DE3438498C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein komplexes Meßelement mit Dehnungsmeßstreifen für eine Kraftmeßzelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Meßelement enthält dabei mindestens vier Dehnungsmeßstreifen, deren Signale dann durch Einschalten der Meßstreifen in eine Wheatstone'sche-Brücke weiterverarbeitet werden können.

Aus der US-PS 34 33 064 ist eine solche gattungsgemäße Kraftmeßvorrichtung bekannt. Ebenso wie bei dem erfindungsgemäßen Gegenstand wird der Kraftfluß bei Überlast kurzgeschlossen, d. h. er läuft dann nicht mehr über die nachgiebigen und schwachen Stege der Kraftmeßeinrichtung, in denen die Kraft mittels Dehnungsmeßstreifen erfaßt wird. Bei dieser Kraftmeßvorrichtung wird jedoch bis zum Erreichen der Überlast die gesamte zu messende Lastkraft von der Kraftmeß­ vorrichtung direkt über deren nachgiebige Stege übertragen.

Eine weitere derartige Kraftmeßvorrichtung ist aus der DE-AS 11 53 917 bekannt.

Meßelemente mit Dehnungsmeßstreifen bzw. Kraftmeßzellen, die diese Meßelemente enthalten, sind im allgemeinen für Meßbereiche von 5 N-10 MN vorgesehen und so hergestellt, daß die erreichbare Meßgenauigkeit 0,03-0,5 ist. Kraftmeßzellen der erwähnten Art werden in breitem Maße in aller Welt herge­ stellt. In den letzten Jahrzehnten sind aber die Ansprüche an eine genauere Messung größer geworden, was auf eine wirtschaftliche Produktion, die Automati­ sierung bzw. auf die Entwicklung der Regelungstechnik zurückgeführt werden kann, was natürlich sinngemäß den Bedarf an genaueren Meßumformern mit sich brachte. Leider können diese an die erhöhte Genauigkeit gestellten Forderungen nur mit recht wenigen Kraftmeßzellen erfüllt werden; auch diese sind nur in dem Mittelbe­ reich des Meßbereichs verwendbar. Der Grund dafür liegt darin, daß die bekannten Kraftmeßzellen so ausgestaltet sind, daß die Stelle, an der unter der Kraftwirkung die größte Spannung hervorgerufen wird, gleichzeitig die Stelle ist, die auch der größten Belastung ausgesetzt ist. Es ist wohlbekannt, daß die Kraftmeßzellen viel bessere relative Parameter zeigen als die angegebene Spezifikation (so z. B. Linearität, Wiederholgenauigkeit), wenn nur ein Teil des Meßbereichs ausgenutzt wird. Die Erklärung dieser Erscheinung kann auf zwei Ursachen zurückgeführt werden. Einerseits ist dann das Material wesentlich geringer beansprucht als an der Elastizitätsgrenze und andererseits stellt sich, wenn die Kraftmeßzelle einer starken mechanischen Belastung ausgesetzt ist, oft eine Deformation ein, die auf die Beanspruchung zurückwirkt, bzw. weist die Zelle irgendeinen eigenartigen, sich aus der Gestaltung ergebenden tendenziösen Fehler auf. In solchen Fällen kann die Fehlerkurve eigentlich als monoton betrachtet werden, d. h. sie weist keinen Wendepunkt auf. Wird nun ein Teil davon verwendet, kann man verhältnismäßig ge­ nauer messen. Da aber in dem letzteren Fall nur kleinere Ausgangssignale gemessen werden können, müssen höchstpräzise signalverarbeitende elektronische Schaltungen angewandt werden.

Kraftmeßzellen weisen auch ständige Fehler auf. Als solche sollen z. B. der Nullfehler oder die Temperaturabhängigkeit erwähnt werden. Bei einem kleinen Signal erscheinen diese Fehler als größere relative Fehler, was ebenfalls recht nachteilig ist. Der durch die Hysterese der Kraftmeßzelle hervorgerufene Fehler kann ein relativer oder absoluter Fehler sein, und zwar abhängig davon, ob er aus der inneren Reibung des Materials oder aus der Reibung von miteinander im Kontakt stehenden (z. B. kraftzuführenden) Elementen resultiert. Demnach sind die gegenwärtig bekannten Kraftmeßzellen so gestaltet, daß nach einer möglichst geringen Belastung, gleichzeitig aber nach einem möglichst großen erreichbaren Ausgangssignal gestrebt wird. Die Ausgestaltung einer Meßzelle ist immer ein Er­ folg eines Kompromisses zwischen den beiden erwähnten Parametern.

Die Erfindung löst die Aufgabe, ein gattungsgemäßes komplexes Meßelement für Kraftmeßzellen zu schaffen, mit dem die erwähnten Mangelhaftigkeiten so vermieden werden, daß die Messung an der Stelle der höchsten Spannung durchgeführt wird, und zwar derart, daß die beiden einander im wesentlichen widersprechenden oben erwähnten Forderungen miteinander verknüpft werden, indem in dem lasttragenden Hauptelement des Meßelements die mechanische Spannung niedrig gehalten wird und das hohe Ausgangssignal durch eine hohe mechanische Spannung erreicht wird, die in einem an das lasttragede Haupt­ element angeschlossenen, wesentlich kleineren, zwangsdeformierten Meßsteg entsteht.

Dies wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruchs 1 beschriebenen Merkmale erreicht.

Auf diese Weise ist die Deformation des lasttragenden Hauptelements linear und weitgehend stabil, die dann dem wesentlich kleineren Meßsteg aufgezwungen wird, auf dem auch die Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind. Die Lösung, die voll­ ständig im Gegensatz zu den üblichen, auf minimale Abmessungen gerichteten Planungsbestrebungen steht, wurde im Interesse einer erhöhten Genauigkeit ent­ wickelt.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen komplexen Meßelements liegen daher darin, daß es auch bei der dynamischen Belastung mit hoher Genauigkeit mißt, richtungs­ unempfindlich ist, und bei ihnen keine Möglichkeit zur Überlastung gegeben ist, weil bei einem eventuellen Bruch der Meßstege sich die Belastung des lasttragen­ den Hauptelements kaum ändert.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen komp­ lexen Meßelements ist zwischen den Stützstegen und der Kraftangriffs­ fläche eine geeignet dicke parallele Flachplatte angeordnet.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen komp­ lexen Meßelements kann dadurch gekennzeichnet werden, daß der Grund­ körper mit einem zum Einspannen geeigneten Vorsprung versehen ist, wodurch Zug und Druck gleicherweise gemessen werden können.

So besteht gegenüber den bekannten Lösungen der Unterschied, daß die Dehnungsmeßstreifen nicht auf das lasttragenden Hauptelement aufge­ klebt sind, sondern auf gesonderte, aber mit demselben in einer Zwangs­ deformationsverbindung stehende Meßstege aufgeklebt werden, in denen die mechanische Spannung dem Mehrfachen der im lasttragenden Haupt­ element entstehenden Spannung entspricht.

Das erfindungsgemäße Meßelement wird anhand einiger vorteilhafter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläu­ tert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem im wesentlichen das Prinzip des erfindungsgemäßen komplexen Meß­ elements beobachtet werden kann,

Fig. 2 die Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das zweck­ mäßig zur Messung einer Belastung unter 1 Tonne geeignet ist,

Fig. 3 die Ansicht einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 4 die Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das sowohl auf Zug wie auch auf Druck beansprucht werden kann,

Fig. 5 den Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 4 und

Fig. 6 den axialen Schnitt des Meßelements aus Fig. 4.

Aus Fig. 1 sind die wesentlichen Merkmale eines Meßelementes wenigstens schematisch ersichtlich. Der Grundkörper 4 des Meßelementes ist als hohles Rechteckprisma mit einer geschlossenen Bodenwandung, einer geschlossenen Deckenwandung und zwei parallelen Seitenwandungen ausgebildet. Die Deckenwandung hat an den den Seiten­ wandungen benachbarten Seitenrändern eine geringere Wandstärke als diejenige der Bodenwandung und geht an der Innenseite über abgerundete Hohlkehlen in die Seitenwandungen über. In Höhe dieser Hohlkehlen ist in den Seitenwandungen eine parallel zur Deckenwandung verlaufende, lang­ lochförmige Aussparung mit abgerundeten Enden ausgebildet. Dadurch entstehen in den der Deckenwandung benachbarten Enden der Seitenrän­ der der Seitenwandungen insgesamt vier zur Achse des Meßelementes, die durch den geometrischen Mittelpunkt der rechteckigen Deckenwan­ dung verläuft, rotationssymmetrisch angeordnete Stützstege 1, über wel­ che die Deckenwandung an den Seitenwandungen abgestützt ist.

Am unteren Ende der Hohlkehlen, das mit der unteren Begrenzungsfläche der langlochartigen Aussparungen zusammenfällt, wird von den Seiten­ wandungen in deren Mittelbereich ein nach innen ragender Ansatz gebil­ det, wobei die Innenflächen 8 der Ansätze parallel zueinander senkrecht zu der Deckenwand und der Bodenwand des Grundkörpers 4 verlaufen. Von der Unterkante der Ansätze aus gehen die Seitenwände ebenfalls über eine abgerundete Hohlkehle in die Bodenwandung über.

In der Mitte der Oberseite der Deckenwandung ist diese podestartig ver­ dickt, wobei die Seitenwangen der Verdickung über Abrundungen in die Oberseite der den Seitenwandungen benachbarten Seitenränder der Deckenwandung übergehen. Von der Oberseite der Verdickung wird die Kraftangriffsfläche 6 gebildet, die senkrecht zu der genannten Achse des Meßelementes verläuft. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Ver­ bindung zwischen den parallel zu der Richtung der auf die Kraftangriffs­ fläche 6 einwirkenden Kraft ausgerichteten Stützstegen 1 und der Kraft­ angriffsfläche 6 auch anders gestaltet sein kann, als am Beispiel der Fig. 1 beschrieben.

Unter der Kraftangriffsfläche 6 sitzt an der Unterseite der Deckenwan­ dung ein als Rechteckprisma ausgebildeter massiver Klotz 2, dessen ver­ tikale Achse mit der Achse des Meßelementes zusammenfällt und der über seitliche Hohlkehlen in die Deckenwandung übergeht. Seine Seiten­ flächen verlaufen parallel zu den Innenflächen 8 der seitlichen Ansätze der Seitenwandungen. Zwischen der Unterseite des Klotzes 2, die parallel zu der Bodenwandung des Grundkörpers 4 verläuft, und der Bodenwan­ dung bzw. einem auf deren Oberseite ausgebildeten, nach oben ragenden Sockel ist ein Spalt 7 ausgebildet. Die Weite des Spaltes 7 muß wenigstens so groß sein wie die maximale Auslenkung der Kraftangriffs­ fläche 6 und daher die maximale Verschiebung des Klotzes 2 unter Krafteinwirkung. Durch eine entsprechende Spaltweite kann die maxi­ male Verformung der Deckenwandung zum Schutz gegen eine Zerstörung des Meßelementes unter einer übermäßigen Krafteinwirkung auf einen zulässigen Wert begrenzt werden.

Der Klotz 2 ist mit den Seitenwandungen des Grundkörpers 4 über je­ weils einen plattenförmigen Meßsteg 3 verbunden, der in der die Achse des Meßelementes enthaltenden Ebene zwischen den Seitenflächen des Klotzes 2 und den Innenflächen 8 der Seitenwandungen angeordnet ist. Die beiden Meßstege 3, deren oberer und unterer Stirnrand ausgerundet ist, dienen zur Übertragung der Verschiebungsgröße des Klotzes 2 auf­ grund der auf die Kraftangriffsfläche 6 einwirkenden Kraft über eine entsprechende, in den Meßstegen 3 erzeugte Spannung auf Dehnungsmeß­ streifen. Jeweils ein Dehnungsmeßstreifen 5 (Fig. 3) ist auf jeder Seite der Meßstege 3 in der Hauptspannungsrichtung angeordnet, so daß insge­ samt vier Dehnungsmeßstreifen 5 vorhanden sind, die in an sich be­ kannter Weise in eine Wheatstone-Brücke eingeschaltet werden. In der Meßbrücke wird das Ausgangssignal des Meßelementes so umgeformt, daß das Ausgangssignal der Brücke zu der Kraft bzw. Belastung proportional ist.

Der Vorteil der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besteht darin, daß das Meßelement - da die parallel zur Kraftrichtung angeordneten Stützstege 1 verhältnismäßig weit im Abstand voneinander angeordnet sind -, weitgehend stabil und ziemlich richtungsunempfindlich ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform weist im wesentlichen einen ähnlichen Aufbau wie die aus Fig. 1 auf; sie kann lediglich bei kleineren Meßbereichen verwendet werden, da die Stützstege 1 auf eine wesentlich kleinere Belastung dimensioniert und daher viel dünner sind.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Bei dieser Ausführungs­ form ist ein zylindrischer Grundkörper 4 vorgesehen; im übrigen stimmt sie jedoch mit den vorerwähnten Ausführungsformen grundsätzlich über­ ein.

Aus den Fig. 4, 5 und 6 ist eine Ausführungsform ersichtlich, bei welcher das Meßelement sowohl auf Zug als auch auf Druck beansprucht werden kann, da sowohl an der Oberseite als auch der Unterseite des Grundkör­ pers 4 ein zum Einspannen geeigneter Zapfen 9 ausgebildet ist. Ein der­ artiges Meßelement kann z. B. in Zugprüfmaschinen eingespannt werden, wo die Elemente sowohl auf Zug als auch auf Druck geprüft werden können.

Für die dargestellten Ausführungsformen ist aus der Zeichnung ein­ deutig ersichtlich, daß das Meßelement so ausgebildet ist, daß im Falle, daß einer oder beide Meßstege 3 infolge irgendwelches Schadhaftwerdens zerreißt oder zerbricht, die Belastung des lasttragen­ den Hauptelementes 6 sich nicht wesentlich ändert. Die in weitem Abstand voneinander angeordneten Stützstege 1 gewähr­ leisten eine hochgradige Stabilität für das ganze System.

Bei der Verwendung des Meßelementes können die lasttragenden Hauptelemente - innerhalb der Grenzen der technischen Möglichkeiten - überdimensioniert werden, da nur ihre Deformation von Bedeutung ist. Daher kann auch bei großen Meßbereichen der Schutz gegen Bruch realisiert werden, weil die als Fühler verwendeten Deh­ nungsmeßstreifen zwar an der Stelle der höchsten Spannung nicht aber an der Stelle der größten Belastung angeordnet sind. Der Schutz wird durch die Gestaltung des Grundkörpers 4, der Stützstege 1, der Kraftan­ griffsfläche 6 und deren gegenseitigen Verbindung erreicht. Eine weitere Garantie wird dadurch gewährleistet, daß zwischen den Stützstegen 1, der Kraftangriffsfläche 6 und dem Grundkörper 4 eine Deformationsver­ bindung über die dazwischen liegenden zwangsdeformierten Meßstege 3 besteht. Sogar dann, wenn der Teil hoher mechanischer Spannung aus dem Meßelement entfernt wird, wird die Deformation sich nicht auf das Doppelte erhöhen und auch die Belastungsfähigkeit wird nicht bedeutend abnehmen.

Claims (3)

1. Komplexes Meßelement mit Dehnungsmeßstreifen für eine Kraftmeßzelle, mit einem Grundkörper und mit mindestens vier Dehnungsmeßstreifen, wobei in den parallelen Wänden des hohlen Grundkörpers axialsymmetrisch vier Stützstege angeordnet sind, die an eine zu der Ebene des Grundkörpers parallel verlaufende Kraftangriffsfläche angeschlossen sind, der Kraftangriffsfläche ein in der Achse des Meßelements angeordneter, in den Hohlraum des Grundkörpers hineinragender Klotz zugeordnet ist und zwischen dem Klotz und der Innenseite der Bodenwandung des Grundkörpers ein Spalt ausgebildet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Klotz (2) und den beiden parallelen Innenseiten (8) der den Hohlraum des Grundkörpers (4) begrenzenden Seitenwandungen je ein den Klotz mit den Seitenwandungen verbindender, die höchste Spannung auf­ nehmender, jedoch der Belastung nur mittelbar ausgesetzter Meßsteg (3) angeordnet ist, an dessen beiden Seiten wenigstens je ein Dehnungsmeßstreifen (5) in der Spannungsrichtung angeordnet ist.

2. Komplexes Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stützstegen (1) und der Kraftangriffsfläche (6) eine pa­ rallele Flachplatte geeigneter Dicke ausgebildet ist.

3. Komplexes Meßelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Grundkörper (4) mit einem zum Einspannen geeigneten Vorsprung (9) versehen ist, wodurch Zug und Druck gleicherweise ge­ messen werden können.