DE2743021C3

DE2743021C3 - KraftmeB- oder Wägezelle

Info

Publication number: DE2743021C3
Application number: DE19772743021
Authority: DE
Inventors: Harald Ing.(Grad.) 7517 Waldbronn Fritz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-23
Filing date: 1977-09-23
Publication date: 1981-01-15
Also published as: DE2743021B2; DE2743021A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmeß- oder WägezeHe mit einem unter einer Kraft gestauchten, im wesentlichen zylindrischen Meßfederstempel, mit einer -dazu kraftmäßigiparallelgeschalteten Ztis'atzfeder; mit einem weiteren, im Hauptkraftfluß kraffmäßig in Reihe mit dem Meßfederstempel und gleichachsig mit ihm angeordneten, im wesentlichen zylindrischen Feder-Stempel, wobei die beiden Stempel mit mindestens einer gewölbten Oberfläche aneinanderstoßen,

Kraftmeßzellen dieser Art gehören zum Stand der Technik, Ihnen entsprechen beispielsweise die bekannt ten zylindrischen Meßfedern, die durch eine Federmembran in einem Gehäuse gegenüber seitlich einwirkenden Kräften abgestützt sind und bei denen die Kraft über einen Stelzenkörper eingeleitet wird, der sich auf dem Meßlederstempel abrollen kann. Eine derartige Kraftmeßzelle ist in der DE-AS 12 32 370 beschrieben. Die Meßeigenschaften derartiger Zellen sind gut beherrschbar; bei sehr genauen Messungen stört jedoch eine systematische Unlinearität ihrer Kennlinie. Sie macht

ίο sich in einer positiven Krümmung der Kennlinie bemerkbar. Bei sorgfältig entworfenen und hergestellten Meßfederstempeln verläuft diese Krümmung der Kennlinie monoton und mit großer Annäherung nach einer quadratischen Funktion.

Die Kennlinienkrümmung ist nur zu einem geringen Teil durch eine unsymmetrische Verstimmung von an den Meßfederstempeln angeordneten Dehnungsmeßstreifen-Brückenschaltungen zu erklären. Diese Verstimmung wird dadurch hervorgerufen, daß in der Brückenschaltung am Federkörper längs und quer zu dessen Achse angeordnete Dehnungsmeßstreifen vereinigt sind.

Ein weiterer geringer Anteil der Kennlinienkrümmung beruht auf den elastischen Querschnittsveränderungen der Meßfeder bei der Belastung. Der restliche Anteil der NichtK learität muß in den Eigenschaften des für die Meßfedern verwendeten Werkstoffes gesucht werden.

Die Nichtlinearität der Kennlinien kann in den Dehnungsmeßstreifen nachgeschalteten elektronischen Verstärkern auf elektrische Weise kompensiert werden. Weil jedoch dafür jede Schaltung individuell abgeglichen werden muß, ist die elektrische Kompensation über Verstärker eine aufwendige Maßnahme.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einer eingangs näher bezeichneten Kraftmeß- oder Wägezelle eine Linearisierung ihrer Kennlinie durch einfache, rein mechanische Maßnahmen zu· erreichen.
Diese Aufgabe wird bei einer eingangs genannten Kraftmeß- oder Wägezelle gemäß der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Die gegenseitige Annäherung zweier, unter einer Kraft aneinam'orgepreßter Körper, wobei mindestens eine der anemanderliegenden Flächen der Körper gewölbt ist, wird durch die Hertzsche Annäherungsformel

u = 1,23

iv^p

angegeben. Der Proportionalitätsfaktor 1,23 gilt für Stahl auf Stahl, P ist die Anpreßkraft, E der Elastizitätsmodul und r der Krümmungsradius der gewölbten Fläche.

Bei der Wägezelle nach der Erfindung wird die Nichtlinearität der Kennlinie, die leicht quadratisch verläuft, kompensiert durch eine vom Federweg der Zusatzfeder gesteuerte Kraftverteilung zwischen der fyfeßfeder und der Zusatzfeder, Der Federweg ist ^abhängig Von der obengenärihfen Hertzschen Annäherungsformei. Die krümmung der Aiinäherungsfunktion entspricht nicht genau der quadratischen Krümmung der Nichtliriearitäl der Meßfeder, jedoch verlaufen

65· beide Krünimüngen so ähnlich, daß eine gute Kompensation erreichbar ist.

Zweckmäßig wird die Zusatzfeder so bemessen, daß die auf sie entfallende Nebenschlußkraft beim Nenn-

wert der Meßkraft etwa 10%o dieses Nennwertes beträgt.

Die Zusatzfeder kann eine Biegefeder sein. Besonders vorteilhaft wird die Zusatzfeder jedoch als eine Federmembran ausgeführt, die gleichzeitig die Abstützung der Meßfeder gegen Seitenkräfte übernimmt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt d'e Membran zwischen einer Stirnfläche des Meßfederstempels und einem Druckstück, auf das die Meßkraft einwirkt, wobei mindestens eine der die Membran beidseitig berührenden Flächen gewölbt ist.

Die einer gewölbten Stirnfläche des Meßfederstempels gegenüberliegende Fläche des Druckstücks ist zv/eckmäßig eben.

Die zweite, auf einem Gegenlager ruhende Stimfliäehe des Meßfederstempels kann ebenfalls gewölbt sein.

Auf dem Meßfederstempel sind Dehnungsmeßstreifen angeordnet, deren elektrische Ausgangswerte den Meßeffekt darstellen.

Die Erfindung wird an fünf Figuren erläutert.

F i g. 1 stellt das Diagramm der Ker-ilinie einer Wägezelle ohne Linearisierungsmaßnahmen dar.

F i g. 2 stellt in einem vereinfachten Längsschnitt eine Wägezelle nach dem Stand der Technik dar.

Fig.3 ist das Diagramm der Kennlinie einer Wägezelle mit Kraftnebenschluß.

In Fig.4 ist im Längsschnitt eine Wägezelle dargestellt.

F i g. 5 zeigt die graphische Darstellung des Verlaufs des Meßweges der Zusatzfeder, abhängig von der Meßkraft.

In Fig. 1 ist in der Abszisse die Meßkraft P angetragen, in der Ordinate ist das Meßsignal U angetragen. Die Kennlinie verläuft vom Nullpunkt des Achsenkreuzes bis zum Nennwert a's ausgezogenes, positiv gekrümmtes Kurvenstück. Der maximale Abstand zwischen dem Kurvenstück und seiner Sehne i.st mit b bezeichnet. Er stellt die maximale Abweichung des Meßsignt 's U von einer linearen, idealen Kennlinie dar.

In der Fig. 2 ist im Längsschnitt das Gehäuse G einer Wägezelle dargestellt, in der ein Meßfederstempel St durch eine im Gehäuse und am Stempel eingespannte Membran M gegen Seitenkräfte abgestützt ist. Eine Kraft P wirkt auf eine am Meßfederstempel St angearb-itete Kugelkalotte.

Im Diagramm der Fig.3 ist der Einfluß dieser als Zusatzfeder einen Kraftnebenschluß bewirkenden Membran auf die Kennlinie der Wägezelle dargestellt. In der Abszisse ist wieder die Meßkraft P und in der Ordinate das Meßsignal U angetragen. Die obere der beiden ;!s gekrümmte Kurvenstücke eingezeichneten Kennlinien stellt die Kennlinie ohne die Wirkung der Zusatzfeder dar. Die untere Kennlinie stellt die Kennlinie des Meßfederstempels Si unter dem Einfluß der kraftmäßig parallelgeschalteten Membran Μά&τ. Es ist zu erkennen, daß die Kennlinie durch die Wirkung des Kraftnebenschlusses um den Nullpunkt in Richtung eines schwächeren Meßsignals gedreht erscheint

In Fig.4 ist eine Wägezelle im Längsschnitt dargestellt Auf den Boden eines Gehäuses G'stützt sich mit einer gewölbten Stirnfläche ein Meßfederstempel St'. Eine obere gewölbte Stirnfläche des Meßfederstempels St' liegt an einer Membran M' an, deren äußerer Rand im Gehäuse G' eingespannt ist Koaxial mit dem Meßfederstempel St' liegt auf der Membran M' ein Druckstück D. Die auf der Membran aufliegende Fläche des Druckstückes D ist eben. Die der Membran abgewandte Fläche des Druckstückes D ist gewölbt und nimmt eine Meßkraft P'auf.

Im Diagramm der Fig.5 ist die Abhängigkeit des Federweges s' der Membran M' von der Meßkraft P' dargestellt Die Funktion des Meßweges verläuft als positiv gekrümmies Kurvenstück zwischen dem Nullpunkt des Koordinatenkreuzes unc¹ :inem Nennwert Pn der Meßkraft Sein maximaler A.bstcnd von einer Sehne des Kurvenstücks ist mit a bezeichnet Es ist an der F i g. 5 zu sehen, daß die als Zusatzfeder dienende Membran M' bei geringer Meßkraft relativ große und mit zMP.ehmender Meßkraft kleiner werdende Wege durchläuft Auf diese Weise kann die gekrümmte Kennlinie des Meßfederstempels Iinearisiert werden, weil der Federweg die Kraftverteilung zwischen der als Kraftnebenschluß wirkenden MermVan M' und dem Meßfederstempel St' steuert Gegen Ende des Meßbereichs geht der Anteil der nebengeschlossenen Kraft etwa im gleichen Ausmaß zurück, wie der Meßeffekt abfällt Durch die Änderung der Kraftverteilung wird also gegen Ende des Meßbereichs Kraft von der Nebenschlußfeder auf den Meßfederstempel »nachgeschoben« und dadurch der Meßeffekt Iinearisiert.

Der Einfluß der Nebenschlußkraft im Verhältnis zur den Meßfederstempel beaufschlagenden Kraft auf den Meßeffekt ist als Erfahrungswert bekannt Das Verhältnis der beiden eine gleiche Änderung des Meßeffektes hervorrufenden Änderungen der den Meßfederstempel beaufschlagenden Kraft einerseits und der Nebenschlußkraft andererseits kann als Durchgriff bezeichnet werden. Er ist wie gesagt bekannt und gestattet, bei bekanntem Nennwert der Meßkraft die erforderliche Nebenschlußkraft und damit auch die Federkonstante der als Zusatzfeder dienenden Membran auszurechnen. Für diese Rechnung wird noch der Federweg benötigt Er ergibt sich aus den von dem Nennwert der Meßkraft bestimmten Abmessungen des Meßfederstempels und der Hertzschen Atmäherungsformel.

Die folgende, umseitige Tabelle mit bei tirei Ausführungsbeispielen sich ergebenden Werten zeigt den zahlenmäßigen Zusammenhang zwischen Nennwert der Meßkraft und den erforderlichen Fedtrkonstanten der Membran.

Nennwert	I	der r	Federweg	Doppelte	Verkürzen	Relativer	Erforderliche	.274N	Erforderliche
Meßkraft		P'	Wi bei	Annäherung	des Meß	Abstand a	Neben-	.588N	Federkonstante
	b 1 17,451		Nennwert	bei Nenn=	stempels bei	(in Vo des		10³...
	I i'8,823		der MeB^	wert der	Nennwert	Meßweges	schlußkraa	10³N
I 2745,098		kraft	Meßkraft	der Meß»	s¹)
1				kraft
	10³N 50 mm	0,23 mm	0,17 mm	0,06 mm	13,2%		598.,, 1136 N/mm
10³N 5OnS=Ti	0,35 mm	0,29 mm	0,06 mm	12,8%	»137..	843.., 1686 N/mm
10³N 183 mm	2,7 mm	2,44 mm	0,26 mm	12,7%	»294.,	5000... 10166 N/mm
					«13,7
		Hierzu 1	Blatt Zeichnungen	27,5

Claims

Patentansprüche:

1. Kraftmeß- oder Wägezelle mit einem unter einer Kraft gestauchten, im wesentlichen zylindrischen Meßfederstempel, mit einer dazu kraftmäßig parallelgeschalteten Zusatzfeder, mit einem weiteren, im Hauptkraftfluß kraftmäßig in Reihe mit dem Meßfederstempel und gleichachsig mit ihm angeordneten, im wesentlichen zylindrischen Federstempel, wobei die beiden Stempel mit mindestens einer gewölbten Oberfläche aneinanderstoßen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stempel (D, St') an der Stoßfläche mit der Zusatzfeder (M') kraftschlüssig verbunden sind und daß die Wölbung der Stempel (D, St') und die anderen für die Kennlinie der Zelle maßgebenden Größen der Stempel (D, St') und der Zusatzfeder (M') dei'urt aufeinander abgestimmt sind, daß durch

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Ul W VJ bgVllnlUU VtWt C-it4OM.l*«lbt4WI ^ITMf VvuliJ^V

durch den von der gegenseitigen Annäherung der beiden Stempel (D, St') bestimmten Federweg — eine Linearitätsverbesserung der Kennlinie erreicht wird.

2. Kraftmeß- oder Wägezelle nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzfeder (M')so bemessen ist, daß die auf sie entfallende Nebenschlußkraft beim Nennwert der Meßkraft etwa 10%0 des Nennwertes beträgt

3. Kra^ftrr.eß- oder Wägezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzfeder (M')e\ne Biegefeder ist.

4. Kraftmeß- oder WägezeHe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzfeder (M') eine Membran ist.

5. Kraftmeß- oder WägezeHe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (M') zwischen einer Stirnfläche des Meßfederstempels (St')und einem Druckstück (D)\\eg\ und mindestens eine der die Membran (M') beidseitig berührenden Flächen gewölbt ist.

6. Kraftmeß- oder WägezeHe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einer gewölbten Stirnfläche des Meßfederstempels (St') gegenüberliegende Fläche des Druckstückes (D)eben ist.

7. Kraftmeß- oder WägezeHe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite, auf einem Gegenlager ruhende Stirnfläche des Meßfederstempels (St') ebenfalls gewölbt ist.

8. Kraftmeß- oder WägezeHe nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Meßfederstempel (St')Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind.