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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
selbststabilisierende "rocker pin"- bzw. Kipphebel-
Wägezellen.
Beschreibung des Stands der Technik
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Wägezellen mit Spannungsmessern werden zum Wiegen von
Lastkraftwagen und Eisenbahnwaggons sowie zum Wiegen von
Trichtern und Tanks in der verarbeitenden Industrie
verwendet. Eine für die Aufnahme der zu wiegenden Last
ausgelegte Plattform bzw. ein Rahmen wird auf mehreren
Wägezellen angebracht, die sich auf Grundplatten unterhalb
der Plattform bzw. des Rahmens befinden. Die Signale der
einzelnen Wägezellen werden elektronisch addiert, wodurch man
ein Signal bzw. eine Anzeige proportional zum zu messenden
Gesamtgewicht erhält.
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Mit einer Wägezelle kann eine Kraft in Abtastrichtung mit
hoher Genauigkeit gemessen werden. Seitlich einwirkende
Kräfte und außermittige Belastungen führen jedoch zu Fehlern
im Ausgangssignal. Seitlich einwirkende Kräfte und
außermittige Belastungen werden verursacht, wenn ein
Lastkraftwagen auf eine Wägeplattform fährt und dort bremst
oder beschleunigt, wenn sich die Temperatur aufgrund des
direkten Einfalls der Sonnenstrahlung verändert und/oder die
Umgebungstemperatur zur Wärmeausdehnung der Plattform bzw.
des Rahmens führt und wenn sich die Plattform bzw. der Rahmen
unter der Last verbiegt.
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Seitdem vor mehr als 30 Jahren begonnen wurde, Wägezellen
zum Wiegen zu verwenden, haben Konstrukteure und Erfinder
versucht, die nachteiligen Auswirkungen der Einwirkung
seitlicher Kräfte sowie außermittiger Belastungen zu
minimieren.
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Das US-amerikanische Patent Nr. 2.962.276 beschreibt eine
Plattformwaage, die Kompressionswägezellen in Säulenform mit
sphärischen Endflächen verwendet, die mit den entsprechenden
sphärischen Vertiefungen der Plattform und der
Stützkonstruktion verbunden sind. Mit Milfe von Membranen
wird die Position der Plattform in bezug auf die
Stützkonstruktion aufrechterhalten. Die sphärischen
Vertiefungen kompensieren die bei der Installation
entstehenden Ungleichmäßigkeiten, und die Membranen nehmen
die Seitenkräfte auf, die beim Befahren der Plattform durch
einen Lastkraftwagen entstehen. Durch Gleitreibung zwischen
den Endflächen der Wägezellen und den entsprechenden
sphärischen Vertiefungen werden jedoch
Biegungsbeanspruchungen in den Wägezellen verursacht, wenn
sich die Position der Plattform in bezug auf die
Stützkonstruktion ändert. Solche Positionsveränderungen
werden durch Wärmedehnung und Biegung der Plattform unter der
Last hervorgerufen, wodurch unkorrigierbare Fehler beim
Ausgangssignal der Wägezellen entstehen. Mit der in diesem
Patent dargestellten Waage können dementsprechend unter
normalen Betriebsbedingungen keine genauen Meßergebnisse
erreicht werden.
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Das US-amerikanische Patent Nr. 3.164.014 beschreibt eine
Wägezelle mit einer Kompressionssäule, die in einem stabilen
Gehäuse befestigt ist, und die über Membranen verfügt, die
das Einwirken der Seitenkräfte auf die Meßeinrichtungen der
Wägezelle verhindern. Außerdem sind die Spannungsfühler an
einem Punkt plaziert, an dem die Auswirkungen außermittiger
Belastungen minimal sind. Diese Wägezellen arbeiten bei
moderaten Seitenkräften relativ zuverlässig, sie müssen
jedoch mit Hilfe von Rollenlagern oder anderen Geräten
beladen werden, die so ausgelegt sind, daß die durch
Größenveränderungen entstehenden seitlich einwirkenden Kräfte
beseitigt werden, wenn sie zusammen mit einer großen
Plattform verwendet werden, die im Freien installiert wird
und nicht vor Temperaturveränderungen geschützt ist. Das
führt zur Erhöhung der Kosten sowie der Komplexität der
Waage.
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Das US-amerikanische Patent Nr. 3.736.998 beschreibt ein
Gerät mit Kraftanwendung, das für den im USA-Patent Nr.
3.164.014 beschriebenen Wägezellentyp konstruiert wurde.
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Dieses Gerät wird als Schwingvorrichtung verwendet, die eine
Bewegung der Plattform in bezug auf die Wägezelle ermöglicht,
wobei nur sehr geringe Restseitenkräfte auf die Wägezelle
einwirken. Diese Kombination ist sehr leistungsfähig und
wurde vielfach kommerziell genutzt, aber sie ist dafür auch
relativ kostenaufwendig.
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Das US-amerikanische Patent Nr. 4.162.628 ist eine
Alternative zur Wägezelle gemäß dem US-amerikansischen Patent
Nr. 3.164.014 mit der Ausnahme, daß sie anstelle der
Kompressionssäule einen Druckabtastwandler verwendet, wodurch
die Empfindlichkeit gegenüber seitlich einwirkenden Kräften
und außermittigen Belastungen reduziert wird. Aber auch bei
diesem Wägezellentyp können starke Größenveränderungen nicht
direkt ausgeglichen werden; es könnten jedoch anstelle der
Rollenlager teflonbeschichtete Gleitplatten verwendet werden.
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Das schwedische Patent Nr. 366 116 beschreibt eine
Kombination einer Wägezelle mit speziellen Eigenschaften und
einer selbststabilisierenden Kippvorrichtung. Die
Empfindlichkeit der Wägezelle wird linear erhöht, wenn sich
das Lastauflagezentrum von der Symmetriemitte wegbewegt und
linear verringert, wenn der Winkel der resultierenden Kraft
von der Vertikalen abweicht. Das Patent beschreibt, wie durch
Auswahl der Radien und der Höhe der Kippvorrichtung Meßfehler
in dieser Kombination nahezu auf Null reduziert werden
können. In dem Patent wird außerdem festgestellt, daß eine
solche Wägezelle integraler Bestandteil der Kippvorrichtung
sein könnte, jedoch wird eine solche integrierte Konstruktion
im Patent nicht beschrieben. Es ist zweifelhaft, ob eine
solche integrierte Konstruktion in der Praxis mit
akzeptabeler Genauigkeit funktionieren würde, da keine
Kraftkomponente im rechten Winkel zur Meßachse der
beschriebenen Wägezelle erzeugt wird, wenn die Wägezelle in
die Kippvorrichtung integriert wird. Dementsprechend wird
die durch das Patent geforderte Fehlerkompensierung nicht
gewährleistet. Ein weiterer Beweis für die Unzulänglichkeit
der integrierten Konstruktion besteht darin, daß der
Patentinhaber bisher die Wägezelle und die Kippvorrichtung
nur getrennt, und nicht in einer integrierten Konstruktion,
vertrieben hat.
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Das US-amerikanische Patent Nr. 4.248.317 beschreibt eine
Alternative zur Schwingvorrichtung des US-amerikanischen
Patents Nr. 3.736998. Eine mit Kompression arbeitende
Wägezelle, die der der US-amerikanischen Patente Nr.
3.164.013 und Nr. 4.162.628 ähnelt, ist in einem stabilen
Gehäuse befestigt und an der Oberseite mit einer Membran
versehen. Auf der Membran ist ein Lastelement angebracht, das
über eine sphärische obere Fläche verfügt, die eine ebene
Stützfläche berührt. Der Boden des Gehäuses verfügt über eine
weitere sphärische Fläche, die eine ebene Stützfläche
berührt. Wenn sich die Wägeplattform bewegt oder wenn sich
ihre Abmessungen in bezug auf die Stützkonstruktion
verändern, rollt das Gehäuse der Wägezelle im wesentlichen
reibungsfrei zwischen den zwei ebenen Flächen. Durch dieses
Rollen neigt sich jedoch die Achse der Wägezelle und verläßt
damit ihre vertikale Position, wodurch eine Kraftkomponente
erzeugt wird, durch die das Lastelement auf der Wägezelle
verdreht wird, so daß die Membran eine S-Form annimmt. Durch
das Verdrehen des Lastelements wird eine seitliche
Kraftkomponente erzeugt, die auf die Wägezelle einwirkt,
wodurch Fehler im Ausgangssignal entstehen, was im
Widerspruch zum genannten Patent steht. Außerdem ist die
Konstruktion kostenaufwendig und kompliziert aufgebaut.
ZUSAMMENFASSUNG
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Das primäre Ziel der Erfindung besteht darin, die im
Zusammenhang mit der seitlichen Belastung von Wägezellen
entstehenden Probleme zu beseitigen, die durch den Einfluß
von Temperaturveränderungen bei in der Schwerindustrie
verwendeten Wägevorrichtungen auftreten.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine
äußerst genau arbeitende Wägezelle bereitzustellen, die auf
einfache Weise und kostengünstig produziert werden kann.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine
Wägevorrichtung bereitzustellen, die unempfindlich gegenüber
Fehlern ist, die durch Größenveränderungen und seitlich
einwirkende Kräfte hervorgerufen werden, indem eine einfach
aufgebaute und kostengünstige Wägezelle verwendet wird, ohne
daß zwischen der Wägezelle und der Wägevorrichtung weitere
kostenaufwendige Geräte benötigt werden.
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Zusätzliche Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden teilweise in der folgenden Beschreibung aufgeführt
bzw. werden aus dieser ersichtlich.
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Zur Erreichung der genannten Ziele und gemäß dem Zweck
der in diesem Patent dargestellten und ausführlich
beschriebenen Erfindung wird die Wägezelle gemäß der
Erfindung in Anspruch 1 charakterisiert.
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Die auf Kompressionsbasis arbeitende Wägezelle ist so
gestaltet, daß die konvexe Bodenf läche einen Flächenteil
einer ersten Kugel darstellt, die einen ersten Radius und ein
erstes Zentrum besitzt, das sich auf der primären Achse
befindet. Die konvexe obere Fläche ist Teil einer zweiten
Kugel mit einem zweiten Zentrum, das sich ebenfalls auf der
primären Achse befindet, wobei die Summe aus dem ersten und
dem zweiten Radius die vorbestimmte Länge übersteigt, so daß
die Wägezelle sich selbst stabilisiert, wenn sie zwischen
zwei im wesentlichen horizontalen Flächen in eine vertikale
Position gebracht wird, und das Spannungsmeßgerät am mittigen
Teil auf halbem Wege zwischen dem ersten und dem zweiten
Zentrum im rechten Winkel zur primären Achse zentriert wird,
um die Kompressionskraft um die Säule herum zu integrieren.
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Durch die vorliegende Erfindung wird das jahrzehntelang
verfolgte Ziel der Konstrukteure von Wägezellen erreicht:
eine Wägezelle, bei der die nachteiligen Auswirkungen durch
seitlich einwirkende Kräfte und außermittige Belastungen
nahezu beseitigt wurden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Abb. 1 ist eine teilweise im Querschnitt dargestellte
Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform der Kipphebel-
Wägezelle der vorliegenden Erfindung.
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Abb. 2 ist eine schematische Seitenansicht zur
Darstellung der im Zusammenhang mit dem Reaktionsmoment
auftretenden Kräfte.
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Abb. 3 ist eine Seitenansicht einer Wägevorrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung.
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Abb. 4 ist eine teilweise im Querschnitt dargestellte
Draufsicht auf die Wägevorrichtung von Abbildung 3.
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Abb. 5A bis 5C sind Seitenansichten der Wägevorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung, in denen übliche Probleme
dargestellt sind, die bei der Benutzung auftreten können.
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Abb. 6A bis 6C sind Draufsichten auf einen Querschnitt
der Zentrumsteile von Wägezellen mit verschiedenen Formen in
bezug auf die vorliegende Erfindung.
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Abb. 7 ist eine grafische Darstellung der Computeranalyse
der Belastung entlang der Peripherie eines
Wägezellenguerschnitts mit einer kreisförmigen Säule im
svmmetreschen Zentrum der Lastkraft.
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Abb. 8 ist eine Ansicht der bevorzugten Ausführungsform
des Spannungsmeßgeräts.
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Abb. 9 ist eine schematische Ansicht der Spannungsmesser
von Abb. 8, die in einer Wheatstonebrücken-Konfiguration
verbunden sind.
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Abb. 10 und 12 sind Diagramme zur Darstellung von zwei
alternativen Ausführungsformen der Spannungsmesser und
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Abb. 11 und 13 sind schematisch dargestellte Diagramme
der Spannungsmesser aus Abb. 10 und 12, die an die
Abzweigungen der Wheatstone-Brückenschaltungen angeschlossen
sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In diesem Abschnitt wird detailliert auf die bevorzugten
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen.
Beispiele dieser Ausführungsformen sind den beigelegten
Zeichnungen zu entnehmen.
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Gemäß Abb. 1 ist die Wägezelle 10 der vorliegenden
Erfindung eine verlängerte hantelförmige Säule, die einen
selbststabilisierenden "rocker pin" bzw. Kipphebel bildet.
Ein Kipphebel ist eine Säule mit zylindrischen oder
sphärischen Endf lächen, der sich zwischen zwei parallelen
Flächen wie eine Rollvorrichtung bzw. eine Kugel verhält,
wenn sich die zwei Flächen in Bezug aufeinander verschieben.
Ein Kipphebel ist selbststabilisierend, wenn die Summe der
Radien der gekrümmten Flächen größer ist als die Länge der
Säule, wie weiter unten noch detaillierter beschrieben wird.
Die Wägezelle kann aus nichtrostendem Stahl oder einer
Stahllegierung hergestellt werden. Beide Materialien werden
heutzutage für die Herstellung der meisten Wägezellentypen
verwendet. Ein relativ stabiler oberer Teil 13 nimmt eine
Lastkraft auf einer konvexen oberen Fläche 20 auf. Die
konvexe obere Fläche 20 ist eine Schnittfläche einer
gedachten Kugel, die auf der vertikalen primären Längsachse
der Wägezelle 10 zentriert ist und deren Radius größer als
oder genauso groß ist wie die Hälfte der Gesamtlänge der
Kipphebel-Wägezelle 10. In der bevorzugten Ausführungsform
wird ein Zentrumsteil 11 durch einen Zylinder mit einem
gleichmäßigen, abgerundeten Übergang zu den stärkeren
Endbereichen gebildet, wodurch die hantelartige Form
entsteht. Der Zentrumsteil 11 ist einer Kompressionsbelastung
ausgesetzt, die durch die auf den oberen Teil 13 einwirkende
Lastkraft verursacht wird. Ein relativ stabiler symmetrischer
Bodenteil 12 trägt den Zentrumsteil 11. Der Bodenteil 12 hat
eine konvexe Bodenfläche 21, die, wie die sphärische obere
Fläche 20, eine Teilfläche einer Kugel darstellt, deren
Radius mindestens die Hälfte der Gesamtlänge der
Kipphebel-Wägezelle
10 beträgt. Der Zentrumsteil 11 verfügt über ein
Spannungsmeßgerät 34 in Form von Spannungsmessern 30, die auf
dessen Peripherie angebracht sind, über Temperaturfühler 31
und Linearisierungsmesser 32, wie weiter unten beschrieben
wird.
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In Abb. 3 und 4 ist eine Wägevorrichtung 40 dargestellt,
die mehrere Wägezellen 10 verwendet. Eine Plattform- oder
Brückenwaage 41 hat eine obere Fläche 42 für die Aufnahme der
zu wiegenden Last und verschiedene, im wesentlichen ebene und
horizontale Bodenflächen 43 für die Übertragung der Last auf
mehrere Wägezellen 10, auf denen die Plattform- oder
Brückenwaage 41 lagert. Jede Wägezelle 10 trägt eine der
Bodenflächen 43 und steht auf einer stabilen und horizontalen
Grundfläche 44. Gemäß Abb. 3 wird die Waage 41 ausschließlich
durch die Wägezellen 10 gestützt, von denen je eine in der
Nähe jeder Ecke der Plattform- oder Brückenwaage 41 plaziert
ist. Es sind keine weiteren Stützelemente erforderlich, es
können jedoch mehr als vier Wägezellen 10 verwendet werden.
Um das Verschieben der Plattform- oder Brückenwaage 41
einzuschränken, sind um die Waage 41 Prellvorrichtungen 45
angebracht. Beim Einwirken einer Seitenkraft auf die
Plattform- oder Brückenwaage 41, z. B. wenn ein
Lastkraftwagen auf die Waage 41 fährt, schränken die
Prellvorrichtungen 45 das Verschieben der Plattform- oder
Brückenwaage 41 ein. Da die Radien der sphärischen Flächen
20, 21 jeder Wägezelle 10 größer sind als die Hälfte der
Gesamtlänge jeder Wägezelle 10, führen die Wägezellen 10 eine
selbststabilisierende und zentrierende Neigungsbewegung aus.
Aus diesem Grund müssen keine Zusatzelemente, wie z. B.
Biegeplatten u. a., zum Abstützen bzw. zur Stabilisierung der
Plattform- oder Brückenwaage 41 oder der Wägezellen 10
angebracht werden. Die Prellvorrichtungen 45 dienen nur dazu,
ein zu starkes Wegbewegen der gesamten Waage aus der
Gleichgewichtsposition aufgrund von horizontal einwirkenden
Kräften zu verhindern. Sobald die horizontalen Kräfte
geringer sind als die beim Zentriervorgang der Kipphebel-
Wägezellen auftretenden Kräfte, wird die Plattform- oder
Brückenwaage 41 nicht mehr von den Prellvorrichtungen
berührt.
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Im folgenden wird die Funktionsweise der Kipphebel-
Wägezelle mit Bezug auf Abb. 2 beschrieben, in der der
Querschnitt der Wägezelle durch ihre primäre Achse
schematisch dargestellt ist. Die Wägezelle hat die Länge H
und ist um den Winkel α aus der vertikalen Position versetzt
dargestellt, was durch eine Verschiebung der oberen Fläche 43
in bezug auf die untere Fläche 44 aufgrund einer
Wärmeausdehnung der Plattform- oder Brückenwaage 41
verursacht wird. Die auf die Wägezelle einwirkende vertikale
Komponente der Last wird mit F bezeichnet und wirkt am
Berührungspunkt zwischen Wägezelle und oberer Fläche 43 auf
die Wägezelle ein. Eine gleichgroße und
entgegengesetztgerichtete vertikale Gegenkraft F' wirkt am
Berührungspunkt zwischen der Wägezelle und der Bodenfläche 44
auf die Wägezelle ein.
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Der obere Teil der Wägezelle ist Bestandteil einer Kugel,
die den Radius R&sub2; hat und deren Mittelpunkt auf der primären
Achse liegt. Der untere Teil der Wägezelle ist Bestandteil
einer weiteren Kugel, die den Radius R&sub1; hat und deren
Mittelpunkt ebenfalls auf der primären Achse der Wägezelle
liegt. Aus Abb. 2 ist direkt ersichtlich, das der horizontale
Abstand d zwischen der einwirkenden Kraft F und der
Gegenkraft F' folgenden Wert hat:
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d = (R&sub1;+R&sub2;-H)sinα
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Die beiden gleichgroßen Kräfte F und F' mit dem Abstand d
erzeugen ein Reaktionsmoment MR:
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MR = Fd = F(R&sub1;+R&sub2;-H)sinα
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Das Reaktionsmoment MR ist so gerichtet, daß es der
Neigung der Wägezelle entgegenwirkt. Durch die zwischen der
Wägezelle und den oberen und unteren Flächen 43, 44
entstehende Reibung wirkt das Reaktionsmoment MR dem
Verschieben der oberen Fläche 43 in bezug auf die untere
Fläche 44 entgegen. Aus Abb. 2 geht hervor, daß der vertikale
Abstand H' zwischen den Flächen 43, 44 folgenden Wert hat,
wenn die Wägezelle wie in der Abbildung geneigt ist:
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H' = R&sub1;+R&sub2;-(R&sub1;+R&sub2;-H)cosα
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Bei einer geringen Winkelgröße α, die bei Wägeanwendungen
in der Praxis stets anzutreffen ist, kann man davon ausgehen,
daß cosα = 1 ist; für die Praxis ergibt das:
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H' = H
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Dementsprechend beträgt die auf die Wägeplattform
einwirkende Reaktionskraft FR:
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FR = MR/H = (R&sub1;/H+R&sub2;/H-1)sinα
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Da das Rollen der Kipphebel ohne Berührung der ebenen
Flächen 43, 44 erfolgt, beträgt die seitliche Verschiebung D
der oberen Fläche 43 in bezug auf die Bodenfläche 44 bei
einem Neigungswinkel α im Bogenmaß:
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D = R&sub1;α + R&sub2;α - (R&sub1;+R&sub2;-H)sinα
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Bei einer geringen Winkelgröße α, die bei Wägeanwendungen
in der Praxis stets anzutreffen ist, kann man davon ausgehen,
daß sind = α ist. Daraus folgt
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D = Hα
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Aus den obengenannten Formeln geht hervor, daß die
Reaktionskraft, und dadurch die seitliche Stabilität der
Wägevorrichtung, je nach Bedarf durch Änderung der Werte R&sub1;/H
und R&sub2;/H eingestellt werden kann. Für eine bestimmte
vorgegebene Maximalverschiebung kann die Größe des
Neigungswinkels durch Änderung von H modifiziert werden. In
allen Wägezellenanwendungen darf die Belastung der
Berührungspunkte die in der Praxis vorgegebnen Grenzwerte
nicht übersteigen. Das kann bei der hier beschriebenen
Wägezelle problemlos erreicht werden, indem die Radien der
Endbereiche der Wägezelle groß genug gestaltet werden, ohne
daß dabei die Reaktionskraft nachteilig beeinflußt wird.
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Die oben dargestellte Analyse hat gezeigt, daß die
einzige horizontale Kraftkomponente, die auf eine
Kipphebel-Wägezelle einwirkt, die Reaktionskraft ist, die durch den
Konstrukteur im voraus bestimmt wird. Ein seitliches
Verschieben der oberen Fläche 43 verursacht ansonsten nur
Rollreibung, die im Vergleich zu den Kräften, die auf
herkömmliche, fest montierte Wägezellen einwirken,
vernachlässigt werden kann. Andererseits neigt sich jedoch
die Kipphebel-Wägezelle, so daß scheinbar nicht die
Möglichkeit besteht, die Spannungsmesser so anzubringen, daß
das Ausgangssignal bei einem beliebigen Neigungswinkel ein
genaues Meßergebnis der vertikal einwirkenden Kraft F
darstellt. Aus einer weiteren Analyse geht jedoch hervor, daß
das Problem des Anbringens der Spannungsmesser auf die weiter
unten dargestellte Weise gelöst werden kann.
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Wenn eine in Abb. 1 dargestellte Wägezelle mit Symmetrie
um die primäre Achse entlang der primären Achse einer
Kompressionsbelastung ausgesetzt wird, ist die Belastung in
allen Querschnitten senkrecht zur primären Achse, die sich
weit genug von den Endbereichen entfernt befinden, um eine
Beeinträchtigung der Endbereiche zu vermeiden, konstant. Dies
ist jedoch nicht der Fall, wenn die Kompressionskraft
winkelig auf die primäre Achse einwirkt.
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Wenn die Wägezelle wie in Abb. 2 geneigt ist, gibt es
jedoch eine Schnittfläche durch die Wägezelle, in der die
Belastungsverteilung konstant ist. Diese Schnittfläche ist in
Abb. 2 durch eine horizontale gepunktete Linie S dargestellt,
die auf halbem Wege zwischen den Mittelpunkten der Kugeln mit
den Radien R&sub1; und R&sub2; einen Schnittpunkt mit der primären
Achse bildet. In dieser Schnittfläche wird die Resultante der
durch die Kraft F und die gleichgroße Gegenkraft F' erzeugten
Kompressionsbelastung vertikal durch das Zentrum der
Schnittfläche geleitet, so daß die Belastung in dieser
Schnittfläche konstant ist. Wenn sich der Neigungswinkel
verändert, verbleibt die Schnittfläche, in der die Belastung
an allen Punkten konstant ist, in horizontaler Position, so
daß sie sich scheinbar um eine Achse durch den
Halbierungspunkt zwischen den Zentren der zwei Kugeln R&sub1; und
R&sub2; und senkrecht zur Neigungsebene neigt. Wenn der
Neigungswinkel gleich Null ist, steht die Schnittfläche, in
der die Belastung konstant ist, senkrecht zur primären Achse
der Wägezelle. Diese Schnittf läche ist in Abb. 2 durch eine
durchgehende Linie dargestellt und wird als Zentrum der
symmetrischen Belastung bezeichnet.
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Wenn man die Belastung entlang der durch das Zentrum der
symmetrischen Belastung festgelegten Peripherie bei geneigter
Wägezelle mißt, würde man an allen Punkten konstante Werte
erhalten, aber es ließe sich erwarten, daß die Differenz
zwischen der gemessenen Belastung und der Belastung in der
horizontalen Schnittfläche, in der sie an allen Punkten
konstant ist, proportional zum Abstand zwischen dem
eigentlichen und dem idealen Meßpunkt wäre. Das bedeutet, daß
man durch die Addition der Meßwerte, die an vielen Punkten
entlang der durch das Zentrum der symmetrischen Belastung
bestimmten Peripherie entnommen werden, denselben Wert erhält
wie bei der Addition der Meßwerte, die an Positionen mit
demselben Winkelmaß entlang der Peripherie entnommen werden,
an der die Belastung konstant ist. Dadurch ist unabhängig vom
Neigungswinkel eine genaue Belastungsmessung möglich.
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Die oben dargestellten Vermutungen wurden durch eine
Computeranalyse der Belastung unter Verwendung der finiten
Elementemethode überprüft. Ergebnisse einer solchen
Computeranalyse sind in Abb. 7 dargestellt, in der die Daten
auf dem mittleren Kreis CA die Belastung der vertikalen
Fläche darstellen, die bei einer Wägezelle mit einem
Neigungswinkel von Null an verschiedenen Punkten um das
Zentrum der symmetrischen Belastung herum gemessen wurde. Bei
der vertikalen Wägezelle ist die gemessene Flächenbelastung
an allen Punkten um den Kreis CA nahezu gleich. Die Daten auf
den beiden anderen Kreisen CB und CC stellen die Belastung
der vertikalen Fläche an denselben Positionen bei simulierter
Neigung nach rechts bzw. links dar. Die Summe zweier
diametral entgegengesetzter Belastungen ist in allen drei
Fällen gleich, wodurch bewiesen ist, daß eine genaue Messung
der Kraft F bei einem beliebigen Neigungswinkel möglich ist,
wenn die Spannungsmesser so angeordnet sind, daß sie die
Belastung um die Wägezelle am Zentrum der symmetrischen
Belastung integrieren.
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Abb. 6A, 6B und 6C zeigen die Querschnitte von drei
Wägezellensäulen mit Spannungsmessern 30. Abb. 6A zeigt eine
Wägezellensäule mit einem zylindrischen Querschnitt und Abb.
6B eine mit einem quadratischen Querschnitt. In beiden Fällen
sind vier Spannungsmesser symmetrisch um die primäre Achse
(P.A.) der Wägezelle herum angeordnet, durch die die Kraft F
bei jedem beliebigen Neigungswinkel und bei jeder beliebigen
Neigungsrichtung genau gemessen werden kann, solange sie sich
am Zentrum der symmetrischen Belastung genau diametral
gegenüberliegen. Das ist deshalb möglich, weil der
Durchschnitt der Belastungen an diesen diametral
gegenüberliegenden Punkten genau der Belastung entspricht,
die an diesen Punkten bei einem Neigungswinkel von Null
auftritt. Abb. 6C zeigt eine Wägezellensäule mit einem "H"-
förmigen Querschnitt, die nur über zwei Spannungsmesser 30
verfügt, welche am mittigen Teil angebracht sind. Hierbei
handelt es sich um eine übliche Konstruktion bei
herkömmlichen Wägezellen. Auch hier werden genaue
Meßergebnisse erzielt, wenn die Spannungsmesser am Zentrum
der symmetrischen Belastung gegenüberliegend angeordnet sind,
weil sich die zwei Spannungsmesser dann sehr nahe am Zentrum
des Querschnittes befinden.
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Bisher wurde davon ausgegangen, daß sich die obere Fläche
43 und die Bodenfläche 44 in horizontaler Position befinden.
In Wirklichkeit kann die Bodenfläche 44 sehr genau
eingestellt werden, die obere Fläche 43 dagegen nicht, so daß
man mit gewissen Versetzungen rechnen muß. Die obere Fläche
43 neigt sich um so mehr, wenn sich die Wägeplattform wie in
Abb. 5B unter der Last verbiegt. Bezüglich Abb. 2 wird
deutlich, daß sich der Berührungspunkt an der oberen Fläche
43 durch eine Neigung der oberen Fläche 43 von der in Abb. 2
dargestellten Position wegbewegt, wodurch sich das Zentrum
der symmetrischen Belastung von der in der Abbildung
gezeigten Position nach oben bzw. unten verschiebt.
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Die Abweichung von der horizontalen Position ist in der
Praxis sehr gering. Üblichen Angaben für die Summe dieser
Versetzungen und Verbiegungen zufolge beträgt der Maximalwert
0,2 Grad. Die absolute Obergrenze für die Neigung der oberen
Fläche beträgt für alle Arten von Wägevorrichtungen mit
Wägezellen 0,5 Grad. Die in Abb. 6A und 6B dargestellte
Anordnung der Spannungsmesser ermöglicht genaue
Meßergebnisse, selbst wenn aufgrund der Neigung der oberen
Fläche 43 geringe Symmetrieabweichungen im Belastungsmuster
auftreten, da die Belastung in zwei orthogonalen Ebenen der
Wägezellensäule addiert wird. Die in Abb. 6C dargestellte
Anordnung ist jedoch nicht geeignet, wenn sich die obere
Fläche 43 um eine Achse neigt, die parallel zu der Ebene der
Zeichnung und parallel zu den Seiten des "H" verläuft, weil
sich das Zentrum des Belastungsmusters dann von beiden
Spannungsmessern wegbewegt und keine diametral
gegenüberliegenden Spannungsmesser zur Verfügung stehen, um,
wie in Abb. 6A und 6B, das Verschieben des Zentrums des
Belastungsmusters auszugleichen. Eine in Abb. 6C dargestellte
Wägesäule ist daher für Kipphebel-Wegezellen nicht besonders
gut geeignet.
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Abb. 2 zeigt, daß das Zentrum der symmetrischen Belastung
sich nicht an derselben Position befindet wie das Zentrum der
Wägezelle, wenn die obere und die untere Kugel
unterschiedliche Radien haben, was durch die gepunktete Linie
M angezeigt wird. In der Praxis ist es vorteilhaft, die
Spannungsmesser im Zentrum der Wägezelle zu montieren, da
dies die Position mit den geringsten Beeinträchtigungen der
Endbereiche ist. Das Zentrum der symmetrischen Belastung
befindet sich nur dann im Zentrum der Wägezelle, wenn die
obere und die untere Kugel gleiche Radien (R&sub1; = R&sub2;) haben.
Das ist dementsprechend die bevorzugte Konstruktion einer
Wägezelle gemäß der Erfindung.
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Die in Abb. 3 und 4 dargestellte Wägevorrichtung wurde in
den Boden eingelassen. Bei den Bodenflächen 44 handelt es
sich um verstärkte, normalerweise aus gehärtetem Stahl
gefertigte, stabile Flächen, die auf einem Betonfundament auf
dem Boden einer Grube befestigt sind, in die die
Wägevorrichtung gesetzt wird. Bei einer solchen
Ausführungsform können Lastkraftwagen auf die Plattform- oder
Brückenwaage gefahren werden und andere zu wiegende
Gegenstände problemlos auf der Waage plaziert werden. Die
Wägevorrichtung kann aber auch direkt auf dem Boden plaziert
werden. In diesem Fall würden die Lastkraftwagen oder
ähnliche Geräte mit Hilfe von Rampen auf die obere
Lastaufnahmefläche der Wägevorrichtung gebracht werden. Die
Rampen würden somit auch als Stützwände für die
Wägevorrichtung dienen. Durch das Anbringen von
Prellvorrichtungen kann man das Verschieben der Plattform
einschränken.
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Das Wiegen von Trichtern und Tanks erfolgt, indem um den
Trichter bzw. um einzelne Füße des Tanks, wie oben für
Plattformen beschrieben wurde, Stützrahmen angebracht werden.
Mit Hilfe von Prellvorrichtungen kann ein Verschieben des
Trichters bzw. einzelner Füße wie oben beschrieben
eingeschränkt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin,
einen Punkt des Rahmens oder einen Fuß des Tanks zu
befestigen, indem man eine herkömmliche Druckwägezelle zur
Messungsunterstützung verwendet und indem man durch
Verwendung von Kipphebel-Wägezellen an zusätzlichen Punkten
durch Wärmeausdehnung verursachte Seitenkräfte beseitigt.
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Abb. 5A, 5B und 5C stellen alltägliche Probleme dar, die
bei der Verwendung von Wägevorrichtungen auftreten und durch
diese Erfindung beseitigt wurden. Abb. 5A stellt eine
Situation dar, in der die Wärmeausdehnung, entweder durch
direkte Einstrahlung des Sonnenlichts oder durch hohe
Temperaturen eine Ausdehnung der Plattform- oder Brückenwaage
41 verursacht. Die Bodenflächen 44 bewegen sich nicht in dem
Maße auseinander wie sich die Plattform- oder Brückenwaage 41
ausdehnt. In herkömmlichen Wägevorrichtungen würde diese
Wärmeausdehnung Seitenkräfte erzeugen, die aufgrund der
Reibung auf die fest angebrachten Wägezellen einwirken. Alle
unter diesen Bedingungen durchgeführten Messungen führen zu
ungenauen Ergebnissen.
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Dieses Problem wurde durch die vorliegende Erfindung
gelöst. Die Wägezellen 10 würden sich als Reaktion auf die
Ausdehnung der Plattform- oder Brückenwaage leicht neigen,
wobei ausschließlich das im voraus bestimmte Reaktionsmoment
erzeugt wird, was eine genaue Kraftmessung ermöglicht.
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Abb. 5B stellt ein Problem dar, das aufgrund der Biegung
der Plattform- oder Brückenwaage 41 unter einer Lastkraft
auftritt. Wie weiter oben erklärt wurde, führt die geringe
Abweichung von der horizontalen Position in den
Lastübertragungsflächen gemäß der Erfindung nicht zu
unakzeptabelen Meßfehlern in einer Kipphebel-Wägezelle.
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Abb. 5C stellt ein Problem dar, das auftritt, wenn ein
Lastkraftwagen oder ein anderer zu wiegender Gegenstand auf
die Plattform- oder Brückenwaage fährt und bremst. Hier sei
noch einmal darauf hingewiesen, daß in diesem Fall eine
seitliche Verschiebung verursacht wird, wobei jedoch die im
voraus festgelegten vertikalen Ausrichtungsparameter für die
Wägevorrichtung durch die Prellvorrichtungen 45
aufrechterhalten werden und die zu wiegende Last durch den
selbststabilisierenden Effekt der Kipphebel nachzentriert
wird. Durch die Wägevorrichtung wird ein Kontakt der Last mit
den Prellvorrichtungen verhindert.
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Daraus geht hervor, daß eine Wägevorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung weder durch seitliche Verschiebung
noch durch seitliche Ausdehnung der Plattform- oder
Brückenwaage beeinträchtigt wird, so daß keine
Reibungsminderer zur Einschränkung von Seitenkräften
erforderlich sind. Außerdem benötigt man aufgrund der
Selbststabilisierung der Kipphebel-Wägezelle keine Prüfstäbe
oder Membranen, um die richtige Position der Waage
aufrechtzuerhalten.
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Bei der Installation der Wägevorrichtung werden alle
Wägezellen 10 senkrecht auf ihrer Stützfläche 44 angeordnet.
Durch vorübergehend angebrachte Stützvorrichtungen wird die
vertikale Position der Wägezellen 10 während der Installation
aufrechterhalten. Die Wägeplattform wird danach einfach auf
die Wägezellen heruntergelassen, und die Stützvorrichtung
wird wieder entfernt. Es sind keine weiteren mechanischen
Hilfsmittel erforderlich, so daß kein Element Teile der zu
messenden Kraft an den Wägezellen vorbeiführt und dadurch
Meßfehler verursacht. Die einzigen Zusatzvorrichtungen, die
erforderlich sein könnten, sind Gummihüllen oder
Spaltdichtungen, um das Eindringen von Schmutz in den Roll-
Kontaktbereich zwischen der Wägezelle und den Flächen 43, 44
zu verhindern. Solche Hilfsmittel sind weit verbreitet und
haben keinen Einfluß auf die Kraftmessung. Eine
Wägevorrichtung gemäß der Erfindung ist daher einfach
aufgebaut, kostengünstig sowie leicht zu installieren und zu
warten.
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Eine bevorzugte Wägezelle verfügt gemäß der Erfindung
über folgenden Detailaufbau:
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Bezüglich Abb. 1 verfügt der Zentrumsteil 11 über ein
Spannungsmeßgerät 30, das auf dessen Peripherie angebracht
ist. In der bevorzugten Ausführungsform, in der R&sub1; = R&sub2; ist,
umfaßt das Spannungsmeßgerät 34 Spannungsmesser 30, die
entlang der Peripherie des Zentrumsteils 11 in der Mitte der
Wägezelle 10 auf halbem Wege zwischen dem oberen Teil 13 und
dem Bodenteil 12 angebracht sind, sowie Temperaturfühler 31
und Linearisierungsmesser 32.
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Dem Spannungsmeßgerät 34 wird über Drähte in den Kanälen
17 und 19, die in die Wägezelle hineingebohrt sind, eine
Versorgungsspannung von einem dem Stand der Technik
entsprechenden Meßinstrument zugeführt. Die Meßspannung wird
über andere Drähte derselben Kanäle 17, 19 zum Meßinstrument
zurückgeführt. Die Kanäle werden benötigt, um die Drähte in
einen Balg 22 aus nichtrostendem Stahl oder aus
Phosphorbronze zu führen, der, wie in der Abbildung
dargestellt ist, an die Endbereiche der Wägezelle angelötet
ist. Der Balg 22 bildet eine hermetische Abdichtung zum
Schutz des Spannungsmeßgeräts vor Feuchtigkeit, Nässe und
anderen Umweltfaktoren, wie z. B. korrodierenden
Schadstoffen. Der Balg ist leicht verformbar, so daß er
keinen Einf luß auf die Belastung in der Wägezellensäule
ausübt. Die Kanäle verfügen über hermetisch abgedichtete
Durchführungen (nicht abgebildet) für die Drähte, die dem
Stand der Technik entsprechen.
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In Abb. 1 ist dargestellt, daß der obere Teil der
Wägezelle für den Kanal 19 vollständig durchbohrt ist und daß
eine Bohrung für einen zweiten Kanal 18 vorhanden ist, der
dem Kanal 17 diametral gegenüberliegt. Die Bohrungen für
Kanal 18 sowie die rechte Hälfte des Kanals 19 dienen
ausschließlich zur Aufrechterhaltung der Symmetrie im oberen
Teil der Wägezelle, so daß ein vollständig symmetrisches
Belastungsmuster um die primäre Achse gewährleistet wird. In
einigen Fällen können auch Blindkanäle in den unteren Teil
der Wägezelle gebohrt werden, um die Symmetrie des
Belastungsmusters in der Wägezelle von oben nach unten
aufrechtzuerhalten. In den Bereichen mit den Kanalbohrungen
müssen außerdem relativ geringe Belastungskonzentrationen
vorliegen. Aus diesem Grund verfügt die hantelförmige
Wägezelle über stärkere Endbereiche.
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Abb. 6A und 6C zeigen eine Wägezelle mit vier
Spannungsmessern 30, die in einer dem Stand der Technik
entsprechenden Halb- oder Vollbrückenkonfiguration angeordnet
sein können. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, daß
die Spannung ordnungsgemäß um die Wägezellensäule integriert
wird, vorausgesetzt, daß die Spannungsmesser genau in einem
Winkel von 90 Grad am Zentrum der symmetrischen Belastung
angebracht sind. In der Praxis ist es jedoch ziemlich
schwierig, vier Spannungsmesser mit der für eine Kipphebel-
Wägezelle erforderlichen Genauigkeit auszurichten. Daher ist
es einfacher, mehrere Spannungsmesser zu verwenden, die ein
nahezu durchgehendes Band um die Wägezellensäule bilden, wie
weiter unten mit Bezug auf Abb. 8 beschrieben ist. Abb. 8
zeigt die bevorzugte Anordnung der Spannungsmesser in einer
Wägezelle gemäß der Erfindung.
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Abb. 8 zeigt ein Spannungsmeßgerät 34B mit einem Streifen
aus haftendem Material, an dem abwechselnd vertikale (30V)
und horizontale (30H) Spannungsmesser angebracht sind. Solche
Streifen sind mit unterschiedlicher Länge und Modulgröße im
Handel erhältlich. Die einzelnen Spannungsmeßeinheiten sind
zur Verbindung untereinander und zum Anschluß an die
Versorgungs- und Signaldrähte mit Kupferplättchen 37
verbunden. Das Spannungsmeßgerät 34B verfügt außerdem über
zwei dem Stand der Technik entsprechende
Temperaturausgleichsfühler 31, 31' mit Anschlußplättchen und
über zwei Linearisierungsmesser 32, 32' mit
Anschlußplättchen.
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Ein langer Streifen (siehe Abbildung) oder mehrere
kürzere Streifen werden gemäß Abb.1 nahtlos aneinander an den
Zentrumsteil der Wägezelle angeklebt, so daß ein
durchgehendes Band von Halbbrücken um die Wägezelle gebildet
wird. Die Mittellinie (C) der einzelnen Spannungsmesser wird
sorgfältig im Zentrum der symmetrischen Belastung zentriert,
welches in der bevorzugten Ausführungsform mit dem
Zentrumsteil der Wägezelle (wenn R&sub1;=R&sub2;) übereinstimmt. Die
Temperaturfühler 31, 31' und die Linearisierungsmesser 32,
32' werden gemäß Abb. 8 angeordnet, so daß sie sich nach dem
Ankleben an die Wägezellensäule paarweise diametral
gegenüberliegen. Abb. 9 zeigt die untereinander verbundenen
Spannungsmesser, die eine vollständige Wheatstonebrücke mit
einer offenen Seite für den externen Symmetrieausgleich
bilden. Die Buchstaben R, V, BK, BR, GR, W, GY, O und Y
stellen die Farbkennzeichnungen dar, die für die
verschiedenfarbigen Drahtleitungen verwendet werden, und
machen damit die Beziehung zwischen Abb. 8 und 9 deutlich.
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Alternative Anordnungen des Spannungsmeßgeräts 30 einer
Wägezelle gemäß der Erfindung sind in Abb. 10 und 12
dargestellt. Wie in Abb. 10 dargestellt ist, umfaßt das
Spannungsmeßgerät 30 einen Streifen aus haftendem Material
mit zwei vertikalen Spannungsmessern 62, 63 und zwei
horizontalen Spannungsmessern 61, 64. Die Länge des Streifens
entspricht dem Umfang der Wägezellensäule. Der Streifen ist
so an die Wägezellensäule anzubringen, daß die Mittellinie C
entsprechend den obengenannten Erläuterungen genau über dem
Zentrum der symmetrischen Belastung liegt. In diesem Fall
wird die Symmetrie um das Zentrum der symmetrischen Belastung
durch die symmetrische Anordnung der zwei vertikalen und der
zwei horizontalen Spannungsmesser erzielt. Die vertikalen
Spannungsmesser, mit denen die Kompressionsbelastung gemessen
wird und die 100 % zur Ausgabe beitragen, haben den
geringsten Abstand zum Zentrum der symmetrischen Belastung,
während die horizontalen Spannungsmesser, mit denen die
Querkontraktion gemessen wird und die nur etwa 30 % zur
Ausgabe beitragen, weiter von der Mittellinie entfernt
angeordnet sein können. Die vier Spannungsmesser sind
untereinander verbunden, wodurch, wie in Abb. 11 dargestellt
ist, eine vollständige Wheatstonebrücke gebildet wird. Die
Temperaturfühler und die Linearisierungsmesser, die der in
Abb. 8 dargestellten Ausführungsform ähnlich sind, sind in
Abb. 10 und 11 nicht abgebildet, sie sind jedoch auch hier
entsprechend dem Stand der Technik Bestandteil des
Spannungsmeßgeräts.
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In Abb. 12 ist dieselbe Anordnung dargestellt wie in Abb.
10. Das Spannungsmeßgerät 30 in Abb. 12 umfaßt jedoch zwei
Hälften 70, 79, wobei jede Hälfte über einen Streifen aus
haftendem Material mit zwei vertikalen und zwei horizontalen
Spannungsmessern verfügt. Durch diese Konstruktion wird das
Ankleben des Spannungsmeßgerätes 30 an die Wägezellensäule
vereinfacht. Die Spannungsmesser in Abb. 12 sind in einer
vollständigen Wheatstonebrücke miteinander verbunden, was in
Abb. 13 dargestellt ist. Die Temperaturfühler und die
Linearisierungsmesser sind auch hier nicht abgebildet, werden
aber entsprechend dem Stand der Technik verwendet.
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Eine Wägezelle mit einer Kapazität von 50.000 Pfund
(25 t) in Übereinstimmung mit der in Abb. 1 dargestellten
Konstruktion sowie der in Abb. 8 und 9 dargestellten
Anordnung der Spannungsmesser hat eine Gesamtlänge von etwa
170 mm. Die Zentrumssäule hat einen Durchmesser von etwa
27 mm, und die Enden haben einen Durchmesser von etwa 50 mm.
Die Radien der sphärischen Endflächen betragen etwa 150 mm.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind viele Variationen
der oben beschriebenen Wägezelle sowie der Wägevorrichtung
möglich. Als Wägezellensäule kann z. B. ein zylindrisches
Rohr verwendet werden, an das nach Installation des
Spannungsmeßgerätes im Inneren des Rohrs feste Endstücke
angeschweißt werden. Bei dieser Ausführungsform wäre kein
Balg erforderlich, aber es wäre sowohl schwierig, ein
symmetrisches Belastungsmuster zu gewährleisten als auch die
Spannungsmesser genau zentriert an das Zentrum der
symmetrischen Belastung anzubringen.
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Andere Variationen betreffen die Funktionsweise des
Kipphebels. Für die in diesem Patent beschriebene
Funktionsweise des Kipphebels sind keine ebenen oberen und
unteren Flächen und keine sphärischen Endflächen der
Wägezelle erforderlich. Ebene Flächen der Wägezelle können
mit konvexen sphärischen oberen und unteren Flächen 43, 44
kombiniert werden, wodurch derselbe selbststabilisierende
Effekt entsteht. Es können außerdem konvexe obere und untere
Flächen mit sphärischen Endflächen, die über einen geringeren
Radius verfügen, an der Wägezelle kombiniert werden. Das
Entscheidende ist die Auswahl des richtigen Verhältnisses
zwischen der Krümmung der oberen und der unteren Fläche und
der Krümmung der Wägezellenenden. Die Flächen müssen auch
keine sphärischen Flächen sein, können aber eine variable
Krümmung besitzen, wie z. B. Parabeln. In der Praxis ist es
jedoch vorteilhafter, ebene obere und untere Flächen zu
verwenden, da ebene Flächen nicht zentriert werden müssen.
Wären die oberen und unteren Flächen gekrümmt, wäre eine
genaue Zentrierung der Flächen in bezug aufeinander
erforderlich, um die Symmetrie der Wägezelle um die Vertikale
zu gewährleisten. Solch eine Zentrierung würde zu einer
beträchtlichen Erhöhung der Kosten und der Komplexität der
Wägevorrichtung führen.
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Es werden herkömmliche Spannungsmeßgeräte verwendet. Alle
in diesem Fachgebiet üblichen Variationen können benutzt
werden. Die einzige Voraussetzung ist, daß die
Spannungsmesser die Messungen symmetrisch um das Zentrum der
symmetrischen Belastung der Kipphebel-Wägezelle ausführen und
daß sie, wie in diesem Patent beschrieben ist, die
Integration der Kraft um die Wägezellensäule gewährleisten.
Es sind zwei Linearisierungsmesser zu verwenden, die
diametral gegenüberliegend und so dicht wie möglich am
Zentrum der symmetrischen Belastung angeordnet sind, um eine
optimale Linearisierung zu ermöglichen.