DE3736154A1 - Kraftmessdose - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßdose mit einem konzentrisch zur Dosenachse angeordneten Verformungsring, der an einer inneren Mantellinie mit einem inneren Krafteinleitungskörper und an einer äußeren Mantellinie mit einem äußeren Krafteinleitungsring verbunden ist und an seiner Oberfläche elektromechanische Dehnungsmeßelemente trägt, die elektrisch zu einer Meßbrücke geschaltet sind.

Derartige Kraftmeßdosen, die bevorzugt als Wägezellen eingesetzt werden, wandeln die unter der Einwirkung der zu messenden Kraft auftretenden Verformungen in elektrische Größen um, insbesondere durch Widerstandsänderungen der elektromechanischen Dehnungsmeßelemente. Die erhaltenen elektrischen Größen werden in der Meßbrückenschaltung ausgewertet.

Wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere ihrer geringen Baugröße, ihrer hohen Auflösung bei großen Meßbereichen und ihrer linearen Charakteristik werden solche Kraftmeßdosen in weiten Anwendungsbereichen eingesetzt, vor allem als Wägezellen im Waagenbau. Um schädliche Umgebungseinflüsse auf die empfindlichen Dehnungsmeßelemente zu vermeiden, ist es erforderlich, diese gegenüber der Umgebung abzuschirmen bzw. abzukapseln.

Bei einer bekannten Kraftmeßdose der eingangs genannten Gattung (DE-PS 12 68 878), deren Bauprinzip im weiten Umfang Eingang in die Technik gefunden hat, liegen die Dehnungsmeßelemente an der Oberseite und an der Unterseite des Verformungsrings. Wenn der äußere Krafteinleitungsring in üblicher Weise mit einer die Kraftmeßdose tragenden Fläche verbunden wird, liegen die an der Unterseite des Verformungsrings angeordneten Dehnungsmeßelemente geschützt in einem gegenüber der Umgebung abgeschlossenen Raum. Die an der Oberseite des Verformungsrings liegenden Dehnungsmeßelemente müssen jedoch durch ein zusätzliches Gehäuse oder eine Kapselung geschützt werden. Die hierzu benötigten Bauteile müssen eine dichte und möglichst stabile Hülle bilden, dürfen aber zu keinem spürbaren Kraftnebenschluß der Kraftmeßdose führen. Diese entgegengesetzten Forderungen können nur unvollkommen erfüllt werden.

Wenn die an der Oberseite des Verformungsrings liegenden Dehnungsmeßelemente zur Vermeidung von schädigenden Umwelteinflüssen weggelassen werden, können die verbleibenden Dehnungsmeßelemente an der Unterseite des Verformungsrings nur noch in einer Halbbrücke geschaltet werden, wodurch sich wesentliche meßtechnische Nachteile ergeben.

Es ist zwar bekannt, bei einer Kraftmeßdose (DE-AS 11 29 317) die zu einer Vollbrücke geschalteten Dehnungsmeßelemente nur an der Unterseite eines Verformungskörpers in einem durch eine Membran abgeschlossenen Hohlraum geschützt unterzubringen. Hierbei muß der Verformungskörper aber als Kreisplatte ausgeführt sein, die auf ihrer Unterseite in entgegengesetzten Richtungen verformte Flächenabschnitte zur Aufnahme der Dehnungsmeßelemente aufweist. Im Gegensatz zu der eingangs genannten Gattung von Kraftmeßdosen mit einem Verformungsring sind der Meßbereich und die Linearität einer derartigen Kraftmeßdose mit einer Kreisplatte als Verformungskörper jedoch gering, und es sind zusätzliche konstruktive Maßnahmen erforderlich, um die Luftdruckabhängigkeit des Ausgangssignals zu verringern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftmeßdose der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, daß unter Beibehaltung der Vollbrückenschaltung alle Dehnungsmeßelemente gegenüber äußeren Einflüssen geschützt untergebracht sind, ohne daß die Notwendigkeit einer Kapselung durch ein gesondertes Gehäuse, Membrane o. dgl. besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verformungsring derart mit einem zweiten Verformungsring verbunden ist, daß die inneren Krafteinleitungskörper der beiden Verformungsringe miteinander zu einem gemeinsamen inneren Krafteinleitungskörper verbunden sind und die äußeren Krafteinleitungsringe der beiden Verformungsringe miteinander zu einem gemeinsamen äußeren Krafteinleitungsring verbunden sind und einen Ringhohlraum umschließen und daß die Dehnungsmeßelemente nur an den im Ringhohlraum liegenden Oberflächen der Verformungsringe angebracht sind.

Alle Dehnungsmeßelemente liegen in dem von den Bauteilen der Kraftmeßdose selbst vollständig umschlossenen Ringhohlraum und sind dort gegenüber mechanischen und sonstigen Umgebungseinflüssen vollständig geschützt. Da die Verformungsrichtung der beiden die Dehnungsmeßelemente tragenden Oberflächen der beiden Verformungsringe entgegengesetzt sind, liegen die gleichen Verformungsverhältnisse wie bei einem einzigen Verformungsring vor, der die Dehnungsmeßelemente an seiner Oberseite und seiner Unterseite trägt. Die Dehnungsmeßelemente können somit wie bisher zu einer Vollbrücke geschaltet werden, so daß die Vorteile dieser Meßbrückenschaltung vollständig erhalten bleiben.

Die Bauform der Kraftmeßdose ist sehr kompakt; die Empfindlichkeit gegen mechanische Beeinflussungen und Querkräfte ist sehr gering.

Vorzugsweise ist jeder der beiden Verformungsringe mit dem zugeordneten inneren Krafteinleitungskörper und dem äußeren Krafteinleitungsring als einstückiges Bauteil ausgeführt, so daß Fugen größtenteils vermieden werden.

Auch bei einem luftdichten Abschluß der Kraftmeßdose haben Luftdruckschwankungen keinen Einfluß auf die Kraftmessung, weil der Hauptteil des Luftdrucks sich am inneren Krafteinleitungskörper unmittelbar kompensiert und der Restanteil durch Luftdruckschwankungen verursachten Verformungen der Verformungsringe und somit der Dehnungsmeßelemente im gleichen Sinn wirkt, d. h. alle Dehnungsmeßelemente der Kraftmeßdose werden dadurch gleichzeitig gedehnt oder gestaucht, so daß sich auch die Resteinflüsse in der Meßbrückenschaltung gegenseitig kompensieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt

Fig. 1 eine Kraftmeßdose in einem senkrechten Schnitt;

Fig. 2 in vereinfachter Darstellungsweise die Meßbrückenschaltung der Dehnungsmeßelemente der Kraftmeßdose nach Fig. 1 und Fig. 3 in einem Schnitt ähnlich der Fig. 1 die Kraftmeßdose nach Fig. 1 im vormontierten, unverspannten Zustand.

Die in Fig. 1 gezeigte Kraftmeßdose, die beispielsweise als Wägezelle eingesetzt wird, weist ein Oberteil 1 und ein Unterteil 2 auf. An der Oberseite des Oberteils 1 ist eine mittige Krafteinleitungsfläche 3 vorgesehen, die zur Einleitung einer in Richtung der Dosenachse 4 gerichteten, durch einen Pfeil 5 angedeuteten Kraft dient, die gemessen werden soll. Der unter der Krafteinleitungsfläche 3 liegende mittlere Abschnitt des Oberteils 1 bildet einen inneren Krafteinleitungskörper 6, an den sich radial nach außen über einen schmalen Ringbereich 7 ein Verformungsring 8 anschließt. Der verbindende Bereich 7 zwischen dem inneren Krafteinleitungskörper 6 und dem Verformungsring 8 liegt angenähert an der inneren Mantellinie des Verformungsrings 8.

An der äußeren Mantellinie des Verformungsrings 8 ist über einen schmalen ringförmigen Bereich 9 ein äußerer Krafteinleitungsring 10 angeschlossen.

Das Unterteil 2 ist an seiner dem Oberteil 1 zugekehrten Oberseite im wesentlichen spiegelbildlich symmetrisch hierzu ausgeführt. Es weist ebenfalls einen inneren Krafteinleitungskörper 6′ auf, der über einen schmalen ringförmigen Bereich 7′ an der inneren Mantellinie an einen Verformungsring 8′ angeschlossen ist, der wiederum an seiner äußeren Mantellinie über einen schmalen ringförmigen Bereich 9′ mit einem äußeren Krafteinleitungsring 10′ verbunden ist.

Das Oberteil 1 und das Unterteil 2 sind in einer in Normalrichtung zur Dosenachse 4 liegenden Teilungsebene 11 miteinander verbunden. Die beiden inneren Krafteinleitungskörper 6 und 6′ sind beispielsweise durch Schrauben 12 miteinander verbunden. Die beiden äußeren Krafteinleitungsringe 10 und 10′ können an einer umlaufenden Schweißnaht 13 miteinander verbunden sein, die beispielsweise mittels Elektronenstrahlschweißung hergestellt ist.

Von einer die Kraftmeßdose tragenden Auflagefläche 14 wird die durch die Pfeile 15 angedeutete, in axialer Richtung wirkende Stützkraft über einen Stützring 16 an der Unterseite des unteren Krafteinleitungsringes 10′ eingeleitet.

Die beiden Verformungsringe 8 und 8′ ragen als Ringwülste in einen Ringraum 17, der von dem Oberteil 1 und dem Unterteil 2 vollständig und dicht umschlossen wird. Die beiden einander zugekehrten Oberflächenabschnitte der Verformungsringe 8 und 8′ sind in geringem Abstand zueinander liegende, parallele Kreisringflächen 18 und 18′, die jeweils Dehnungsmeßelemente 19 bzw. 19′ tragen. Die elektrischen Zuleitungen zu den elektromechanischen Dehnungsmeßelementen 19 und 19′ sind durch eine abgedichtete Zuführung 20 zu einem Anschlußstecker 21 herausgeführt, der mit einer Auswerteschaltung verbunden ist.

Fig. 3 zeigt die Kraftmeßdose nach Fig. 1 im vormontierten Zustand. Die beiden Krafteinleitungsringe 10 und 10′ sind bereits miteinander verschweißt. Das Oberteil 1 und das Unterteil 2 sind so geformt, daß zwischen den einander zugekehrten Flächen der beiden Krafteinleitungskörper 6 und 6′ ein Spalt "a" besteht. Bei der Montage werden die Schrauben 12 angezogen, bis die beiden Krafteinleitungskörper 6 und 6′ aneinander liegen und einen gemeinsamen Krafteinleitungskörper bilden.

Dadurch wird ein durch die Breite des Spaltes "a" vorgegebener Vorspannungszustand der Kraftmeßdose erreicht. Vorzugsweise wird die Vorspannung so gewählt, daß sie innerhalb der durch die Nennlast verursachten Spannung liegt.

Diese Maßnahme eliminiert die Nullpunkthysterese beim Lastwechsel zwischen Zug- und Druckbeanspruchung und ermöglicht damit den Einsatz der Kraftmeßdose auch bei wechselnder Lastrichtung ohne Einbuße an Genauigkeit.

Um eine Überlastung zu verhindern, kann zwischen dem Krafteinleitungskörper 6′ und der Auflagefläche 14 ein Spalt "b" mit einer solchen Breite gewählt werden, daß sich der Spalt "b" bei Überlast schließt. Dadurch wird eine unzulässige Verformung bei Überlast vermieden.

Bei einer Krafteinleitung in Richtung der Pfeile 5 und 15 wird die Kraftmeßdose so verformt, daß die beiden Verformungsringe 8 und 8′ im gleichen Sinn verdreht werden. Die beiden inneren Krafteinleitungskörper 6 und 6′ bilden dabei einen gemeinsamen inneren Krafteinleitungskörper und die beiden äußeren Krafteinleitungsringe 10 und 10′ bilden einen gemeinsamen äußeren Krafteinleitungsring. Die am oberen Verformungsring 8 angebrachten Dehnungsmeßelemente 19 werden dabei in tangentialer Richtung gedehnt, während die am unteren Verformungsring 8′ angebrachten Dehnungsmeßelemente 19′ in tangentialer Richtung gestaucht werden.

Wegen dieser entgegengesetzt gerichteten Verformung der Dehnungsmeßelemente 19 bzw. 19′ können diese in herkömmlicher Weise in einer als Vollbrücke ausgeführten Meßbrückenschaltung 22 geschaltet werden, die in Fig. 2 vereinfacht angedeutet ist. Eine Stromversorgungseinrichtung 23 liefert an zwei gegenüberliegende Ecken der Meßbrückenschaltung 22 die erforderliche Versorgungsspannung. Das der zu messenden Kraft proportionale Signal wird an den beiden anderen Ecken der Meßbrückenschaltung 22 abgegriffen und einer Auswerteschaltung 24 zugeführt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Kraftmeßdose zur Messung von Druckkräften beschrieben. Es versteht sich, daß die Kraftmeßdose aber auch zur Messung von Zugkräften oder Kräften wechselnder Richtung eingesetzt werden kann.

Claims (7)

1. Kraftmeßdose mit einem konzentrisch zur Dosenachse angeordneten Verformungsring, der an einer inneren Mantellinie mit einem inneren Krafteinleitungskörper und an einer äußeren Mantellinie mit einem äußeren Krafteinleitungsring verbunden ist und an seiner Oberfläche elektromechanische Dehnungselemente trägt, die elektrisch zu einer Meßbrücke geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungsring (8) derart mit einem zweiten Verformungsring (8′) verbunden ist, daß die inneren Krafteinleitungskörper (6, 6′) der beiden Verformungsringe (8, 8′) miteinander zu einem gemeinsamen inneren Krafteinleitungskörper verbunden sind und die äußeren Krafteinleitungsringe (10, 10′) der beiden Verformungsringe (8, 8′) miteinander zu einem gemeinsamen äußeren Krafteinleitungsring verbunden sind und einen Ringhohlraum (17) umschließen, und daß die Dehnungsmeßelemente (19, 19′) nur an den im Ringhohlraum (17) liegenden Oberflächen (18, 18′) der Verformungsringe (8, 8′) angebracht sind.

2. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Verformungsringe (8, 8′) mit dem zugeordneten inneren Krafteinleitungskörper (6 bzw. 6′) und dem äußeren Krafteinleitungsring (10 bzw. 10′) als einstückiges Bauteil ausgeführt ist.

3. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verformungsringe (8, 8′) als Ringwulste in den Ringhohlraum (17) ragen und an den beiden einander zugekehrten Oberflächenabschnitten (18, 18′) die Dehnungsmeßelemente (19, 19′) tragen.

4. Kraftmeßdose nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden die Dehnungsmeßelemente (19, 19′) tragenden Oberflächenabschnitte in geringem Abstand zueinander liegende, parallele Kreisringflächen (18 bzw. 18′) sind.

5. Kraftmeßdose nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verformungsringe (8, 8′) spiegelbildlich symmetrisch ausgeführt sind.

6. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oberteil (1) und ein damit verbundenes Unterteil (2) der Kraftmeßdose den Ringhohlraum (17) luftdicht umschließt.

7. Kraftmeßdose nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil (1) und das Unterteil (2) in der Weise gegeneinander verspannt sind, daß im vormontierten, unverspannten Zustand zwischen den einander zugekehrten Flächen der beiden Krafteinleitungskörper (6, 6′) oder der beiden Krafteinleitungsringe (10, 10′) ein Spalt (a) besteht.