DE3316292A1

DE3316292A1 - Waegezelle

Info

Publication number: DE3316292A1
Application number: DE19833316292
Authority: DE
Inventors: Eugen 8706 Meilen Meier
Original assignee: Mettler Instrumente Ag 8606 Greifensee; Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Switzerland
Priority date: 1982-07-16
Filing date: 1983-05-04
Publication date: 1984-01-26
Also published as: GB8310592D0; CH656711A5; FR2530336A1; GB2124396A; FR2530336B1; DE8313214U1; JPS5914031U; US4497386A; GB2124396B; DE3316292C2

Description

Wägezelie

Die Erfindung betrifft eine Wägezelle mit einer Konsole, einem beweglichen Lastaufnehmer, der mittels einer aus elastischen Lenkern gebildeten Parallelführung mit der Konsole verbunden ist, einem wegarmen Messsystem und einem dem Messsystem vorgeschalteten elastischen Kraftübertragungsorgan.

Für den Einbau in Handels- und Industriewaagen bestimmte Wägezellen dieser Art sind beispielsweise aus der CH-PS 552 799 und aus der unter der Nr. 0 016 238 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung bekannt.

Die elastischen Lenker der Parallelführung einerseits und das elastische Kraftübertragungsorgan andererseits bilden zusammen zwei parallel geschaltete Federsysteme, auf welche sich die Wägelast nach Massgabe der für die einzelnen Federsysteme gewählten Federkonstanten verteilt. Der auf das Messsystem übertragene Anteil der Wägelast ergibt sich aus der Beziehung:

P = Q (1)

1 + c /c,
P k

wobei P - die am Messsystem wirkende Messkraft, Q= die am Lastaufnehmer wirkende Wägelast,

c = die Federkonstante der Parallelführung und c. = die Federkonstante des Kraftübertragungsorgans ist.

Bei den erwähnten bekannten Wägezellen sind diese Federsysteme nun so dimensioniert, dass die elastische Parallelführung den Hauptanteil der Wägelast aufnimmt, während der die Messkraft bildende restliche Anteil vom elastischen Kraftübertragungsorgan aufgenommen und auf das Messsystem übertragen wird. Das Verhältnis c /_c i_St dabei viel grös-

ser als 1, z.B. 100. Auf diese Weise lässt sich eine hebelfreie Lastuntersetzung erzielen.

Ein wesentlicher Nachteil dieses Konzepts liegte jedoch darin, dass die Messkraft in erheblichem Mass von den Federeigenschaften abhängt und ungleiche Aenderungen dieser Eigenschaften in den beiden Federsystemen, insbesondere in bezug auf Temperatureinflüsse und Kriecheffekte, zu fehlerhaften Messergebnissen führen können. Solche Abweichungen lassen sich zwar kompensieren, aber z.T. nur mit verhältnismassig grossem Aufwand. Um z.B. die Auswirkungen der Kriecheffekte zu vermeiden bzw. auf ein zulässiges Mass herabzusetzen, sind Massnahmen zu treffen, die bewirken, dass an beiden Federsystemen unter Last gleiche Materialdehnungsverhältnisse vorliegen. Zu diesem Zweck sind beispielsweise bei einer Ausführung gemäss einem früheren Vorschlag die Lenker und das Kraftübertragungsorgan, welche durchwegs aus Blattfedern mit örtlich konzentrierten Biegestellen bestehen, aus dem gleichen Material hergestellt und so dimensioniert, dass die durch eine Laständerung hervorgerufene BiegeSpannungsänderung an allen Biegestellen gleich ist. Die Herstellung solcher Federsysteme verlangt hohe Präzision, und auch an die Einspannung der elastischen Teile werden hohe Anforderungen gestellt.

Im übrigen sind mit einer Wägezelle, die zur Kraftumsetzung nur ein Parallel-Federsystem aufweist, lediglich Lastuntersetzungen möglich, d.h. für Lastübersetzungen müssen entsprechende Einrichtungen ausserhalb der Wägezelle zusätzlich vorgesehen werden.

Ein weiteres Problem stellt bei solchen Wägezellen die Ueberlast- bzw. Schocksicherung der Messzelle dar. Eine erste Schutzmassnahme bildet die elastische Ausführung des Kraftübertragungsorgans. Daneben ist es jedoch erforderlieh, einen mechanischen Anschlag für den beweglichen Teil

der Wägezelle vorzusehen. Besonders günstig ist es dabei, wenn dieser Anschlag möglichst nahe am Ende des Kraftübertragungsweges liegt, damit auch in den Lastaufnehmer eingeleitete Schockwellen vom Messsystem ferngehalten werden. Die Schwierigkeit besteht nun darin, bei den mitunter sehr kurzen Wegen des Lastaufnehmers einen Anschlag auf den Maximalwert der Messkraft sicher einzustellen. Unter ungünstigsten Umständen, insbesondere bei hartelastischen Parallelführungen, kann sich für den Weg des Lastaufnehmers ein so geringes, mit dem aussteuerbaren Weg des Messsystems vergleichbares Mass ergeben, dass eine Anschlagjustierung praktisch nicht mehr durchführbar ist.

Die Erfindung soll den Bau einer Wägezelle der eingangs genannten Art ermöglichen, bei der die in das Messsystem eingeleitete Messkraft von der Konstruktion der Parallelführung und den Materialeigenschaften der zugehörigen Lenker weitgehend unabhängig ist, bei der ferner günstigere Voraussetzungen für die Realisierung eines mechanischen Anschlags zur Sicherung des wegarmen Messsystems vorhanden sind und die ein breiteres Anwendungsgebiet hat.

Die erfindungsgemässe Lösung besteht darin, dass ein als Kraftumsetzer dienender, an der Konsole gelagerter Hebel an den Lastaufnehmer angeschlossen ist und dass ein Arm dieses Hebels mit einem Anschlag an der Konsole zusammenwirkt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das elastische Kraftübertragungsorgan eine biegeelastische Feder, welche einen für die Kraftumsetzung wirksamen Hebelarm bildet. Der Lastaufnehmer greift am starren Hebelarm an, während der elastische Hebelarm auf das Messsystem einwirkt.

Die Messkraft P ergibt sich nunmehr aus folgender Beziehung;

*	P	•	=	a b	:	O	".	1	§ -	1	k
									S	+ c /c
	b					P
— c k	a

(2)

wobei c'

a = die wirksame Länge des starren Hebelarmes und b die wirksame Länge des elastischen Hebelarmes ist.

Da für die Kraftumsetzung ein Hebel eingesetzt ist, kann die in die Parallelführung eingeleitete Kraft auf einen Bruchteil der Wägelast herabgesetzt werden (c <£: c ). Da-

P κ

durch vermindert sich der Term A = c /c', in Gleichung (2)

P k

und damit der Einfluss der veränderlichen Federeigenschaften auf die Messkraft P. Im Falle einer Lastuntersetzung Ia¹Cb) verstärkt sich dieser Effekt noch, so dass der Term A verschwindend klein wird und für die Messkraft folgende Näherungsformel gilt:

Ρ» ξ Q (1 - A) (3)

In weniger extremen Fällen genügen einfache, bekannte Massnahmen zur Kompensation der von den Federsystemen ausgehenden störenden Wirkungen. Unter diesen Umständen sind einfache und billige Konstruktionen für die Parallelführung anwendbar.

Für die Anschlagfunktion kann der Hebel einen zusätzlichen starren Hebelarm aufweisen, dessen wirksame Länge so gewählt wird, dass sich für das Zusammenwirken mit dem Anschlag ein genügend grosser Weg ergibt. Diese Lösung ist auch dann zu bevorzugen, wenn, wie im Falle einer Lastübersetzung, auf der Lastaufnehmerseite des Hebels genügend Weg für die Anschlagfunktion verfügbar wäre, da auf diese Weise der Anschlag für alle Einsatzmöglichkeiten der Wägezelle an der gleichen, für seine Schutzwirkung günstigsten Stelle an-

3r- geordnet werden kann.

Die erfindungsgemässe Lösung ermöglicht den Bau einer gegenüber äusseren Einflüssen unempfindlichen Wägezelle rr.it genauer und stabiler Darstellung der Messkraft über den ganzen Messbereich. Sie eignet sich für den Einsatz sowohl in Handels- und Industriewaagen als auch beispielsweise in Analysenwaagen. In einem breiten Anwendungsbereich ist dabei als einzige Variable nur die wirksame Länge des vom Lastaufnehmer beaufschlagten Hebelarmes der jeweiligen Nennlast anzupassen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Die Wägezelle weist eine Konsole 1 und einen beweglichen Lastaufnehmer 2 auf, welche durch eine elastische Parallelführung miteinander verbunden sind. Die Parallelführung wird gebildet aus in zwei Ebenen übereinander angeordneten Lenkern 3 in Form von Blattfedern, wobei in jeder Ebene zwei Lenker 3 vorgesehen sind. Jeder Lenker 3 besteht aus zwei Armen 4 und 5, die sich je von der Konsole 1 und dem Lastträger 2 aus in gleicher Richtung über den Lastträger 2 hinaus zu einer gemeinsamen, freischwebenden Verbindungsstelle erstrecken, welche hier durch einen für beide Lenker einer Ebene gemeinsamen Verbindungssteg 6 gebildet wird. In der Zeichnung sind die Lenkerarme der besseren Uebersicht wegen nicht in einer Ebene dargestellt. An der Ansatzstelle sind die beiden Arme 4 und die beiden Arme 5 je unter sich durch einen Verbindungssteg 7 bzw. 8 miteinander verbunden. Der Verbindungssteg 7 ist an der Konsole 1 und der Verbindungssteg 8 am Lastträger 2 befestigt.

Die Lenker 3 beider Ebenen sind je zusammen mit ihren Verbindungsstegen 6 bis 8 aus einem Stück hergestellt, vorzugsweise aus Blech gestanzt. Im vorliegenden Beispiel sind am gleichen Stanzstück auch noch zwei als mechanische Tiefpassfilter wirkende Blattfedern 9 ausgebildet, über welche

die Konsole 1 mit dem nicht dargestellten Gestell einer Waage verbunden wird.

Zum genauen Parallelstellen der Lenker können verschiedene Massnahmen getroffen werden. Bevorzugt wird eine Lösung,bei der je zwei übereinander angeordnete Lenker 3 an den freischwebenden Verbindungsstegen 6 durch ein in seiner Länge veränderliches Einstellorgan miteinander verbunden sind.

Als Einstellorgan dient im vorliegenden Beispiel eine lange Schraube 10, deren Kopf 11 auf dem oberen Verbindungssteg 6 aufliegt und deren mit Gewinde versehenes Ende 12 in den unteren Verbindungssteg 6 eingeschraubt ist. Durch eine Druckfeder 13 werden die beiden Verbindungsstege 6 auf Distanz gehalten. Bei der Prüfung der Wägezelle mit exzentrischer Belastung des Lastaufnehmers 2 ermöglicht diese Lösung eine Einstellung der Parallelführung.

An der Konsole 1 ist ein als Kraftumsetzer dienender, dreiarmiger Hebel 14 gelagert. Zur Lagerung des Hebels 14 ist ein Biegelager in Form einer Blattfeder 15 mit örtlich konzentrierter Biegestelle vorgesehen. Der kürzere, starre Hebelarm 16 ist über einen biegeelastischen Lenker 17 mit dem Lastaufnehmer 2 verbunden. Der längere Hebelarm 18 ist biegeelastisch; er bildet das elastische Kraftübertragungsorgan. Ein zweiter längerer Hebelarm 19 ist starr ausgebildet und trägt einen Anschlagbolzen 20, der durch eine den Schwenkweg des Anschlagbolzens 20 begrenzende Oeffnung 21 einer Anschlagplatte 22 ragt, welche an der Konsole 1 befestigt ist.

Das wegarme Messsystem ist ein Einsaitenschwinger bekannter Art, von dem in der Zeichnung nur die schwingende Saite 23 dargestellt ist. Die Saite 23 ist einerseits in einem Kopf 24 am freien Ende des elastischen Hebelarmes 18 und ander-

seits in einem Ansatz 25 an der Konsole 1 eingespannt.

Bei Belastung des Lastaufnehmers 2 mit der Wägelast Q erzeugt der elastische Hebelarm 18 an der Saite 23 die Messkraft P, entsprechend dem Längenverhältnis der Hebelarme 16 und 18. Dabei biegt sich der elastische Hebelarm 18 wegen der geringen Dehnung der belasteten Saite 23 durch, während der starre Hebelram 19 voll ausschwenkt, nach Massgabe der durch das Längenverhältnis der Hebelarme 16 und 19 erzielten Wegübersetzung.

Die Saite 23 ist normalerweise vorgespannt. Die dazu erforderliche Vorspannkraft kann entweder durch eine am Kopf 24 des elastischen Hebelarmes 18 angreifende Zug-Schraubenfeder oder durch eine zwischen dem elastischen Hebelarm 18 und der Konsole 1 eingelegte Biegefeder erzeugt werden.

Die Anschlaganordnung befindet sich beim letzten Glied der Kraftübertragung zum Messsystem. Zusammen mit dem elastischen Kraftübertragungsorgan 18 wird dadurch das Messsystem gegen Ueberlast- und Schockeinwirkungen optimal gesichert.

Der Hebel 14 mit seinen Hebelarmen 16, 18, 19 ist vorzugsweise einstückig ausgebildet, wobei z.B. die das Biegelager bildende Blattfeder 15 zwei Schenkel aufweist, die an seitliehen Schultern am Hebel 14 befestigt sind. Eine wirtschaftlich besonders günstige Lösung besteht darin, den Hebel als Druckgussteil aus einer Aluminiumlegierung herzustellen.

Andererseits besteht auch die Möglichkeit, den elastischen Hebelarm 18 aus einem anderen Material herzustellen als demjenigen des übrigen Hebelteils oder das elastische Kraftübertragungsorgan in anderer Form, z.B. in Form einer Schraubenfeder, als separaten Teil vorzusehen. Generell wird man aber aus den früher erwähnten Gründen bestrebt

sein, für das elastische Kraftübertragungsorgan das gleiche Material zu verwenden wie für die Lenker der Parallelführung, insbesondere in bezug auf die Temperaturabhängigkeit der mechanischen Materialeigenschaften.

δ Für die meisten Anwendungsfälle können jedoch die Parallelführung und der Hebel mit dem elastischen Kraftübertragungsorgan auf Grund der erfindungsgemässen Anordnung aus verhältnismässig billigem Material gefertigt werden, wobei auch ein gegebenenfalls höherer Temperaturkoeffizient des IvO Elastizitätsmoduls nicht in Betracht fällt.

Die beschriebene Wägezelle eignet sich auch für den Einsatz in Waagen mit hoher Nennlast. Für die Lastuntersetzung kann der Wägezelle eine elastisch gelagerte Brücke vorgeschaltet sein. Dabei bildet die elastische Lagerung zusammen mit der elastischen Aufhängung (Tiefpassfilter) der Wägezelle wiederum ein Parallelfedersystem, das die Auswirkung übermässiger mechanischer Beanspruchung auf die Wägezelle, und insbesondere auf das Messsystem, abschwächt. Durch geeignete Wahl des Materials für diese beiden Federsysteme können die materialbedingten Störfaktoren in bekannter Weise weitgehend kompensiert werden.

Abschliessend sei noch darauf hingewiesen, dass die in der 5 Zeichnung gewählte Darstellung von Konsole 1 und Lastaufnehmer 2 sowie der Lenker 3 zur Verdeutlichung der einzelnen Lenkerarme dient. Real weisen die Konsole 1 und der Lastaufnehmer 2 die gleiche Höhe auf, und alle einander entsprechenden Lenkerarme (4; 5; 9) sind stets parallel zueinander.

Claims

Patentanwälte

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Mettler Instrumente AG, 3606 Greifensee/Schweiz

Patentansprüche

4. Mai 19S3

Iy Wägezelle mit einer Konsole (1), einem beweglichen Lastaufnehmer (2), der mittels einer aus elastischen Lenkern (3) gebildeten Parallelführung mit der Konsole verbunden ist, einem wegarmen Messsystem (23) und einem dem Messsystem vorgeschalteten elastischen Kraftübertragungsorgan (18), dadurch gekennzeichnet, dass ein als Kraftumsetzer dienender, an der Konsole (1) gelagerter Hebel

(14) an den Lastaufnehmer (2) angeschlossen ist und dass ein Arm (19) dieses Hebels mit einem Anschlag (22) an der Konsole (1) zusammenwirkt.

2. Wägezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Kraftübertragungsorgan eine biegeelastische Feder (18) ist und einen für die Kraftumsetzung wirksamen Hebelarm bildet.

3. Wägezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (14) mit der biegeelastischen Feder (18) einstückig ausgebildet ist.

4. Wägezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die biegeelastische Feder (18) aus einem Material besteht, das in bezug auf die Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften wenigstens annähernd dem Material gleich ist, aus dem die Lenker (3) der Parallelführung bestehen.

5. Wägezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (14) ein aus einer Aluminiumlegierung bestehender Druckgussteil ist.

6. Wägezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

zur Lagerung des Hebels (14) ein Biegelager (15) vorgesehen ist.

7. Wägezel.le nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (19) und die biegeelastische Feder
(18) sich im wesentlichen parallel zueinander erstrekken und auf derselben Seite des Hebels (14) angeordnet sind.