DE3021734C2

DE3021734C2 - Anordnung von einachsigen Meßkraftaufnehmern zur Messung kleiner Gewichte

Info

Publication number: DE3021734C2
Application number: DE3021734A
Authority: DE
Inventors: Sandor Prof. Dr. Budapest Kovacs
Original assignee: VASIPARI KUTATO INTEZET 1116 BUDAPEST HU
Current assignee: VASIPARI KUTATO INTEZET 1116 BUDAPEST HU
Priority date: 1979-11-06
Filing date: 1980-06-10
Publication date: 1984-02-23
Also published as: FR2468891A1; FR2468891B1; JPS6216368B2; DD151808A1; SU1336953A3; HU180975B; AT383679B; DE3021734A1; JPS5667727A; ATA300380A; GB2063495B; US4344495A; GB2063495A

Description

Die Erfindung betrifft eine zur Messung kleiner Gewichte vorgesehene Anordnung einer Mehrzahl von einachsigen Meßkraftaufnehmern, die an ein gemeinsames Gehäuse angeschlossen sind und gemeinsam von dem zu messenden Gewicht beansprucht sind.

Die Gewichtsmessung ist eine der am meisten verbreiteten MeSaufgaben. Zu ihrer Lösung wurden im Verlaufe der Zeiten die verschiedensten Konstruktionen entwickelt Eine der ältesten Waagenbauarten benutzt das Prinzip des gleicharmigen bzw. ungleicharmigen Hebels. Bei diesen Waagen wird das Gleichgewicht durch das Auflegen oder Abnehmen von Gewichten hergestellt Der Meßwert der gemessenen Masse wird durch Abzählen der aufgelegten Gewichte oder aufgrund ihrer Verschiebung bestimmt

In heutiger Zeit werden zahlreiche neuere physikalische Eigenschaften zui Gewichtsmessung benutzt So werden unter anderen die durch elastische Deformation verursachte Dehnung oder Torsion, weiterhin die durch Krafteinwirkung auftretenden Änderungen der mechanischen, elektrischen, magnetischen, optischen und dergleichen Kennwerte verwendet.

Mit der Verbreitung der Elektronik werden weitläufig auf dem Prinzip der Elektrizität beruhende Meßmethoden angewandt, deren physikalische Grundlage durch die piezoresistive Erscheinung geliefert wird. Die auf dieser Grundlage angefertigten Dehnungsmeßstreifen eignen sich zur Messung des Gewichtes und sonstiger Kräfte in einem Bereich von einigen Milligramm bis zu mehreren hundert Tonnen und werden im allgemeinen in Wheatstonesche Brf eken eingeschaltet

Zur Verwirklichung sämtliche" der angeführten Meßprinzipien ist jedoch eine mechanische Konstruk- tion erforderlich, mit deren Hilfe ein Gleichgewicht zwischen der zu messenden Kraft und dem zur Messung benutzten Parameter herbeigeführt werden kann.

Bei der Schaffung des Gleichgewichtes weicht jedoch die Wirkungslinie der zu messenden Kraft meistens von der Wirkungslinie der mit ihr das Gleichgewicht haltenden Kraft ab. Das ist zum Beispiel der Fall beiden auf der Anwendung von Hebelarmen beruhenden Waagen. Muß jedoch zur Herbeiführung des Gleichgewichtes in irgendeinem zur Konstruktion gehörenden Teil ein innerer mechanischer Spannungsraum geschaffen werden, d. h. daß der Meßwert durch die Materialkennwerte erhalten wird, so müssen das zu messende Gewicht und der bis zum Gleichgewicht entstandene Spannungsraum bis zur Wirkungslinie seiner von einer bestimmten Fläche genommenen Resultate zusammenfallen.

Es ist auch eine Lösung bekannt, bei der sich die Wirkungslinien gegenseitig schneiden. Ein solcher Fall entsteht, wenn in dem Hebelmechanismus die beiden Angriffspunkte und der Abstützpunkt nicht in eine Ebene fallen, oder z. B. bei der Verwendung eines Pendels. Bei diesen Konstruktionen wird die Messung durch die bekannten geometrischen Verhältnisse und die das bekannte Gleichgewicht zustandebringenden Kraft? prmnsrHrht Zur Messung wird iedoch stets nur eine einzige Kraft verwendet.

Weiterhin gibt es Meßaufgaben, bei deren Lösung der Meßwert der zu messenden Kraft aus zwei oder mehr bekannten Kräften bestimmt wird. Ein solcher Vorgang ist z. B. die mit Hilfe eines einfach aufliegenden Balkens vorgenommene Messung. Ferner ist es bekannt, aus mechanischen Stabilitätserwägungen mehrere Meßkraftaufnehmer einzusetzen, von denen jeder nur eine Teillast trägt, so daß die Summe der Teillasten dem zu messenden Gewicht entspricht.

Die beschriebenen Meßprinzipien von praktischen Lösungen ermöglichen auch die Messung von kleineren Kräften. Mit der Weiterentwicklung der Technik tritt

jedoch die Forderung auf, unter Anwendung mechanischer und elektrischer Methoden auch die genaue Messung kleinster Kräfte zu ermöglien.

Der weiteren Durchsetzung der elektrischen Methoden sind dadurch Schranken gesetzt, daß das zur Verfugung stehende kleine Gewicht keine ausreichende mechanische Spannung zustandebringen kann, um eine meßbare Deformation oder Änderung eines Materialkennwertes herbeizuführen. Aus diesem Grunde ist die Entwicklung einer Konstruktion erforderlich, die eine Verstärkung der zur Verfügung stehenden zu messenden Kraft bewirkt Derartige Ausführungsformen bewirken in der Meßeinrichtung gleich einem Transformator eine Verstärkung des zu iressendi ' -wichtes. Eine derartige Konstruktion ist £. 3. ier u.._fcleicharmige Hebel, der die zu messende Kraft im verhältnis der Hebelarme erhöht. Dies bedeutet, daß man die Länge des Hebelarmes bis zur gegeben,., Grenzlinie um so viel Mal kleiner wählen muß im wieviel Mal größer die Kraft sein solL

Bei derartigen Ausführungsformen setzen die Fertigungstoleranzen der erreichbaren Genauigkeit Grenzen, und so ist in gewissen Meßbereichen bereits eine genaue Messung nicht mehr möglich.

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst eine in der eingangs erwähnten Art ausgebildete Anordnung zur Messung von kleinen Gewichten zu schaffen, mit der eine hohe Meßgenauigkeit durch vektorielle Zerlegung der zu messenden Kraft in erheblich größere Meßkräfte, die etwa das 5—lOOfache der zu messenden Kraft betragen können, ohne wesentliche Verfälschung der Meßergebnisse durch Fertigungstoleranzen erzielt wird.

Dies wird gemäß der Erfindung erreicht durch zwei übereinander angeordnete Gruppen von wenigstens je drei Meßkraftaufnehmern, deren eine Enden einer jeder, der Gruppe an dem Gehäuse mittels Gelenkverbindungen befestigt sind und deren anderen Enden jeweils in einem das zu messende Gewicht abstützenden Punkt so vereinigt sind, daß sie mit den durch die Befestigungspunkte der Gelenkverbindungen am Gehäuse gegebenen Abstützebenen kleine Winkel bilden, die sich gegenüber den Abstützebenen nach unterschiedlichen Seiten öffnen, und daß die Kraftmeßaufnehmer beider Gruppen durch einen an den Verbindungspunkten angreifenden Spannstab vorgespannt sind.

Durch die Verspannung sind Fertigungstoleranzen und Gelenkspiele kompensiert und durch die erfindungsgemäße Anordnung der Meßkraftaufnehmer der beiden Gruppen und deren Verbindung mittels des Spannstabes sind bei der Belastung der Meßanordnung durch das zu messende Gewicht auftretende Winkeländerungen zwischen den Meßkraftaufnehmern und ihrer Abstützebene kompensiert, so daß die Messung im wesentlichen eine vektorielle Addition bzw. Substraktion im Gleichgewichtszustand der Anordnung in Richtung der einachsigen Meßkraftaufnehmer wirkenden Kräften bedeutet, was einfach durch Addition bzw. Subtraktion von elektrischen Spannungen mittels einer Brückenschaltung verwirktiich werden kann.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand jeweils der Ansprüche 2 bis 9.
■ Die Erfindung wird anhand der Zeichnung nachfolgend erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine den Grundgedanken der Erfindung beschreibende Sk'zze,

F i g. 2 ein bekanntes Bockgestell,

Fig.3 das Prinzipschema einer zweckdienlichen Ausfühi ungsform der eifindungsgemäßen Anordnung, Fig.-^ ein Detail einer konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,

F i g. 5 die Darstellung der Anordnung der Meßwidtrstände und

ϊ F i g. 6 das Meßschema im Falle der Verwendung von Meßwiderständen.

Der Erfindung liegt folgender Grundgedanke zugrunde. Bekannt aus der Praxis der Mechanik ist, daß zum waagerechten Ausspannen eines Seiles endlose Kräfte

in erforderlich sind. Aus F i g. 1 ist zu ersehen, daß zu der in Punkt D des in den Punkten A und B eingespannten Seiles senkrecht wirkende Kraft Fin Abhängigkeit vom Winkel λ ziemlich große Reaktionskräfte R₃ und R_b gehören können. Die Punkte A, B und D liegen in einer

! j Ebene und die Kraft Fbringt eine stabile Lage des Seiles zustande. Die in mechanischen Systemen stets vorhandenen Schwingungen können jedoch den Punkt D leicht aus seiner stabilen Lage bewegen und das System dadurch instabil machen.

2» Dies ka,->n dadurch verhindert werden, daß man den Punkt D an den in der von -\r Richtung AB rbweichenden Richtung CE liegenden Prnkten C und E anbindet. In dieser Weise kann diese stabile Lage mit Hilfe der in der Richtung CD und DE wirkenden Kräfte aufrechterhalten werden. Die Konstruktion ist jedoch auch so statisch unbestimmt

Eine statisch bestimmte Lage kann man durch ein an den Punkten A. B und C abgestütztes System von Stäben oder Seilen gewährleisten, die in einem ihnen gemeinsamen Punkt D verbunden sind, jo daß die Stäbe oder Seile in den Richtungen AD, BD und CD verlaufen. Diese Konstruktion ist in der Mechanik unter dem Namen Bockgeste!! seit langem bekannt (Fig.2). in dieser Weise kann durch Vereinigung des Seilzugprin-

zips und des Bockgestells eine Konstruktion zustandegebracht werden, die die Bestimmung einer tatsächlich wirkenden Kraft durch Messung der Stabkräfte in Kenntnis der geometrischen Verhältnisse der Konstruktion ermöglicht

Die Gleichgewichtsverhältnisse bei dem aus F i g. 2 .-fsichtlichen Bockgestell können in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Knotenpunktes D und der Punkte A. B, C untersucht werden. Durch eine Verbindung von zwei derartigen Bockgestellen in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise kann die erfindungsgemäße Anordnung hergestellt werden.

Bei der aus Fig.3 ersichtlichen Ausführungsform besteht die Anordnung aus zwei übereinander angeordneten Gruppen 5, 6 aus jeweils drei als Stäbe

so ausgebildeten einachsigen Meßkraftaufnehmern 4a, 4b, von denen die Meßkraftaufnehmer 4a der einen Gruppe

5 mit ihren einen Enden über die in den Punkten A, B, C befindlichen Gelenke 3, die in einer gemeinsamen horizontalen Abstützebene 7 in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind, an ein beicien Gruppen 5,

6 gemeinsames stan es Gehäuse 9 angeschlossen sind. In ähnlicher Weise sind auch die in den Punkten L, Mund N befindlichen Gelenke 3 der anderen Gruppe 6 entlang eines Kreisbogens in einer gemeinsamen horizontalen Abstützeoene 8 angeordnet Die anderen Enden der einachsigen Meßkraftaufnehmer 4a, 4b sind in den ihnen innerhalb jeder Gruppe 5, 6 gemeinsamen Purkten Si bzw. 52 miteinander verbunden, die jeweils außerhalb ihrer Abstützebenen 7, 8 liegen, so daß sie mit diesen jeweils möglichst kleine Winkel einschließen. Die Verbindungspunkte Si und 52 sind durch einen Spannstab 10 starr verbunden.
Wirkt nunmehr auf dieses im Gleichgewicht befindli-

ehe System die in der Figur dargestellten Kraft, das Gewicht C ein, so verschieben sich die an den Enden des Spannstabes 10 befindlichen Punkte 51 und 52 um den Wert Δ J, d. h. die die Meßkraftaufnehmer 4a der oberen Gruppe 5 bildenden Stäbe werden gedehnt und die die Meßkraftaufnehmer 46 der unteren Gruppe 6 bildenden Stäbe werden zusammengedrückt. Nach der Deformation gelangt das System erneut ins Gleichgewicht.

Sind daher die Parameter des Systems (Geometrie, Größe der Stabkräfte) vor der Einwirkung des ι ο Gewichtes C bekannt, so kann die unbekannte Größe der Stabkräfte bestimmt werden. In der Praxis ist die Größe der in den Stäben entstehenden Kräfte vorzugsweise mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen zu bestimmen. Ein derartiges Dehnungsmeßstreifen ver-'.vendendes System ist in Fig.4 dargestellt. Hier sind der Einfachheit halber für jede der Gruppen lediglich ein als Stab ausgeführter Meßkraftaufnehmer 4a. 4b dargestellt. Aus der Zeichnung ist zu ersehen, daß in die Meßkraftaufnahmer 4a. 4b Meßzellen 1 eingebaut sind. Darüber hinausgehend sind sämtliche Meßkraftaufnehmer mit Stellvorrichtungen 2 versehen, um die Vorspannung des Systems verwirklichen zu können. Wegen der Unsicherheit durch Fertiglingstoleranzen. Passungsspiele sowie die Wirkungslinien der zu messenden Kräfte ist im System eine gewisse Vorspannung vorzusehen, um dadurch die Beseitigung der vorgenannten Unsicherheiten herbeizuführen. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Meßkraftaufnehmer 4a. 46 der einzelnen Gruppen an Gelenke 3 angeschlossen, deren Stellung mittels der Gewindestellvorrichtungen 2 in Stabslängsrichtung verändert werden kann, wobei in den die beiden Einheiten verbindenden Spannstab 10 ebenfalls eine Gewindestellvorrichtung 2 eingebaut ist

Mit dieser Meßanordnung wird die Messung in der Weise vorgenommen, daß man nach Verwirklichung der entsprechenden Vorspannung der Meßkraftaufnehmer 4a. 46 bei den Meßzeilen 1 den Zustand P—0 einstellt und hiernach die Belastung G auf das System einwirken läßt. Hierbei kommt es zu einer Verlängerung bzw. Verkürzung der Stäbe und in den zu ihnen gehörenden Gelenken enistehen Reaktionskräfte, mit denen die in den Meßzellen 1 gemessenen Kräfte das Gleichgewicht halten Aufgrund der vektoriellen Summierung der abgelesenen Werte kann die unbekannte Belastungskraft C einfach bestimmt werden.

Die Anordnung ist vorzugsweise so zu gestalten, daß die Wirkungslinie der zu messenden Belastungskraft G mit der geometrischen Achse des Spannstabes 10 zusammenfällt, da Jie Berechnung in diesem Falle am einfachsten vorgenommen werden kann. Natürlich kann die Summierung auch in jedem anderen Fall durchgeführt werden.

Unier Berücksichtigung des Umstandes, daß bei der Anordnung der Gleichgewichtszustand zwischen Kraftvektoren zustandekommt, bedeutet die Messung im wesentlichen eine vektorielle Addition bzw. Subtraktion. Dies kann außerordentlich einfach als Addition von elektrischen Spannungen gelöst werden, wobei ein direkt zur Belastung proportionales Ausgangssignal hergestellt werden kann.

Vorzugsweise sind in den einzelnen Meßzellen zur Ausbildung einer vollständigen oder einer halben Meßbrücke ausreichende Widerstandsdehnungsmesser zu verwenden, in F i g. 5 ist schematisch die Anordnung der in den einzelnen Meßzellen, die hier aus Biegestäben, an denen die Meßkraftaufnehmer angelenkt sind, die in F i g. 5 schematisch durch die von ihnen übertragenen Kraftkomponenten Pa, Pb, Pcbzw. Pl, Pm, Pn dargestellt sind, und an den Biegestäben befestigten Dehnungsmeßstreifen bestehen, vorgesehenen Widerstände R gezeigt, wobei aus den angeordneten Widerständen eine vollständige Meßbrücke aufgebaut werden kann. Die Forderung nach einer Kraftmessung mit hoher Genauigkeit kann in der Weise erfüllt werden, daß die einzelnen Kraftkomponenten Pa, Pb, Pc bzw. Pl, Pm und Pn mit selbstständigen Meßzellen gemessen werden. Dazu wird au, den einzelnen Meßzellen befindlichen vier Widerständen Ri. R₂, R) und IU gemäß Fig.6 eine vollständige Meßbrücke aufgebaut. Die Meßzei.c. vowohl der ersten als auch der zweiten Einheit werden parallel geschaltet und die beiden Ausgangssignale werden summiert So erhält man das zu der zu messenden Kraft proportionale Ausgangssignal. Die in F i g. 6 zusätzlich eingezeichneten Widerstände r,, ro. Ri. Rn sind Hilfswiderstände, während Übe und Uki ■■ -e Spannungen über die Briickendiagonalen bezeichnen.

Aus vorstehenden Ausführungen ist zu ersehen, daß durch die Anordnung mittels vektcrieller Kräftezerlegung eine im beliebigen Ausmaße erfolgende Verstärkung der zu messenden Kraft und dadurch eine genaue Messung von sehr kleinen Kräften ermöglicht ist Obwohl in dem dargestellten Beispiel die einzelnen Gruppen jeweils drei Meßkraftaufnehmer enthalten, kann die Anordnung auch unter Verwendung von mehr als drei Meßkraftaufnehmern pro Gruppe ausgeführt werden. Es entspricht einer eine unendliche Zahl von einachsigen Meßkraftaufnehmern enthaltenden Ausführungsform, wenn als an den Spannstab angeschlossene Gruppen Membranen verwendet werden. Die Messung bzw. die Berechnung kann auch mit einer Anordnung vorgenommen werden, bei der die MeCkraftaufnehmer nicht symmetrisch angeordnet sind.

Entsprechend F i g. 3 verlaufen die Abstützebenen 7, 8 der beiden Gruppen 5, 6 der Meßkraftaufnehmer 4a, 46 vorzugsweise parallel zueinander. Zu diesen Abstützebenen 5,6 verläuft der Spannstab vorzugsweise senkrecht Außerdem wird eine Ausführunftform entsprechend F i g. 3 bevorzugt bei welcher die Verbindungspunkte S, und Sz der Meßkrafiaufnehmer 4a bzw. 46 der Gruppen 5, 6 zwischen den Abstützebenen 7,8 liegen.

Die die Meßkraftaufnehmer 4a, 46 bildenden Meßarme bzw. Meßstäbe beider Gruppen 5, 6 sind vorzugsweise gleich lang und schließen miteinander gleiche Winke! ein, so daß sie innerhalb ihrer Gruppen 5, 6 die Seitenkanten einer gedachten, von ihnen eingeschlossenen regulären Pyramide bilden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 30 21 73-*

1. Zur Messung kleiner Gewichte vorgesehene Anordnung einer Mehrzahl von einachsigen Meßkraftaufnehmern, die an ein gemeinsames Gehäuse angeschlossen sind und gemeinsam von dem zu messendem Gewicht beansprucht sind, gekennzeichnet durch zwei übereinander angeordnete Gruppen (5, 6) von wenigstens je drei Meßkraftaufnehmern (4a, 4b), deren eine Enden einer jeden der Gruppen (5,6) an dem Gehäuse (9) mittels Gelenkverbindungen (3) befestigt sind und deren anderen Enden jeweils in einem das zu messende Gewicht abstützenden Punkt (St, S2) so vereinigt sind, daß sie mit den durch die Befestigungspunkte (A, B, C bzw. L, M, N) der Gelenkverbindungen (3) am Gehäuse (9) gegebenen Abstützebenen (7,») kleine Winkel büden, die sich gegenüber den Abstützebenen (7, 8) nach unterschiedlichen C 'iiten öffnen, und daß die Meßkraftaufnehmer (4a, 4b)beider Gruppen (5, β) durch einen an den Verbindungspunkten (Si, S₂) angreifenden Spannstab (10) vorgespannt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkraftaufnehmer (4a, 4b) in jeder Gruppe (5, 6) in gleichem Höhen- und Seitenabstand voneinander angeordnet sind.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkraftaufnehmer (4a^ der einen Gruppe (5) um die Hälfte des Abstandes zweier Meßkraftaufnehmer gegen die Meßkraftaufnehmer {fib) der anderen Gruppe (6) versetzt angeordnet sind.

4. Anordnung nach einem d r Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkraftaufnehmer (4a, 4b) der beiden Gruppen (5,6) so angeordnet sind, daß sich die kleinen Winkel, die sie mit den Abstützebenen (7, 8) bilden, jeweils zur anderen Gruppe hin öffnen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannstab (10) in der Wirkungslinie der zu messenden Kraft (G) angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche ! bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die einachsigen Meßkraftaufnehmer (4a, 40,1 als Stäbe ausgebildet sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einachsigen Meßkraftaufnehmer (4a, 4b) jeweils mittels einer Stellvorrichtung (2) zur Einstellung ihrer Vorspannung versehen sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannstab (10) mittels einer Stellvorrichtung (2) zur Verspannung

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9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Gruppen (5,6) als eine aus einer sehr großen Anzahl einachsiger Meßkraftaufnehmer (4a, 4b) bestehende Membran ausgebildet ist.