DE3705471A1 - Force-measuring device - Google Patents
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- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
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Abstract
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftmessgerät zur Messung von Lasten, mit mindestens einem als Kraftwandler ausgebildeten Messkörper und wenigstens einem mit dem Messkörper gekoppelten Kraftmesselement, welches an eine Auswerte- und Anzeigevorrichtung anschliessbar ist.The invention relates to a force measuring device for measuring loads, with at least one as Force transducer trained measuring body and at least a force measuring element coupled to the measuring body, which to an evaluation and display device can be connected.
Das Messen von kleinen bis mittleren Kräften, von Bruchteilen von Gramm bis wenigen Kilogrammen, erfolgt oft mittels Kraft- resp. Wegaufnehmern, welche auf verschiedensten physikalischen Effekten basieren, erfahrungsgemäss aber sehr empfindlich und für grosse Kräfte ungeeignet sind. Grosse Kräfte können daher praktisch nur noch durch mechanische Hebel oder Feder waagen gemessen werden, allerdings mit zum Teil einge schränkter Genauigkeit.Measuring small to medium forces, from fractions of a gram to a few kilograms, is often done by force or Displacement sensors, which based on various physical effects, Experience has shown that it is very sensitive and for large ones Forces are unsuitable. Large forces can therefore practically only by mechanical levers or springs scales are measured, but with some turned on limited accuracy.
Es versteht sich von selbst, dass ein vordring liches Interesse besteht, grosse Kräfte, insbesondere solche bis zu mehreren Tonnen, einfach, schnell und vor allem präzise zu erfassen. Die Aufgabe der vorliegen den Erfindung besteht darin, ein Gerät zu schaffen, mit welchem auch solch grosse Kräfte mit hoher Genauig keit gemessen werden können.It goes without saying that an advancement there is great interest, especially those up to several tons, simple, fast and above all, to capture precisely. The task of the present the invention is to provide a device with which even such large forces with high accuracy can be measured.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Kraftmessgerät der eingangs definierten Art erfindungs gemäss dadurch, dass der Messkörper ein im elastischen Bereich verformbarer Körper ist und dass das Kraftmess element derart mit dem Messkörper gekoppelt ist, dass eine unter der zu messenden Kraft in zur Belastungs richtung verschiedener Richtung erfolgende, zur Kraft proportionale elastische Verformung des Messkörpers zur Einwirkung auf das Messelement gelangt.This problem is solved by one Force measuring device of the type defined at the outset according to that the measuring body is elastic Area is deformable body and that the force measurement element is coupled to the measuring body in this way, that one under the force to be measured in for stress Direction of different directions, towards strength proportional elastic deformation of the measuring body affects the measuring element.
Vorzugsweise ist dabei das Kraftmesselement senkrecht zur Belastungsrichtung mit dem Messkörper gekoppelt, so dass die durch die Belastung hervorgeru fene Querdehnung bzw. Querkontraktion des Messkörpers auf das Kraftmesselement einwirkt. Damit wird es erstmals möglich, auch für hohe Lasten äusserst genaue Kraftmesselemente direkt, d. h. ohne zwischengeschaltete Hebelanordnung einzusetzen.Preferably, the force measuring element is perpendicular to the load direction with the measuring body coupled, so that caused by the load Open transverse expansion or contraction of the measuring body acts on the force measuring element. So it will possible for the first time, extremely accurate even for high loads Force measuring elements directly, d. H. without intermediary Use lever arrangement.
Vorzugsweise findet beim Erfindungsgegenstand die Ausnützung der im elastischen Verformungsbereich des Messkörpermaterials zur Kraft proportionale Querdeh nung bzw. Querkontraktion Anwendung. Durch die Ausnützung der zur Belastungsrichtung senkrecht stehenden Verformung des Messkörpers, welche um einen konstanten Faktor, der Poisson′schen Querkontraktionszahl, kleiner ist als jene in Belastungsrichtung, wird eine Kraftumlenkung und Kraftuntersetzung ohne Hebelzwischenschaltung erreicht. Diese Kraftuntersetzung lässt sich durch verschiedene Parameter, insbesondere durch die Wahl der Abmessungen der äusseren Auflageflächen des Messkör pers sowie deren Abstand untereinander, resp. des Durchmessers bei ringförmiger Gestaltung, den geometri schen Abmessungen des Kraftelementes sowie den elasti schen Materialkenndaten (Elastizitätsmodul und Quer kontraktionszahl) des Messkörpers und des Kraftelementes, wie auch eines allfällig dazwischenliegenden Verbindungs- bzw. Kupplungselementes, praktisch beliebig einstellen und den gewünschten Anforderungen anpassen.Preferably takes place in the subject of the invention the exploitation of the elastic deformation area of the measuring body material transverse force proportional to the force application or cross contraction. By exploitation the deformation perpendicular to the direction of loading of the measuring body, which by a constant factor, Poisson's transverse contraction number is smaller than that in the direction of loading becomes a force redirection and power reduction without lever interposition reached. This power reduction can be carried out different parameters, especially by choice the dimensions of the outer contact surfaces of the measuring body pers and their distance from each other, respectively. of Diameter with a ring-shaped design, the geometri the dimensions of the force element and the elastic material characteristics (modulus of elasticity and cross contraction number) of the measuring body and the force element, as well as any intermediate connection or coupling element, set practically any and adapt to the desired requirements.
Damit erreicht man den Vorteil, dass beispiels weise eine Baureihe von Kraftmessgeräten für verschiede ne Lastspektren mit einem einzigen Kraftmesselement aufgestellt werden kann. Auch kann hiermit beispiels weise ein Kraftmessgerätetyp mit den Bedürfnissen entsprechend unterschiedlichen Genauigkeiten bei gleichem Lastspektrum durch unterschiedlich exakte und damit auch kostenmässig verschiedene Kraftmess elemente angeboten werden.This gives the advantage that, for example as a series of force measuring devices for various ne load spectra with a single force measuring element can be set up. It can also be used as an example a type of force measuring device with the needs according to different accuracies same load spectrum due to different exact and thus also different force measurements in terms of cost elements are offered.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Gerätes liegt in seiner geringen Bauhöhe (in Richtung der Belastung). Es ergibt sich somit eine grössere Freiheit in Bezug auf die geometrischen Abmessungen des Gerätes. Mit relativ kleinen Volumen u. U. hochwerti gen und teuren Materialien können grosse Kräfte auf einfachste Weise gemessen werden.Another advantage of the invention Device is in its low height (in the direction the load). The result is a larger one Freedom in terms of geometric dimensions of the device. With relatively small volume u. U. high quality High and expensive materials can be very powerful easiest way to be measured.
Ebenfalls besteht in der Materialwahl des Messkörpers eine grosse Freiheit. Vorzugsweise werden Materialien verwendet, deren elastische Kraft-Weg-Kenn linie über einen gewissen Bereich linear verläuft, wie beispielsweise Metalle, Keramik-Werkstoffe usw. Geeignet sind insbesondere Materialien mit ausserordent lich guten Federeigenschaften (geringe elastische Nachwirkungen; Hysterese).There is also a choice of materials for the Measuring body a great freedom. Preferably be Materials used, the elastic force-displacement characteristic line is linear over a certain area, such as metals, ceramics, etc. Materials with extraordinary are particularly suitable Lich good spring properties (low elastic Aftermath; Hysteresis).
Für bestimmte Anwendungen, d.h. bei geeigneter Auswahl des Kraftmesselementes, lässt sich das Gerät erfindungsgemäss auch so gestalten, dass der Messkörper als Federkörper ausgebildet ist, welcher sich in zur Belastung verschiedener Richtung entsprechend zur Grösse der Belastung elastisch verbiegt, und diese Deformation auf das mit dem Messkörper gekoppelte Kraftmesselement einwirkt.For certain applications, i.e. if more suitable Selection of the force measuring element, the device can According to the invention also design so that the measuring body is designed as a spring body, which is in corresponding to the load of different directions bends elastically to the size of the load, and this deformation to that coupled to the measuring body Force measuring element acts.
Hier wird nicht auf die Querdehnung bzw. Querkontraktion schlechthin abgestellt, sondern auf die elastische Verbiegung des Messkörpers.Here, the transverse expansion or Transverse contraction parallely turned off, but on the elastic bending of the measuring body.
Vorzugsweise ist ein solches Gerät so ausgebil det, dass mindestens zwei Federkörper sich gegenüber liegend unter der Lastaufnahmefläche vorgesehen sind und dass das z. B. als Resonator ausgebildete Kraftmess element sich zwischen diesen Körpern erstreckend angeordnet ist.Such a device is preferably designed in this way det that at least two spring bodies face each other are provided lying under the load bearing surface and that the z. B. designed as a resonator force measuring element extending between these bodies is arranged.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen noch etwas näher erläutert. Es zeigt:The invention is described below with reference to embodiments shown in the drawings explained in more detail. It shows:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein zweiteiliges, rechteckförmiges Kraftmessgerät mit geklemmtem Kraftmess element; Figure 1 shows a cross section through a two-part, rectangular force measuring device with a clamped force measuring element.
Fig. 2 die perspektivische Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Kraftmessgerätes; FIG. 2 shows the perspective view of the force measuring device shown in FIG. 1;
Fig. 3 den Querschnitt eines mehrteiligen, runden Kraftmessgerätes mit zwei Kraftmesselementen; Figure 3 shows the cross-section of a multi-part circular force gauge with two force measuring elements.
Fig. 4 den axialen Querschnitt des Kraftmess gerätes von Fig. 3; Fig. 4 shows the axial cross section of the force measuring device of Fig. 3;
Fig. 5 und 6 eine rein schematische Anordnung eines Differential-Kraftmesselementes mit Temperatur kompensation;Compensation Figures 5 and 6 a purely schematic arrangement of a differential force measuring element with temperature.
Fig. 7 eine besonders einfache Ausführungsform eines erfindungsgemässen Gerätes; und FIG. 7 shows a particularly simple embodiment of an inventive apparatus; and
Fig. 8 den Querschnitt durch ein Kraftmessgerät mit als Federkörper ausgebildetem Messkörper. Fig. 8 is a cross section through a force measuring device by qualified as a spring body measuring body.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein zweiteiliges Kraftmessgerät gemäss der Erfindung. Der eigentliche Messkörper 1 besteht aus einem Oberteil 1 a und einem mit diesem identischen Unterteil 1 b, wobei beide Teile im wesentlichen rechteckförmig ausgestaltet sind und sowohl auf der Aussen- wie der Innenseite erhöhte Nocken 3 bzw. 4 mit äusseren Auflageflächen 3′ für die Krafteinleitung bzw. inneren Auflageflächen 4′ zum Einklemmen eines Kraftmesselemen tes 2 aufweisen. Die freien Schenkel 5 der Messkörper teile 1 a bzw. 1 b weisen Durchgänge 6 für Verbindungs elemente 7, in diesem Falle Stiftschrauben mit Muttern 7′ auf. Die Nocken 3 resp. 4 liegen in einer Linie zur Kraftwirkung, durch die Pfeile markiert, übereinan der. Fig. 1 shows a cross section through a two-part force measuring apparatus according to the invention. The actual measuring body 1 consists of an upper part 1 a and a lower part 1 b identical to this, both parts being essentially rectangular and both on the outside and on the inside raised cams 3 and 4 with outer contact surfaces 3 'for the application of force or inner bearing surfaces 4 'for clamping a Kraftmesselemen tes 2 have. The free legs 5 of the measuring body parts 1 a and 1 b have passages 6 for connecting elements 7 , in this case studs with nuts 7 '. The cams 3 respectively. 4 lie in a line to the force effect, marked by the arrows, one above the other.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des in Fig. 1 beschriebenen Kraftmessgerätes. Die Dicke des Kraftmesselementes 2 ist zur besseren Dar stellung nicht massstäblich vergrössert gezeichnet (im Vergleich zur Messkörperabmessung). FIG. 2 shows a perspective view of the force measuring device described in FIG. 1. The thickness of the force measuring element 2 is not drawn to scale for a better illustration (in comparison to the measuring body dimension).
Ein zylindrisches Kraftmessgerät mit zwei zueinander senkrecht stehenden Kraftmesselementen 2 a, 2 b ist in den Fig. 3 und 4 schematisch dargestellt. Der Messkörper ist mehrteilig aufgebaut, bestehend aus Oberteil 1 a und Unterteil 1 b. Das letztere ist mit Stegen 8 zur Anordnung und Befestigung der Kraftmess elemente 2 a und 2 b versehen.A cylindrical force measuring device with two mutually perpendicular force measuring elements 2 a , 2 b is shown schematically in FIGS. 3 and 4. The measuring body is made up of several parts, consisting of upper part 1 a and lower part 1 b . The latter is provided with webs 8 for the arrangement and attachment of the force measuring elements 2 a and 2 b .
Im axialen Querschnitt nach Fig. 4 des vorste hend beschriebenen Kraftmessgerätes sind die beiden senkrecht zueinander angeordneten Kraftmesselemente 2 a und 2 b vorzugsweise auf die Stege 8 geklebt oder auf andere geeignete Weise daran befestigt.In the axial cross-section according to FIG. 4 of the force measuring device described above, the two force measuring elements 2 a and 2 b arranged perpendicular to one another are preferably glued to the webs 8 or fastened to it in another suitable manner.
Aus den Fig. 5 und 6 geht ein Kraftmessgerät hervor, bei welchem zur Berücksichtigung von thermisch bedingten Materialausdehnungen zwei gleiche Kraftmess elemente 2, 2′ angeordnet sind. Damit können unterschied liche thermische Ausdehnungen (und weitere Umgebungsein flüsse) der Messkörper und der Kraftmesselemente automatisch bei der Messung berücksichtigt werden. . 5 and 6 shows a force gauge of Figures, in which, to take account of thermally induced material expansion two equal force measuring elements 2, 2 are arranged '. Different thermal expansions (and other environmental influences) of the measuring body and the force measuring elements can thus be automatically taken into account during the measurement.
Bei den bisher beschriebenen Messgeräten wird die Querdehnung bzw. Querkontraktion der Messkör per unter der zu messenden Last K auf die Kraftmessele mente zur Einwirkung gebracht und über die elektronische Messeinrichtung (nicht dargestellt) die Kraft ermittelt. Dies erfolgt gegebenenfalls durch Addition der verschie denen Messwerte (bei mehreren Kraftmesselementen).In the measuring devices described so far, the transverse expansion or contraction of the measuring bodies is brought into effect by the load K to be measured on the force measuring elements and the force is determined via the electronic measuring device (not shown). If necessary, this is done by adding the various measured values (in the case of several force measuring elements).
Diese Ausführungsform eignet sich speziell zur Messung hoher Kräfte mittels Resonatoren, insbeson dere Quarzresonatoren als Kraftmesselemente, womit eine ausserordentlich hohe Messgenauigkeit erzielt wird.This embodiment is particularly suitable for measuring high forces using resonators, in particular quartz resonators as force measuring elements, with which achieved an extraordinarily high measuring accuracy becomes.
Die elektronischen Schaltungen zur Ermittlung und Anzeige der gemessenen, auf die Resonatoren einwir kenden Kräfte sind grundsätzlich gleich aufgebaut wie bei den bisher bekannten Präzisionsmessgeräten für kleine Lasten und brauchen deshalb an dieser Stelle nicht näher erläutert zu werden.The electronic circuits for identification and display of the measured effects on the resonators kending forces are basically the same as with the previously known precision measuring devices for small loads and therefore need them Do not be explained in more detail.
Eine besonders einfache Ausführungsform des Kraftmessgerätes ist schematisch in Fig. 7 gezeigt.A particularly simple embodiment of the force measuring device is shown schematically in FIG. 7.
Die zu messende Kraft greift dabei nur über einem Ende des Kraftmesselementes 2 an und lässt die unter dieser Kraft entstehende Querkontraktion auf das Messelement einwirken. Der Messkörper 1(ein- oder mehrteilig) hält selbstverständlich auch das andere Ende des Kraftmesselementes fest, damit das Messelement 2 (Resonator) wirksam belastet werden kann.The force to be measured acts only over one end of the force measuring element 2 and allows the transverse contraction arising under this force to act on the measuring element. The measuring body 1 (one or more parts) naturally also holds the other end of the force measuring element so that the measuring element 2 (resonator) can be effectively loaded.
Fig. 8 zeigt den Querschnitt durch ein anders aufgebautes Kraftmessgerät, nämlich ein solches, dessen Messkörper als Federelemente 9 ausgebildet ist, welche durch die beiden Krafteinleitplatten 10 und 11 gehalten und positioniert werden. Das Kraft messelement 2 nimmt dabei die zu der durch Pfeile gekennzeichneten Belastungsrichtung senkrecht verlaufende Deformation der Federelemente 9 auf. Je nach Belastungs grösse kann auch hier das Kraftmesselement 2 als Resonator ausgebildet sein. Fig. 8 shows a cross section through a differently constructed force gauge, namely one in which the measuring body is formed as spring elements 9, which are the two Krafteinleitplatten 10 and 11 is held and positioned. The force measuring element 2 absorbs the deformation of the spring elements 9 which is perpendicular to the direction of loading indicated by arrows. Depending on the load size is also here the force measuring element 2 may be formed as a resonator.
Die Befestigung der Kraftmesselemente 2 am Messkörper 1 kann rein mechanisch, durch Kleben oder auf andere geeignete Weise erfolgen.The force measuring elements 2 can be attached to the measuring body 1 purely mechanically, by gluing or in another suitable manner.
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