DE4232568C2 - Integrierter Überlastschutz, insbesondere für eine zylindrische Kraftmeßzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierten Überlastschutz, insbesondere für eine zylindrische Kraftmeßzelle mit ei­ nem Sockel und einer darauf angeordneten Kreisplattenfe­ der mit Meßfühlern, der zentrisch und in Abstand zur Kreisplattenfeder auf einem Trägerelement einen Anschlag zur Begrenzung der Auslenkung derselben aufweist und bei dem das Trägerelement einen definierten Verschluß des rohrförmigen Sockels bildet.

Kraftmeßzellen, wie z. B. Wägezellen oder auch Druck­ sensoren sind an sich bekannt. Dies sind in der Regel elektromechanische Sensoren zum Umformen einer aufge­ brachten Gewichtskraft, wie z. B. eines Druckes, in ein dieser Gewichtskraft proportionales elektrisches Signal. Eine entsprechende Miniaturwägezelle ist beispielsweise aus der Philips-Baureihe mit der Typenbezeichnung PR 6211/L bekannt. Derartige Wägezellen werden im allgemei­ nen mit eineinhalb- bis zweifacher Überlastfähigkeit (bei 2 mV/V Nennsignal) spezifiziert. Bei einer Nennlast von z. B. 50 kg mit einer dann maximalen Überlast von 75 kg innerhalb des eineinhalbfachen zulässigen Gebrauchsbe­ reichs erfolgt somit keine irreversible Beeinträchtigung der überaus empfindlichen Kreisplattenfeder dieser Wäge­ zelle. Wie dieses Beispiel deutlich macht, sind bereits im Haushaltsbereich eingesetzte derartige Wägezellen mit niedriger Nennlast bis etwa 200 kg stark gefährdet durch unbeabsichtigte Überbelastung irreversibel zerstört zu werden.

Schutz gegen Überlastung könnte bei einer solchen bekann­ ten Wägezelle ein Anschlag zur Begrenzung der durch die zu messende Kraft bewirkten Auslenkung der Kreisplatten­ feder schaffen, wie es beispielsweise aus dem deutschen Patent DE-AS 11 29 317 bekannt ist.

Aus diesem Patent ist eine Kraftmeßdose, bestehend aus einer kreissymmetrischen Platte mit zentraler Kraftein­ leitung und Abstützung am Plattenrand bekannt, die für den Fall, daß ein Druckausgleich im Inneren der Kraftmeß­ dose nicht erforderlich ist, einen Deckel vorschlägt, der mit einem zentrisch angeordneten Anschlag versehen ist, zur Begrenzung der Auslenkung der Platte, bewirkt durch die zu messende Kraft. Der Deckel bildet dabei einen de­ finierten Verschluß des Sockels.

Diese an sich auf der Hand liegende konstruktive und be­ reits seit einigen Jahrzehnten bekannte einfache Maßnah­ me, hat jedoch aus, verschiedenen Gründen keine Anwendung bei modernen höchstempfindlichen Wägezellen gefunden. So ist beispielsweise eine moderne, entsprechend empfindli­ che Kreisplattenfeder mit Dehnungsmeßfühler besputtert wozu sie im Gegensatz zum genannten Patent eine plane Fläche aufweisen muß, die auch, um Umwelteinflüsse auszu­ schließen, möglichst ins Innere einer Kraftmeßzelle wei­ sen sollte. Die Empfindlichkeit einer modernen Kreisplat­ tenfeder ist überdies derart, daß bereits geringste Aus­ lenkungen zur irreversiblen Zerstörung der Kreisplatten­ feder führen können. Diese präzise Positionierung ist mit dem aus dem Patent bekannten Anschlag nicht zu erzielen. Im genannten Patent ist ferner das Problem des Druckaus­ gleichs, insbesondere bei Luftdruckschwankungen und vor­ handenem Anschlag auf der Platte völlig ungelöst. Auch besteht im Stand der Technik die Möglichkeit der Beschä­ digung und Verschmutzung der Meßfühler.

Aus der US 3,754,438 A1 ist eine Lastmeßanordnung mit ei­ nem Überlastschutz bekannt. Problematisch ist bei diesem Überlastschutz, daß dieser weder feinjustierbar noch frei zugänglich ist, so daß eine einfache und präzise Ju­ stierungsmöglichkeit des Überlastschutzes dort nicht ge­ geben ist.

Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen inte­ grierten Überlastschutz, insbesondere für eine zylindri­ sche Kraftmeßzelle zu schaffen, der einfach und präzise herstell- und justierbar ist und gleichzeitig die Beein­ flussung des Meßsignals durch Überlastung, Verschmutzung und Luftdruckschwankungen stark reduziert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Trägerelement eine zentrische Feingewindebohrung mit einem Feingewinde­ bolzen aufweist, der als Anschlag feinjustierbar in einem Abstand von einigen zehn µm zur planen, mit Meßfühlern versehenen Fläche der Kreisplattenfeder positioniert, fi­ xiert und von der der Kreisplattenfeder abgewandten Seite des rohrförmigen Sockels frei zugänglich ist.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die eingangs genannten Probleme können erfindungsgemäß somit auf einfachste Weise gelöst werden. Beispielsweise ist es möglich, eine Wägezelle der eingangs genannten Philips-Baureihe PR 6211/L, die eine Kreisplattenfeder mit aufgesputterten Meßfühlern aufweist, welche auf einem rohrförmigen Sockel gelagert ist, wobei deren Meßfühler­ seite zum Sockel weist, derart auszugestalten, daß eine Belastung von je nach Laststufe bis zum fünfzehnfachen der Nennlast zerstörungsfrei möglich wird. Dazu ist der rohrförmige Sockel zunächst lediglich mit einem inneren, diesen verschließenden Trägerelement zu versehen, das zentrisch und axial eine Feingewindebohrung mit einem entsprechenden Feingewindebolzen aufweist. Der Feingewin­ debolzen ist von der der Kreisplattenfeder abgewandten Seite frei zugänglich und kann mit einem Schlitz versehen sein, so daß er mit einem Schraubendreher o. dgl. gedreht werden kann. Ein entsprechender rohrförmiger Sockel mit Trägerelement kann dazu äußerst einfach als rotationssym­ metrischer Körper präzise auf einer Drehbank hergestellt werden.

Nachdem auf einem solchen rohrförmigen erfindungsgemäßen Sockel dann die Kreisplattenfeder in üblicher Weise ange­ ordnet ist, kann diese mit etwa der eineinhalb- bis zwei­ fachen Nennlast belastet werden und der Feingewindebolzen in diese Position, also die Kreisplattenfeder berührend geschraubt und fixiert werden. Da es sich in der Regel um Wägezellen für kleinere Lastbereiche handelt, genügt ein Festsetzen des Feingewindebolzens mit adhäsiven Mitteln, also auch handelsüblichen Klebstoffen. Andere Fixierungs­ möglichkeiten sind selbstverständlich auch denkbar.

Wird nun die Kreisplattenfeder derart belastet, daß sie den Feingewindebolzen berührt, dann wird jede zusätzliche Kraft über das Trägerelement in den rohrförmigen Sockel geleitet. Die Materialstärke des Trägerelements soll da­ her so stark gewählt werden, daß erst etwa ab dem zehn- bis fünfzehnfachen je Laststufe der Nennlast die Kreisplattenfeder wieder irreversible Schäden aufweisen kann.

Um negative Auswirkungen von Luftdruckschwankungen über das Luftpolster im Raum zwischen dem Trägerelement dem Sockel und der Kreisplattenfeder und der Umgebung zu ver­ meiden, kann eine exzentrisch angeordnete weitere Durch­ gangsöffnung im Trägerelement vorgesehen werden, die dann mit einem entsprechend elastischen Mittel definiert in vorbestimmter Weise zu verschließen ist, so daß eine Be­ einträchtigung unterbleibt.

Durch diese Durchgangsöffnung können überdies in einfa­ cher Weise anmeldungsgemäß die Anschlußleitungen heraus­ geführt werden, die zur Verbindung einer Auswerteelektro­ nik mit den Meßfühlern der Kreisplattenfeder erforderlich sind.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher er­ läutert. Darin zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen integrierten Überlast­ schutz, der in einer im Schnitt dargestellten zy­ lindrischen Kraftmeßzelle angeordnet ist, und

Fig. 2 eine Draufsicht auf Fig. 1 ohne Kreisplattenfeder.

Fig. 1 zeigt in geschnittener Darstellung eine zylindri­ sche Kraftmeßzelle 10, auf die eine Gewichtskraft in Richtung des Pfeils 11 einwirkt und welche sich über ei­ nen rohrförmigen Sockel 12 auf einem nicht näher bezeich­ neten Untergrund 13 abstützt. Der rohrförmige Sockel 12 weist in der Fig. 1 nach oben einen umlaufenden Ansatz 14 auf, der einen exakten Sitz einer in diesen Ansatz 14 eingreifenden Kreisplattenfeder 15 gewährleistet. Die Kreisplattenfeder 15 ist über diesen Sitz fest und dicht mit dem rohrförmigen Sockel 12 verbunden. Sie weist fer­ ner einen Ansatz 16 auf, der der Einleitung der Gewichts­ kraft dient und zur Gewichtskraft gemäß Pfeil 11 weisend abgerundet sein kann. Die Kreisplattenfeder 15 weist überdies einen biegesteifen Außenrand 17 auf.

Die Kreisplattenfeder 15 ist äußerst empfindlich und weist auf ihrer zum Sockel 12 weisenden Seite eine plane Fläche 18 auf, auf der Meßfühler im Bereich zwischen dem Ansatz 16 und dem Ring 17 angeordnet sind. Die Meßfühler sind vorzugsweise in Folien- oder Dünnfilmtechnik aufge­ bracht. Damit diese vorteilhafte Technik zum Einsatz ge­ langen kann, ist die Fläche 18 plan auszugestalten. Fer­ ner sollte diese Fläche 18 auch ins Innere der Kraft­ meßzelle weisen, da die Meßfühler äußerst empfindlich und gegen Umwelteinflüsse zu schützen sind.

Der rohrförmige Sockel 12 kann äußerst einfach und präzi­ se, insbesondere hinsichtlich der einzuhaltenden Winkel­ maße als Drehteil auf einer Drehbank hergestellt werden. Auch das erfindungsgemäße, den rohrförmigen Sockel 12 in der Fig. 1 nach unten abschließende Trägerelement 19 kann einstückig zusammen mit dem Sockel 12 hergestellt werden. Auf diese Weise kann auch die zentrisch in axialer Rich­ tung weisende, im Trennelement 19 vorgesehene Feingewin­ debohrung 20, in die ein Feingewindebolzen 21 einschraub­ bar ist, hergestellt werden.

Der Feingewindebolzen 21 ist über einen nicht näher dar­ gestellten Schlitz mit einem Schraubendreher in die Fein­ gewindebohrung 20 einschraubbar. Der eingeschraubte En­ dabschnitt, der abgerundet sein kann, bildet einen An­ schlag 22 für den ihm gegenüberliegenden Abschnitt 23 der Kreisplattenfeder 15.

Da die Kreisplattenfeder äußerst empfindlich ist, ergibt sich im unbelasteten Zustand zwischen dem Abschnitt 23 und dem Anschlag 22 nur ein Abstand von einigen zehn µm. Dieser Abstand kann derart einjustiert werden, daß die Kreisplattenfeder 15 mit einer Gewichtskraft in Richtung des Pfeils 11 belastet wird, die etwa dem eineinhalb- bis zweifachen ihrer Nennlast entspricht, und im Anschluß daran der Feingewindebolzen 21 soweit in die Feingewinde­ bohrung 20 geschraubt wird, bis ein meßbarerer Kontakt mit Abschnitt 23 hergestellt ist. In dieser Position kann der Feingewindebolzen 21 dann mit dem Trägerelement 19 beispielsweise verklebt werden. Wird die Kreisplatten­ feder 15 nun über etwa das zweifache ihrer Nennlast hin­ aus belastet, dann wird diese Last über den Anschlag 22 abgeleitet.

Die im Raum 24 zwischen der Kreisplattenfeder 15, dem Trägerelement 19 und dem Sockel 12 eingeschlossene Luft kann bei derartigen empfindlichen Kraftmeßzellen bei Luftdruckschwankungen z. B. durch Temperaturänderungen zu Meßfehlern führen, die dadurch beseitigt werden können, daß mindestens eine weitere Durchgangsöffnung 25 im Trä­ gerelement 19 exzentrisch in axialer Richtung weisend vorgesehen ist, die dann mit einem vorbestimmten elasti­ schem Mittel 30 definiert verschlossen werden kann.

Obgleich diese zusätzliche Durchgangsöffnung 25 grund­ sätzlich auch unverschlossen bleiben kann, so sollte sie jedoch anmeldungsgemäß verschlossen werden, da andern­ falls die Möglichkeit besteht, daß Fremdkörper eindringen und im nur einige zehn µm großen Abstand zwischen dem An­ schlag 22 und dem Abschnitt 23 zu Meßfehlern führen wür­ den.

Unabhängig davon können durch diese weitere Durchgangs­ öffnung 25 Anschlußleitungen 26 zur Verbindung der Meß­ fühler auf dem Abschnitt 18 und einer nicht weiter erläu­ terten Auswerteelektronik 27 geführt werden.

Die Dicke des Trägerelements 19, also dessen axiale Er­ streckung, soll so bemessen sein, daß erst ab dem zehn- bis fünfzehnfach der Nennlast je Laststufe wieder eine irreversible Schädigung der Kreisplattenfeder 15 auftre­ ten kann.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf Fig. 1, nachdem die Kreisplattenfeder 15 vom Sockel 12 entfernt wurde. Deut­ lich zu erkennen ist der Ansatz 14, der der Zentrierung und Verbindung zur Kreisplattenfeder 15 dient. Das Trä­ gerelement 19 ist vollständig innerhalb des Sockels 12 angeordnet und möglichst einstückig mit den inneren Be­ grenzungen 28 und 29 des Sockels 12 verbunden.

Deutlich zu erkennen ist ferner auch der Anschlag 22 des Feingewindebolzens 21, der in der Feingewindebohrung 20 fixiert ist. Ferner ist eine weitere Durchgangsöffnung 25 in der Fig. 2 links neben der Feingewindebohrung 20 zu erkennen, die dem Luftdruckausgleich und/oder der Durch­ führung von Verbindungsleitungen 26 dient. Hier sei ange­ merkt, daß als Verschlußmittel 30 auch ein Faltenbalg, eine flächige Membran oder derl. vorgesehen sein kann.

Mit dem anmeldungsgemäßen Überlastschutz kann somit u. a. die Überlastfähigkeit wesentlich erhöht werden und ferner ist durch deren integrierte Bauweise die Beeinflussung durch Umwelteinflüsse, wie Staub und Schmutz, weitgehend vermindert, so daß eine Verfälschung des Meßsignals hier­ durch nicht auftreten kann, bei gleichzeitig einfachster Konstruktion des anmeldungsgemäßen Überlastschutzes.

Claims (9)

1. Integrierter Überlastschutz, insbesondere für eine zylindrische Kraftmeßzelle mit einem Sockel und einer darauf angeordneten Kreisplattenfeder mit Meßfühlern, der zentrisch und in Abstand zur Kreisplattenfeder auf einem Trägerelement (19) einen Anschlag zur Begrenzung der Aus­ lenkung derselben aufweist und bei dem das Trägerelement (19) einen definierten Verschluß des rohrförmigen Sockels (12) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (19) eine zentrische Feingewindebohrung (20) mit einem Feingewinde­ bolzen (21) aufweist, der als Anschlag feinjustierbar in einem Abstand von einigen zehn µm zur planen, mit Meßfüh­ lern versehenen Fläche (18) der Kreisplattenfeder (15) positioniert, fixiert und von der der Kreisplattenfeder (15) abgewandten Seite des rohrförmigen Sockels (12) frei zugänglich ist.

2. Überlastschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung eines Über­ lastfaktors die Kreisplattenfeder (15) mit etwa einein­ halb- bis zweifacher Nennlast belastet, der Feingewinde­ bolzen (21) bis zur Berührung mit der Kreisplattenfeder (15) eingeschraubt und in dieser Position fixiert ist.

3. Überlastschutz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feingewindebolzen (21) mit einem adhäsiven Mittel nach exakter Positionierung fixiert ist.

4. Überlastschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (19) in seiner Dicke derart bemessen ist, daß eine zerstörungs­ freie Überlastbarkeit der Kreisplattenfeder (15) von üb­ licherweise dem eineinhalb- bis zweifachen der Nennlast je nach Laststufe bis zum fünfzehnfachen erhöht ist.

5. Überlastschutz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (19) inte­ graler Bestandteil des rohrförmigen Sockels (12) ist und diesen vollständig definiert verschließt, so daß kein Fremdkörper zwischen den abgerundeten Anschlag (22) des Feingewindebolzens (21) und den Abschnitt (23) der Kreis­ plattenfeder (15) gelangen kann.

6. Überlastschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, um einen Luftdruckausgleich im Raum (24) zwischen dem Trägerelement (19), dem Sockel (12) und der Kreisplattenfeder (15) zu gewährleisten, das Trägerelement (19) mindestens eine weitere exzentrisch angeordnete, in definierter vorbestimmter Weise mit einem elastischen Mittel (30) verschlossene Durchgangsöffnung (25) aufweist.

7. Überlastschutz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die weitere Durchgangs­ öffnung (25) elektrische Anschlußleitungen (26) zum An­ schluß der Meßfühler auf der Fläche (18) an eine Auswer­ teelektronik (27) geführt sind.

8. Überlastschutz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler auf der zum Trägerelement weisenden planen Fläche (18) der Kreis­ plattenfeder (15) in Folien- oder Dünnfilmtechnik aufge­ bracht und mit den Anschlußleitungen (26) kontaktiert sind.

9. Überlastschutz nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Sockel (12), das darin angeordnete Trägerelement (19), und der Sitz zur Abstützung der Kreisplattenfeder (15) ein einziges rotationssymmetrisches und somit einfach und präzise her­ stellbares Bauelement darstellt.