create a turning point of the bending moment between the one point and the middle point, that the tension in a bar is measured at points on either side of the turning point and between the one Place and the intermediate point, and that the absolute values of the voltage measurements are added to the size the force applied.

2. The method according to claim 1, characterized in that the voltage in the bar is measured at points where the bending moments are equal and opposite to each other.

3. Device for measuring force, characterized by a Beam, which at a first point in a substantially restrained state and at a second point is supported by a simple bearing, a device for transmitting a at a predetermined point between the first and second force acting, and two tension meters on each side of the Place of the bar are arranged at which a reversal

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of the bending moment as a function of the application of the force occurs at the predetermined point, the Voltmeter lie between the first point and the predetermined point.

k » Device according to claim 3» characterized by a device for adding the absolute values of the output signals of the voltmeter ·

5. Device according to claim 3 or k, characterized in that the simple bearing consists of a blade bearing.

6. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the simple bearing has a bending element, that is attached to the beam, that is perpendicular to the beam and in the direction of deformation of the beam is substantially rigid and flexible in the longitudinal direction of the beam.

7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that that the transmission device has a loading part that is controlled by a parallel movement system is controlled to move perpendicular to the beam.

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