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Waage
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Zusatzanmeldung zu P 30 29 692.5 Diese Anmeldung ist eine Zusatzanmeldung
zu der deutschen Patentanmeldung P 30 29 692.5 (Waage).
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Die Erfindung betrifft eine Waage, bei der die Last über eine bewegliche
Platte auf mehrere Druckzellen aufgebracht und deren Innendruck dabei gemessen wird.
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Ein technisch besonders einfaches Prinzip zur Kraftmessung besteht
darin, die Kraft über eine Fläche bekannter Grösse auf eine mit Gas oder Flüssigkeit
gefüllte flexible Druckzelle aufzubrinren. Deren Innendruck liefert unter gewissen
Voraussetzungen die Grösse der Kraft. Besonders vorteilhaft ist, dass die Druckzelle
sehr flach sein darf, weshalb dieses Messnrinzip Möglichkeiten zum Bau sehr flacher
langen bietet.
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Waagen mit Druckzelle werden bereits in den deutschen Patentanmeldungen
P 30 29 692.5, P 30 31 241.5, P 31 13 983.3 und P 31 30 969.0 beschrieben. Nachteilig
ist bei diesen Waagen allerdings die Notwendigkeit, die bewegliche Platte, über
welche die Kraft aufgebracht wird, durch eine besondere Vorrichtung vor dem Abkippen
zu bewahren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Bau von Waagen zu ermöglichen, die
keine spezielle Vorrichtung zur Parallelführung der beweglichen Platte benötigen
oder bei denen diese Vorrichtung geringeren Anforderun-en genügen muss.
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Diese Auf gabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass auf mehrere
luft- bzw. flüssigkeitsdichte Druckzellen, die ganz oder teilweise aus flexiblem
Material gefertigt s-ind, über eine bewegliche Platte die Last aufgebracht wird.
Dabei wird durch ein Messgeräte oder durch mehrere Messgeräte der Innendruck in
den Druckzellen gemessen.
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Die Kraft der einzelnan Druckzelle auf die bewegliche Platte entspricht
einer punktförmigen Unterstützung im Schwerpunkt der Suìlageflciclle. Bei Verwerdung
einer einzigen Druckzelle muss daher die Paralliführung der beweglichen Platte ein
Kippen bezüglich beliebiger horizontaler Achsen verhindern können.
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Falls die bewegliche Platte auf ei Druckzellen ruht und die äussere
Kraft an eine Punkt angreift, der senkrecht über der Verbindungsstrecke der beiden
Schwerpunkte der Auflageflächen liegt, braucht die Parallelführung nur ein Kippen
um die Verbindungslinie der Schwerpunkte zu verhindern. Das Kippen um eine dazu
senkrechte Achse verhindern die Druckzellen.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von wenigstens drei Druckzellen,
bei denen die Schwerpunkte der Auflageflächen der beweglichen Platte nicht auf einer
Geraden liegen. Dann kann auf eine Vorrichtung zur Parallelführung verzichtet werden,
solange die Wirkungslinie der äusseren Kraft innerhalb der von den Verbindungslinien
der Schwerpunkte der Auflage flächen begrenzten Jägefläche liegt. Liegt die Wirkungslinie
ausserhalb dieser Wägefläche, ist es im allgemeinen ausreichend, diesen
Zustand
lediglich als nicht zulässig anzuzeigen, seine Messwerte nicht in die Wägung zu
iibernehmen und durch einen mechanischen An schlag das völlige Abkippen der beweglichen
Platte zu verhindern.
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Zur Erhöhung des Komforts wird allerdings in einer Ausführungsform
vorgesehen, dass die bewegliche Platte durch eine geeignete Vorrichtung so geführt
wird, dass bezüglich einer Achse oder bezüglich zweier Achsen eine Neigung der beweglichen
Platte verhindert wird oder dass bei einer Neigung der beweglichen Platte ein Moment
erzeugt wird, das dieser Neigung entgegen wirkt.
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Das Gewicht des auf der waage befindlichen Körpers ergibt sich aus
den gemessenen Werten des Innendrucks der Druckzellen nach einem von der Ausführungsform
der "loage abhängigen Auswerteverfahren. In einer Ausführungsform ist daher vorgeselren,
dass das Messgerät oder die Messgeräte zur Messung des Innendrucks der Druckzellen
mit einer Auswertevorrichtung verbunden sind, durch welche die Grösse des auf die
Waage aufgebrachten Gewichtes angezeigt wird.
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Falls sich der zu wiegende Körner während der Wägung belegt, womit
zum Beispiel bei einer Personenwaage zu rechnen ist, muss bei der Auswertung der
gemessenen Druckwerte dieser Tatsache Rechnung getragen werden. In einer Ausführungsform
wertet daher die Auswertevorrichtung mehrer werte des Innendrucks je Druckzelle
aus, die zu verschiedenen Zeiten gemessen werden.
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Vorteilhaft ist es dabei, en die zu verschiedenen Zeiten gemessenden
erte des Innendrucks derselben Druckzelle unterschidlich stark bei der 'Srmittlung
des anzuzeigenden Gewichts beriicksichtigt werden. Dann empfiehlt es sich insbesondere,
die jeweils neueren Werte des Innendrucks derselben Druckzelle stärker bei der Ermittlung
des anzuzeigenden Gewichts zu berücksichtigen. Ein nach dieser Logik arbeitendes
mathematisches
Verfahren ist auf dem Gebiet der Lagerhaltung zur
Bedarfsvorhersage unter dem Namen "exponential smoothing" bekannt.
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Falls sich bei der Bewegung des zu wiegenden Körpers die 'irkungslinie
von dessen Kraft der Grenze der Wägefläche nähert,ist es zweckmässig und falls sie
diese überschreitet; ist es notwendig, die gemessenen Druckwerte unberücksichtigt
zu lassen. In einer Ausführungsform gibt es daher für jede Druckzelle einen Mindestwert
des Innendrucks, und das Unterschreiten des Hindestwertes bei einer Druckzelle führt
dazu, dass einzelne Messwerte des Inrendrucks von Druckzellen durch die Auswertevorrichtung
nicht berücksichtigt erden.
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Um der zu liegenden Person eine Lagekorrektur zu ermöglichen, wird
das Unterschreiten des Mindestwertes bei einer Ausführungsform angezeigt. Diese
Korrektur wird bei einer sneziellen Ausführungsform dadurch erleichtert, dass die
Anzeige einen Hineis auf die Lage wenigstens einer Druckzelle enthält, bei der der
Mindestwert des Innendrucks unterschritten ist.
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Es ist sinnvoll, den Nindestwert des Innendrucks von dem Gewicht des
zu wiegenden Körters abhängig zu maschen. Bei einer Ausführungsform ist daher die
Grösse des Mindestwertes für eine Druckzelle abhängig von der Grösse der Werte des
Innendrucks einer anderen Druckzelle oder anderer Druckzellen.
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Für eine genaue Gewichtsmessung sollten die Grössen der Auflage flächen
auf den Druckzellen konstant sein. Bei einer Ausführunr;sform wird das dadurch erreicht,
dass die bewegliche Platte Bestandteil der Jand einer Druckzelle oder mehrer Druckzellen
ist oder dass in einem Falle oder in mehreren Fällen durch eine Verbindung zwischen
beweglicher Platte und Druczelle oder durch geeignete Ausgestaltung von beweglicher
Platte und Druckzelle sich@rgestellt ist, dass die Fläche, auf der durch den Innendruck
der Druckzelle auf die bewegliche Platte ein Druck
ausgeübt wird,
von der Position der beweglichen Platte wejtgegend unabhngig ist.
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Zur leichteren Handhabung der Waage liegen bei einer weiteren Ausführungsform
die Druczzellen auf einer Bodenplatte auf.
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Für eine Konstanz der Eigenschaften der Waage bei wechselnder Grösse
und wechselndes Ort der aufliegenden Kraft ist bei einer Ausführungsform in einem
Fall oder in mehreren Fällen durch geeignete Ausgestaltung von Bodenplatte und Druckzelle
sichergestellt, dass die Fläche auf der durch den Innendruck der Druckelle auf die
Bodenplatte ein Druck ausgeübt wird, von der Verformung der Druckwelle weitgehend
unabhängig ist.
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Die Waage nach der Erfindung macht es möglich, die Druckzellen einzeln,
in Serie oder in Massen vorzufertigen. 3esonders günstig ist dabei, wenn im Rahmen
der Vorfertigung jede Druc=elle bereits gefüllt und über eine eventuell erforderliche
Verbindungsleitung mit einem Drucksensor verbinden wird. Um trotz der Vorfertigung;
eine Konstanz der dem Innendruck ausgesetzten oberen Fläche zu sichern, ist in einer
Ausführungsform vorgesehen, dass der obere Teil der @and wenigstens einer Druckzelle
durch eine weniger flexible oder starre Oberplatte gebildet wird.
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Zur Erleichterung der Fertigung liegt die weniger flexible oder starre
Oberplatte über die die Kraft von der beweglichen Platte zur Druckzelle übertragen
wird, in einer anderen Aisführungsform lediglich auf wenigstens einer Druckzelle
auf.
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Um sicherzustellen, dass der flexible Rand der Druckzelle frei von
äusseren @erührungen gehalten werden kann, wird bei einer weiteren Ausführungsform
der untere Teil der land wenigstens einer Druckzelle durch eine weniger flexible
oder starre Grundpaltte gebildet.
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Zur leichteren Fertigung liegt bei einer anderen Ausführungs form
die Druckzelle lediglich auf der Grundplatte auf.
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Zur leichteren Handhabung der frage liegt bei einer kusführungsform
wenigsten eine der Carundplatten auf der Bodennlatte auf.
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Zur Erhöhung der Genauigkeit der Waage ist bei einer Ausführungs form
vorgesehen, dass wenigsten eine der Druckzellen eine freie flexible Randzone besitzt,
die oben in eine bewegliche Druckfläche mündet, die der Kraftübertragung von der
beweglichen Platte zur Druckzelle dient und unten in eine feste Druckfläche mündet,
die der Kraftübertragung von der Druckzelle zur Bodenplatte dient.
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Bei einer weiteren Ausführungsform werden die den Innendruck verfälschenden
Randkräfte der Druckzelle dadurch beseitigt, dass bei wenigstens einer Druckzelle
die die Randzone bildende Wand der Druckzelg an einem möglichst langen Teil des
Randes der beweglichen Druc-fläche von aussen horizontal in die bewegliche Druckfläche
mündet.
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Günstig für eine reproduzierbare Wägung ist ein Zustand, bei dem sich
die ;'1ierkung der verfälschenden Randkräfte nur wenig mit der Lage ändert. Das
wird bei einer Ausführunrsform dadurch erreicht, dass bei wenigstens einer Druckzelle
die die Randzone bildende Rand der Druckzelle an einem möglichst langen Teil des
Randes der beweglichen Druckfläche von aussen sch@äg von oben in die bewegliche
Druckfläche mündet.
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Besonders gbnr tig ist in diesem Silane eine @usführungsform, boi
der bei wenigstens einer Druckzelle die die Randzone bildende and der Druckzelle
an einem möglichst langen Teil des '.Randes der beweglichen Druckfläche und der
festen Druckfläche von aussen unter einem solchen dinkel mündet, dass die vertikale
Komponente der von der die Randzone bildenden Wand der Druckzelle auf den Rand der
beweglichen Druckfläche übertragenen Zugkräfte möglichst unabhängig von der Position
der beweglichen Druckfläche ist.
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Dieser Zustand ergibt sich rechnerisch aus der The@ri@ für Waagen
mit Druckzellen. Vorausgesetzt wird dabei eine un@ dlich flexible, nicht dehnbare
freie @andzone der Druckzelle. @uch für die folgenden Ausführungsformen liefert
die Theorie die konstruktiven Details.
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Aus Gründen der Symmetrie ist in einer Ausführungsform sichergestellt,
dass-bei wenigsten einer Druckzelle der Rand der feston Druckfläche ganz oder teilweise
senkrecht unter dem Rand der beweglichen Druckfläche liegt.
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Um die Abhängigkeit der verfälschenden Randkräfte von der Position
der beleglichen Platte zu verringern, liegt in einer anderen Aus führuns form bei
wenigstens einer Druckzel1e der Rand der festen Druckfläche ganz oder teilweise
unterhalb des Innern der beweglichen Druckfläche.
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Bei einer speziellen Ausführungsform ist die verfälschende Randkraft
und deren Abhängigkeit von der Position der beweglichen Platte bei wenigste@ einer
Druckzelle dadurch minimiert, dass bei wenigstens einer Druckzelle die die Randzone
bildende Wand der Druckzelle an einem möglichst lanrr.en Teil des Randes der beweglichen
Druckfläche von aussen horizontal in die bewegliche Druckfläche mündet und an einem
möglichst langen Teil des Randes der festen Druckfläche unter einem solchen @inkel
von aussen in die festc Druckfläche mündet, dass die vert@kal@ 1&omponente der
von der die Randzone bildenden Wand der Druckzolle
auf den @and
der beweglichen Druckfläche übertragenen Zugkräfte möglichst unabhängig von der
Position der beweglichen Druckfläche ist.
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Um die Positionierung des Körpers oberhalb der Wägefläche zu erleichtern,
ist es naheliegend, diese zu kennzeichnen.
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Besonders günstig ist es, die iägefläche oder eine kleinere Flache
über die bewegliche Platte nach oben herausstehen zu lassen. ei einer Personen-sage
wird dadurch zum beispiel die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die zu wiegende Person
ihren Schwerpunkt iMer die Wägefläche verlagert. Pei einer Ausführungsform liegt
daher die obere Fläche der beweglichen Platte oder eines von dieser nach oben herausragenden
Teils möglichst ausschliesslich senkrecht oberhalb derjenigen Fläche, die durch
Verbindungslinien zwischen Flächenschwerpunkten der Druekzellen eingegrenzt wird.
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Um verf@älschende Randkräfte gering zu halten, ist in einer Ausführungsform
wenigsten3 eine Druckzelle ganz oder teilweise aus eiiiem Material gerfertigt, das
einer Biegung einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzt Um die Gen.luigkeit
der Messung zu erhöhen, ist in einer vreiteren Ausführungsform wenigstens eine Druckzelle
ganz oder teilweise aus einem nicht dehnbaren Material gerfertigt.
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Um den optimalen Arbeitspunkt einstellen und einhalten zu könnenXist
in einem Ausführungsbeispiel wenigstens eine Druckzelle ganz oder teilweise mit
einer Flüssigkeit gefüllt.
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Fiir die F@rtigung ist es wichtig, alle Teile schnell und ein-Wandrrei
positionieren ZU können. Bei der Handhabung im späteren Gebrauch d:irf die Positionierung
sich nicht ändern. In einer Au füiirungsform sind zu diesem Zweck wenigstens eine
Druckzelle1 die podennlatte und die bewegliche Platte teilweise oder sämtlich mit
einander zugeordneten Erhebungen und Einbuchtungen versehen.
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Bei einer anderen Ausführungsform, bei der nuch eine Oberplatte und
Grundplatte vorkommen, sind entsnrechend in wenigstens einem Falle die bewegliche
Platte, die Oberplatte, die Druckzelle, die Grundplatte und die Bodenplatte teilweise
oder @ä@tlich mit einander zugeordneten Erhebungen und Einbuchtungen versehen.
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Konstruktiv empfiehlt es sich insbesondere, die Verbindungslei eltung
zum Drucksensor oder zu einer sonstigen Vorrichtung zur Messung des Innendrucks
der Druckzelle nach oben oder unten aus der Druckzelle zu führen, damit durch den
Anschluss der Verbindungsleitung keine verfälschenden Randkräfte erzeugt werden.
@ei Verwendung einer Oberplatte kann die Verbindungsleitung durch diese hindurch
geführt werden, oben aus dieser austreten und dann an der Oberfläche der Obernlatte
entlang gefihrt werden. Die Abführung der Verbindungsleitung kann gleichzeitig als
Erhebung zum Positionieren der Druckzelle genutzt werden. nei Verwendung einer Grundnlatte
ist eine entsprechende Abführung nach unten möglich.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen die Figuren 1 und 2
beziehungsweise 1 und 3 als Prinzipskizzen. Nicht gezeichnet sind dabei die Vorrichtungen
zur Messung des Innendrucks und eventuelle Verbindungsleitungen zu diesen Vorrichtungen.
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In Figur 1 sieht man von oben auf die bewegliche Platte. Diese liegt
auf drei kreisförmigen Druckzellen auf. Figur 2 zeigt die Waage im Querschnitt.
Die bewegliche Platte wurde dabei schraffiert dargestellt. Sie liegt auf den Druckzellen,
und diese ruhen auf einer Bodenplatte.
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Die Mittelpunkte der einzelnen Druckzellen in Figur 1 sind gleichzeitig
die Schwerpunkte der jeweiligen Auflageflächen.
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Das gestrichelt gezeichnete Dreieck verbindet diese Schwerpunkte und
gibt damit die Grenzen der Wägefläche an. Der Schwerpunkt eines zu ieenden Körpers
muss sich oberhalb der Wägefläche befinden.
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In Figur 2 zeigt die be:!egliche Platte innerhalb der träge fläche
eine Erhebung. Diese soll den für die @ägung erlaubten Bereich markieren. Nimmt
man an, dass die Figuren 1 und 2 eine Personenwaage darstellen, so wird die Erhebung
eine darauf stehende Person veranlassen, ihren Schwerpunkt über der Wägefläche zu
halten.
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Die Figuren 1 und 3 bedeuten eine alternative Konstruktionsmöglichkeit.
Die bewegliche Platte wurde wieder gestrichelt dargestellt. Die bewegliche Platte
hat am Ort der Druckzellen nach unten herausragende Teile. Diesen jeweils gegenüber
liegend hat die Bodenplatte nach oben herausragende Teile.
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Die äussere Begrenzung der nach oben herausragenden Teile liegt innerhalb
diejenigen der nach unten herausragenden Teile der beweglichen Platte.
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Der äussere freie Teil der Wand der Druckzellen läuft oben horizontal
in die bewegliche Druckfläche ein. Gleichzeitig läuft er unten in den breiter innen
liegenden Rand des nach oben herausragenden Teils der Bodenplatte schräg von unten
ein. Bei geeigneter relativer Lage von oberem und unterem f<and verschwindet
die Ableitung der VertikaL;omponente der von der Wand der Druckzelle auf die bewegliche
Platte ausgeübten Randkraft nach dem Abstand zwischen Bodenplatte und beweglicher
Platte. Die Vertikalkomponente selbst verschwindet wegen des horizontalen Einlaufens
der and in die bewegliche Druckfläche.
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Diese Konstruktion ermöglicht eine besonders hohe Genauigkeit der
Wägung.