DE2537403A1

DE2537403A1 - Abstimmbares kraftmesselement

Info

Publication number: DE2537403A1
Application number: DE19752537403
Authority: DE
Inventors: Peter Wolfer
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1974-09-17
Filing date: 1975-08-22
Publication date: 1976-04-08
Also published as: AT342338B; FR2285603A1; CH569961A5; DE2537403C3; DE2537403B2; DK407375A; GB1496919A; FR2285603B1; ATA659275A

Description

Anmelderin;

Kistler Instrumente AG Eulachstraße 22 CH-8408 Winterthur

Stuttgart, den 20.8.1975 P 3<W Rp

Abstimmbares Kraftmesselement

Kraftmesselemente werden heute sowohl als festeingebaute Maschinenelemente wie auch in Kraftübertragungssystemen als bewegliche Messelemente verwendet. In allen Fällen ist in denselben ein Wandlerelement eingebaut, das als aktives oder passives Element ein elektrisches Signal proportional der vom Kraftmesselement übermittelten Kraft, sowohl Zug oder Druck, abgibt.

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Handelsübliche Kraftmesselemente sind oft auf dem piezoelektrischen Prinzip aufgebaut, wobei die zu messenden Kräfte über Kristallplatten geleitet werden. Mit dieser Methode ergibt sich der Vorteil starrer Konstruktionen die relativ massive Kraftnebenschiüsse erlauben und einen sehr grossen Messbereich haben. Es sind aber auch handelsübliche Kraftmesselemente auf DMS Basis oder Halbleiferkristallen bekannt die sich teilweise für sehr hochempfindliche Messungen mit kleinen Kräften eignen. Es sind aber auch andere elektromech. Wandlersysteme auf dem Markt. Die Erfindung ist an kein bestimmtes Wandlersystem gebunden, ist aber in Verbindung mit piezoelektrischem besonders vorteilhaft. Der Lieferant liefert diese Kraftmesselemente mit Kalibrierdaten, wobei die Empfindlichkeit einen für jede Zelle separat ermittelten Wert annimmt.,Bei einer gelieferten Serie von Kraftmesselementen variert somit die Empfindlichkeit der einzelnen Elemente in einem bestimmten Streuband z.B. innerhalb ±5%. Der zu jedem Messelement gehörende Messverstärker muss daher individuell auf sein angeschlossenes Element einjustiert werden. Sofem nun in einer grösseren Messanlage einzelne Kraftmesselemente infolge von Defekten ersetzt werden müssen, so können bei Unvorsichtigkeit Messfehler yon 10% entstehen gegenüber von Messwerten früheren Datums mit den Original Kraftmesselementen, natürlich nur weil vergessen wurde, den entsprechenden Messverstärker ebenfalls wieder neu einzujustieren. Die Kraftmesselemente werden oft in mechanischer Parallelschaltung zum Aufbau einer Kraftmessplattform verwendet. Hierbei ist es notwendig, dass die Empfindlichkeit der einzelnen Kraftmesselemente innerhalb enger Toleranz gleich sein muss, damit die Messplatte auf jeder Stelle der Deckplatte gleich empfindlich ist.

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Der Gedanke der Erfindung zielt nun darauf ab, die Auswechselbarkeit und die Gleichmässigkeit der Kraftmesselemente jederzeit zu gewährleisten, ohne dass einzelne Messverstärker wieder neu justiert werden müssen, wodurch sich eine wesentlich verbesserte Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Messanlage erreichen lässt. Die Erfindung zeigt Wege auf die gestatten, die einzelnen Kraftmesselemente in der Schlussmontage auf einen vorgegebenen Einheits-Empfindlichkeitswert abzustimmen, der eine genormte Dezimalzahl sein kann. Die Einstellgenauigkeit der einzelnen Kraftmesselemente auf den vorgegebenen Standard-Wert kann ohne weiteres auf die Präzision von ±0,5% gebracht werden. Damit ergibt sich eine Verbesserung gegenüber handelsüblichen Geräten von Faktor 10 und mehr. Die Auswechselbarkeit von Kraftmesselementen wie auch Messverstärkern ist damit gewährleistet und im Unterhalt der Anlage wie auch in der Betriebssicherheit ist ein wesentlicher Fortschritt erzielt worden.

Der Gedanke der Erfindung wird anhand der folgenden 5 Figuren beschrieben:

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Kraftmesselement mit

zentraler rohrförmiger abstimmbarer Kraftparallelschaltung. ^%

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Kraftmesselement mit aussenliegender rohrförmiger abstimmbarer Kraftparallelschaltung.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes.Kraftmesselement mit feilerfederförmiger abstimmbarer Kraftparallelschaltung.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Variante eines erfindungsgemässen Kraft und Druckmesselementes mit abstimmbarer Kraftparallelschaltung in der Membran und Stutzringpartie.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Kraftmesselement mit zur Abstimmung abnehmbarer Aussenhülse.

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Nach der Erfindung wird die zu messende Kraft im Kraftmesselement in mindest. 2 Kraftflüsse unterteilt, wovon der Hauptfluss über das kraftempfindliche elektromechanische Wandlerelement, ein wichtiger Nebenfluss über ein am fertig montierten Kraftmesselement abstimmbar angeordnetes Parallelkraftelement geleitet wird. Dieses Element wird so ausgebildet, dass es durch einfache schrittweise Bearbeitung anlässlich der Abnahmeprüfung in seiner Elastizität verändert werden kann, sodass die Empfindlichkeit des Kraftmesselements auf den geforderten Endwert justiert werden kann ohne dass durch diesen Vorgang andere wichtige Parameter des Kraftmesselementes beeinflusst werden. Dieses Parallelkraftelement kann zusätzlich zu üblichen Vorspann- und Abdeckelementen vorgesehen werden. Es kann aber auch vorgesehen werden Vorspann und Abdeckelemente gleichzeitig als abstimmbares Parallelkraftelement auszubilden. In der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung weiter erklärt werden.

Das Kraftmesselement nach Fig. 1 besteht aus der Deckplatte !,der Grundplatte 2, dem elektromechanischen Wandlerelement 3, dem abstimmbaren Parallelkraftelement 4, dem äusseren Schutzmantel 5 und dem Steckeranschluss 6. Von dem auf die Deckplatte 1 eingeleiteten Kraftfluss P wird der Hauptteil 7 über das elektromechanische Wandlerelement 3, der abstimmbare Nebenfluss 8 über das Parallelkraftelement 4 und ein kleiner Nebenfluss 9 über den Schutzmantel 5 geleitet. Dieser Schutzmantel 5 kann auch als Vorspannelement ausgebildet sein. Auf demselben ist auch der Stecker 6 montiert, der den elektrischen Anschluss des Kraftwandlerelementes 3 gewährleistet. Durch schrittweises Ausbohren der Durchgangsbohrung mit Durchmeser D] auf Durchmesser D2 auf Tiefe t wird die Grobjustierung des fertig montierten Parallelkraftelementes auf dem Prüfstand eingeleitet. Die Fein justierung kann durch geringe Aenderung der Bohrtiefe Λt durchgeführt werden. Es ist aber dem Fachmann überlassen eine

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konstante Bohrtiefe t einzuhalten und mit dem Bohrungsdurchmesser D die Feinjustierung auf den geforderten Empfindlichkeitswert durchzuführen. Durch diese Anpassung des Parallelkraftelementes 4 wird die Verteilung des Haupt- zu Neben kraftfluss verändert wodurch sich eine Empfindlichkeitsänderung ergibt/ da ein grösserer Teil der zu messenden Kraft P über das elektromechanische Kraftwandlerelement 3 geleitet wird, wodurch dessen Empfindlichkeit grosser wird.

Ein weiteres erfindungsgemässes Kraftmesselement ist in Fig. 2 gezeigt. Die Deckplatte 21 dient als Kraftein leitung für die Flächenkraft P. Die Grundplatte 22 ist mit dem gleichzeitig als Schutzmantel ausgebildeten Parallelkraftelement 24 fest verbunden. Ein weiterer Nebenschlussring 25 dichtet das Wandlerelement 23 gegen den Innenraum ab. Der Anschlussstecker 26 ist versenkt in der Mitte angeordnet. Die Anpassung des Parallelkraftelementes 24 geschieht wiederum im fertig montierten Zustand auf dem Prüfstand, indem die Mittelpartie auf der Breite L schrittweise um &t abgetragen wird bis der Empfindlichkeitswert auf die geforderte Grosse angestiegen ist. Als Variante könnte erfindungsgemäss auch eine Materialauftragung vorgesehen werden.

Ein weiteres erfindungsgemässes Kraftmesselement ist in Fig. 3 dargestellt. Es besteht aus der Deckplatte 3I₇ der Grundplatte 32 und dem Wandlerelement 33, dessen Signal am Steker 36 abgenommen wird. Die Grundplatte 32 ist über den Mantel 37 mit dem tellerfederförmigen Parallelkraftelement 34 fest verbunden. Der Vorspannbolzen 35 kann durch bekannte Mittel mit Deckplatte 31 und Grundplatte 32 verbunden sein. Würde auf hohe Linearität auch bei kleinen Kräften verzichtet, so könnte das zentrale

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Vorspannmitte! 35 weggelassen werden. Bei der Anpassung des Parallelkraftelementes 34 würde dann allerdings Gefahr bestehen, dass bei Material abnähme in der Nute 38 nicht nur die Empfindlichkeit sondern wahrscheinlich auch Linearität und Hysterese beeinflusst werden, was natürlich unerwünscht ist. Die Erfahrung hat denn auch gezeigt, dass das.erfindungsgemässe Parallelkraftelement unabhängig von konstruktionsbedingten Vorspannelementen sein muss. Es wird als Zusatzelement zur Kraftparallelschaltung angeordnet und soll keinen anderen Einfluss auf das elektromechanische Wandlerelement ausüben. Durch schriftweises Eindrehen der Nute 38 im Ring D2 - D4 mit der Tiefe Δ t

wird wiederum das Kraftverhältnis Messkräfte so verändert bis der geforderte

Nebenschlusskräfte Empfindlichkeitswert erreicht wird.

Gemäss Fig. 4 ist ein erfindungsgemässes Kraffmesselement gezeigt, das sowohl für Kraft- als auch für Mediumdruckmessung verwendet werden kann. Als Kraftmesselement wird für die Kräfte P die vorstehende EinI eiif lache 41 benützt, wobei sich das Element mittels Mqntagegewinde 42 in der Messvorrichtung abstutzt. Wird das Messelement für Druckmessung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums benützt, so wird dasselbe sowohl an der Front wie auch an der Zylinderfläche 47 bis zur Dichtung 50 dem Mediumdruck ρ ausgesetzt. Das Messwandlerelement 43 ist in einer elastischen Hülse 48 unter achsialer Vorspannung eingebaut. Sowohl Spannhülse 48 wie auch Abstützring 49 sind mit dem Körper 51 dicht auf bekannte Weise verbunden. Das Parallelkraftelement kann als Tellerkörper 44 ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich eine zylindrische Anordnung 46 durch Einstiche verschiedener Tief At oder eine weitere Anordnung 45 durch Einstiche verschiedener Breite Abvorzusehen. Es ist aber auch eine Kombination dieser

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Möglichkeiten im Sinne der Erfindung. Zweck ist wiederum eine schrittweise Veränderung

des Kraftverhältnisses Messkräfte bis der geforderte Empfindlichkeitswert des

Nebenschi usskräfte
Kraftmesselementes erreicht ist.

Fig. 5 zeigt ein weiteres erfindungsgemässes Kraftmesselement das mit einer abnehmbaren Schutzhülse 54 versehen ist, damit das Parallelkraftelement 55 zur Abstimmung zugänglich wird. Demontage und Wiedermontdge der Schutzhülse 54 kann ohne weiteres am fertig montierten Kraftmesselement vorgenommen werden. Zur Montage in Messvorrichtung ist das Kraftmesselement mit Flansch 52 ausgerüstet. Körper 51 ist mit Gewinde 53 versehen auf welches Schutzhülse 54 geschraubt wird. Das elektromechanische Wandlerelement 56 ist im Beispiel rohrförmig ausgeführt was aber keine Bedingung ist. Das Parallelkraftelement 55 ist Teil der Rohrwand, welche mit Körper 51 und mit Frontteil 57 fest verbunden ist.

Die erfindungsgemässe Kraftmesszelle ist so gestaltet, dass zu den bekannten notwendigen Vorspann mitte In zwischen den Krafteinleitungsplatten ein zusätzliches Parqllelkraftelement vorgesehen ist das am fertig montierten Kraftmesselement so zugänglich ist, dass es mit einfachen Mitteln durch schrittweise Materidlzu-oder abtragung, vorteilhafterweise spanbearbeitend, so beeinflusst werden kann, dass das auf das Wandlerelement wirkende Kraftverhältnis; Messkräfte auf dem Prüfstand so verändert

Nebensch 1 usskräfte werden kann, dass eine geforderte Standardempfindlichkeit auf sehr genaue und einfache Weise erreicht werden kann» Das erfindungsgemässe Parallelkraftelement wird dabei so angeordnet, dass keine weiteren Parameter des Kraffmesselementes beeinflusst werden. ·

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Die Erfindung ermöglicht dcmlt für komplexe Messysteme bedeutende Fortschritte, indem die eingebauten Messkanäle auf übersichtliche dezimaleingestufte und abgerundete Standardempfindlichkeiten eingestellt sind und damit jederzeit und gefahrlos ersetzt werden können, was besonders in der industriellen Messtechnik von grosser Bedeutung ist.

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Claims

Pat ent ansprüch e

Ab stimmt» are s Kraftmeßelement, bestehend aus Krafteinleitelementen, zwischen denen sich ein elektromechanisches Wandler el ement nach bekannten Mitteln befindet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Parallelkraftelement zu den Krafteinleitelementen geschaltet ist, dessen Elastizität am fertig montierten Kraftmeßelement durch nachträgliche Bearbeitung an vorbestimmter Stelle so beeinflußbar ist, daß das Kraftverhältnis Meßkräfte : Nebenschlußkräfte schrittweise veränderbar ist, wodurch die Empfindlichkeit des Kraftmeßelementes auf einen vorbestimmten Standardwert abstimmbar ist.

Abstimmbares Kraftmeßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Parallelkraftelement zusätzlich zu den üblichen elastischen Vorspannelementen angeordnet ist und den Hauptteil der ITebenschlußkräfte aufnimmt und nach bekanntem Verfahren mit den Krafteinleitelementen fest verbunden ist.

Abstimmbares Kraftmeßelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Parallelkraftelement so zwischen den Krafteinleitelementen angeordnet ist, daß dessen Elastizitätsänderung durch Materialabnahme an vorbestimmter Stelle des fertig montierten Kraftmeßelementes erfolgt.

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4. Ab stimmt) are s Kraftmeßelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Parallelkraftelement so zwischen den Krafteinleitelementen angeordnet ist, daß dessen Elastizitätsänderung durch Materialauftrag an vorbestimmter Stelle des fertig montierten Kraftmeßelementes erfolgt.

5. Abstimmbares Kraftmeßelement nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Parallelkraftelement (4) rohrförmig ausgebildet und innerhalb des ringförmigen elektromechanischen Wandlerelementes angeordnet ist.

6. Abstimmbares Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Parallelkraftelement (24) rohrförmig ausgebildet ist und um das elektromechanische Wandlerelement angeordnet ist.

7. Abstimmbares Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Parallelkraftelement (34) tellerförmig ist.

8. Abstimmbares Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Parallelkraftelement (44, 45, 46) gleichzeitig aus einem teller- und rohrförmigen Teil besteht.

9. Abstimmbares Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugänglichkeit zum Parallelkraftelement (55) durch nach Fertigmontage entfernbare Schutzelemente (54) gewährleistet ist.

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10. Abstimmbares Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Parallelkraftelement mit den Vorspannelementen vereinigt ist.

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