EP0397728A1 - Kraftmesselement für eine waage - Google Patents

Kraftmesselement für eine waage

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Publication number
EP0397728A1
EP0397728A1 EP89901465A EP89901465A EP0397728A1 EP 0397728 A1 EP0397728 A1 EP 0397728A1 EP 89901465 A EP89901465 A EP 89901465A EP 89901465 A EP89901465 A EP 89901465A EP 0397728 A1 EP0397728 A1 EP 0397728A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bending points
measuring element
load
force measuring
strain gauges
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP89901465A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Schurr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Soehnle Waagen GmbH and Co KG
Original Assignee
Soehnle Waagen GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Soehnle Waagen GmbH and Co KG filed Critical Soehnle Waagen GmbH and Co KG
Publication of EP0397728A1 publication Critical patent/EP0397728A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01L1/2243—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being parallelogram-shaped
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G21/00—Details of weighing apparatus
    • G01G21/24—Guides or linkages for ensuring parallel motion of the weigh-pans
    • G01G21/244—Guides or linkages for ensuring parallel motion of the weigh-pans combined with flexure-plate fulcrums
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • G01G3/14—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of electrical resistance
    • G01G3/1402—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01G3/1412—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being parallelogram shaped

Definitions

  • the disadvantage of the known force measuring elements is that with a large nine-load the derived measuring signal changes greatly if the point of application of the load changes only slightly in the longitudinal direction of a beam - in the range of only 1/10 of a millimeter - as this is e.g wear and tear can occur.
  • the beams 11, 12, 13 are each provided with an opening 25.
  • This is essentially formed by the circular area 25' and the oval area 25'', which are connected to one another via an area 25''' with a rectangular cross-section.
  • the areas 25' and 25'' have the same radii.
  • bending points 40, 41, 42, 43 are created by markedly reduced material cross sections.
  • the material cross sections of the bending points 40 to 43 are the same in each case, as illustrated by the arrows.
  • Linkages 50, 51 of a parallel guide are formed between these bending points. In the event of deformation under load, pressure zones and tension zones form in each beam in the links 50, 51 at the bending points 40, 41, 42, 43.
  • the point of application of the pin 19 can shift on the right-hand end 13' of the beam 13, as shown in dashed lines at 19' in FIG. Such a shift in the range of only 1/10 mm can easily result from wear. This follows when only two are arranged
  • Strain gauges 20 and 21 on the top of the link 50 of the beam 13 a change in the measurement signal derived from them. These changes in the strain gauges 20 and 21 are asymmetrical, i.e. the signal changes are not equal in magnitude in the event of a deflection.
  • a shoulder 26 is provided on the underside of the lower link 51, through which the outer cross section of the beam is enlarged, in such a way that the end 13 'on which the load acts by means of the pin 19 has the larger cross-section.
  • FIG. 6 shows a modification with a slightly different design of the overload stop.
  • the overload stop is formed by a stop plate 31, which is arranged on the inner beam 13 by means of the spacer sleeve 30 at a certain distance a' from the top of the inner beam 13 and laterally the outer bars 11, 12 overlaps.
  • the two outer ends are seated on the outer beams 11, 12 and thus prevent deflection.
  • FIG. 7 shows a second solution to the problem on which the invention is based.
  • the step 26 on the underside of the lower link 51 is not formed. Instead, strain gauges 120 and 121 are also provided on the underside.
  • the recess 25 is designed symmetrically, i.e. it consists of two circular recesses 25' of the same size and a rectangular recess 25 between them".
  • the invention results in a load cell with optimal properties. They can be designed in such a way that they can be used even with small loads of e.g. 1 or 2 kg.
  • the disadvantage of the known force measuring elements is that with a large nine-load the derived measuring signal changes greatly if the point of application of the load changes only slightly in the longitudinal direction of a beam - in the range of only 1/10 of a millimeter - as this is e.g wear and tear can occur.
  • the object of the invention is to develop a force measuring element of the type mentioned in such a way that the sensitivity to changes in the point of application of the load is reduced or eliminated.
  • a further development of the invention provides that the force measuring element is formed by three beams connected to one another in an E-shaped manner by means of a cross beam, and that the force measuring element is fastened to a console at the free ends of the outer beams and the load is absorbed at the free end of the middle beam .
  • FIG. 7 shows another embodiment.
  • the E-shaped one results Rotating beam arrangement according to FIG. 2, a double measuring path in that the two outer beams 11, 12 together have the same width as the middle beam 13 and therefore bend just as much under load as this. It also results in a low overall height and that the introduction of force and attachment are close together.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Force In General (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Description

Kraftmeßelement für eine Waage
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Kraftmeßelement für eine Waage, gebildet durch einen an seinem einen Ende die Last aufnehmenden Balken mit einer waagerecht verlaufenden Ausnehmung. auf deren Ober- und Unterseite sich durch ausgeprägt verringerte und gleiche Materialquerschnitte Biegestellen derart ausbilden, daß sich zwischen den Biegestellen des Balkens zwei Lenker einer Parallelführung ergeben, und bei dem das Meßsignal durch Dehnungsmeßstreifen an den Biegestellen abgeleitet wird.
Ein Kraftmeßelement dieser Art ist aus der EP-0 227 850 bekannt. Nachteilig ist, daß die Biegestellen eines Lenkers unterschiedlich beansprucht sind, weil sich den Biegemomenten der einzelnen Lenker das Biegemoment des ganzen Balkens überlagert. Um dies auszugleichen, ist es bekannt, die Materialquerschnitte an den Biegestellen unterschiedlich auszubilden (EP- 0 207 240). Es ist auch bekannt, die Linearität eines solchen Kraftmeßelementes durch die besondere Anordnung einer Verbindungsstange zwischen einem Lenker und einer Meßzelle zu verbessern (DE-OS 32 39 002).
Nachteilig bei den bekannten Kraftmeßelementen ist, daß bei großer Neunlast sich das abgeleitete Meßsignal stark verändert, wenn sich der Angriffspunkt der Last in Längsrichtung eines Balkens auch nur geringfügig - schon im Bereich von nur 1/10 eines Millimeters - ändert, wie sich dies z.B. durch Abnutzung ergeben kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftmeßelement der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen des Angriffspunktes der Last reduziert bzw. eliminiert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Dehnungsmeßstreifen an den Biegestellen des einen Lenkers angeordnet sind und der andere Lenker zwischen den Biegestellen einen Absatz aufweist, an dem sich der äußere Querschnitt des Balkens erweitert, wobei die Mittellinien im Materialquerschnitt der diesen Lenker bildenden Biegestellen um einen bestimmten Betrag gegeneinander versetzt sind.
Dieser Versatz der Mittellinien des Materialquerschnitts an den Biegestellen durch Vergrößerung des äußeren Querschnitts der bzw. des Balkens ergibt sich als Folge des den äußeren Querschnitt eines Balkens erhöhenden Absatzes unter der Voraussetzung, daß an den Biegestellen die Abstände der äußeren Flächen der Balken von dem Durchbruch gleich groß sein müssen. Bei Belastung entsteht durch den Versatz ein zusätzliches Dehmoment, das die Biegestellen mit einem zusätzlichen Biegemoraent belastet. Dieses kann durch entsprechende Dimensionierung so bestimmt werden, daß eine gewisse Auslenkung des Angriffspunktes der Last an dem Balken zu keiner wahrnehmbaren Veränderung des abgeleiteten Meßsignals mehr führt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Kraftmeßelement durch drei mittels eines Querbalkens E-förmig miteinander verbundene Balken gebildet wird, und daß die Befestigung des Kraftmeßelementes an einer Konsole an den freien Enden der äußeren Balken und die Lastaufnahme am freien Ende des mittleren Balkens erfolgt. Daraus ergibt sich - bei der Ausbildung der Balken durch je 2 Lenker als Parallelführung der Vorteil, daß die Ebene der Krafteinwirkung durch eine Last auch bei Auslenkung des belasteten mittleren Balkens stets dieselbe bleibt. Dadurch wird die Linearität erheblich verbessert. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:
Figur 1 der schematische Aufbau einer Waage mit einer erfindungsgemäßen Kraftmeßzelle;
Figur 2 eine perspektivische Darstellung der
Kraftmeßzelle;
Figur 3 einen Schnitt entlang III-III in Fig. 2;
Figur 4 eine Darstellung der Verbiegung zweier Balken des Krafmeßelementes bei Belastung;
Figur 5 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig.
2 in Richtung der Pfeile V-V;
Figur 6 ein modifiziertes Ausführungsbeispiel in
Darstellung entsprechend Fig. 5;
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Waage. Am Band 1 eines Kastens 2 sind vier Hebel 3, 4, 5, 6 eingehängt, wobei die Hebel 5 und 6 mittels je eines Gehänges 7 , 8 an den Hebeln 3, 4 etwa an deren Mitte angreifen. Die Hebel 3, 4 sind an ihrem freien Ende miteinander verbunden und tragen dort einen Stift 19, der auf das Kraftmeßelement 10 einwirkt. Die Hebel 3 bis 6 werden an den mit Pfeilen bezeichneten Stellen ihrerseits von einer (nicht gezeigten) Platte her über Schneide und Pfanne belastet.
Figur 2 zeigt das Kraftmeßelement 10. Es wird durch zwei äußere Balken 11, 12 und einen inneren Balken 13 gebildet, die parallel zueinander angeordnet, gleich lang und miteinander über einen senkrecht zu ihnen verlaufenden Querbalken 14 verbunden sind. Die Form ist in Draufsicht E-förmig. Die beiden äußeren Balken 11, 12 sind mit ihren Enden 11', 12' auf einer Konsole 15 mittels Schrauben 16 bzw. 17 befestigt. Das Kraftmeßelement 10 nimmt die Last durch den Stift 19 auf, der mit den Hebeln 3 und 4 an deren vorderer Verbindung verbunden ist.
Wie aus Figur 3 ersichtlich, sind die Balken 11, 12, 13 je mit einem Durchbruch 25 versehen. Dieser wird im wesentlichen durch den kreisförmigen Bereich 25' und den ovalen Bereich 25" gebildet, die miteinander über einen im Querschnitt rechteckigen Bereich 25"' verbunden sind. Die Bereiche 25' und 25'' haben gleiche Radien. Es entstehen also durch ausgeprägt verringerte Materialquerschnitte Biegestellen 40, 41, 42, 43. Die Materialquerschnitte der Biegestellen 40 bis 43 sind, wie durch die Pfeile verdeutlicht, jeweils gleich. Zwischen diesen Biegestellen bilden sich Lenker 50, 51 einer Parallelführung aus. Bei Verformung unter Last bilden sich in jedem Balken in den Lenkern 50, 51 an den Biegestellen 40, 41, 42, 43 Druckzonen und Zugzonen aus. An den Biegestellen 40, 41 auf der Oberseite des Lenkers 50 sind zwei Dehnungsmeßstreifen 20, 21 angeordnet, und zwar der Dehnungsmeßstreifen 20 in einer Zugzone und der Dehnungsmeßstreifen 21 in einer Druckzone. Die beiden Dehnungsmeßstreifen werden zusammen mit Ergänzungswiderständen als Wheatstone' sehe Brücke geschaltet, die im nicht belastetem Zustand abgeglichen ist und bei der sich bei Verstimmung durch Belastung die in den Dehnungsmeßstreifen entstehenden Meßsignale addieren.
Bei Benutzung kann sich der Angriffspunkt des Stifes 19 auf dem rechten Ende 13' des Balkens 13, wie in Fig. 3 gestrichelt bei 19' eingezeichnet, verschieben. Eine solche Verschiebung im Bereich von nur 1/10 mm kann sich ohne weiteres durch Abnutzung ergeben. Daraus folgt bei Anordnung von nur zwei
Dehnungsmeßstreifen 20 und 21 auf der Oberseite des Lenkers 50 des Balkens 13 eine Änderung des aus diesen abgeleiteten Meßsignals. Diese Änderungen in den Dehnungsmeßstreifen 20 und 21 sind unsymmetrisch, d.h., bei einer Auslenkung sind die Signaländerungen nicht dem Betrag nach gleich.
Um dem abzuhelfen, ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 5, an der Unterseite des unteren Lenkers 51 ein Absatz 26 vorgesehen, durch den der äußere Querschnitt des Balkens vergrößert wird, und zwar derart, daß das Ende 13', auf welches die Last mittels des Stiftes 19 einwirkt, den größeren Querschnitt aufweist. Daraus folgt, daß die Mittellinien 27, 27' der Materialquerschnitte an den Biegestellen 42 bis 43 gegeneinander um den Betrag b versetzt sind. Entsprechend sind die Balken 11 und 12 ausgebildet. Da die beiden Mittellinien 27,27' gegeneinander um den Betrag b ersetzt sind, knickt der druckbelastete untere Lenker 51 etwas aus. Dadurch werden die unteren Biegestellen 42, 43 mit einem zusätzlichen Biegemoment belastet. Durch geschickte Wahl des Versatzes b kann erreicht werden, daß eine gewisse Auslenkung des Angriffspunktes der Spitze des Stiftes 19 in Längsrichtung des Balkens zu keiner wahrnehmbaren Veränderung des Meßsignals mehr führt.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ergibt sich aus dieser Ausbildung der einzelnen Balken in Kombination mit der E-förmigen Anordnung von drei Balken 11, 12, 13 noch ein weiterer Vorteil: Die Ebene E, in der der Stift 19 liegt, verändert sich bei Auslenkung des mittleren die Last aufnehmenden Balkens 13 nicht. Damit wird die Linearität des abgeleiteten Meßsignals erheblich verbessert. Außerdem ergibt sich bei der E-förraigen Ausbildung in Kombination mit der Ausbildung der einzelnen Balken als 2-Lenker-Parallelführung, daß der unterhalb der Spitze 19 etwas dicker eingezeichnete Bereich 60 stets exakt waagerecht liegt.
Gegenüber bekannten Wägezellen, die lediglich durch einen Balken mit einseitiger Krafteinleitung und Befestigung am anderen Ende gebildet werden, ergibt sich bei der E-förmigen Drehbalkenanordnung nach Fig. 2 ein doppelter Meßweg dadurch, daß die beiden äußeren Balken 11, 12 zusammen dieselbe Breite haben, wie der mittlere Balken 13 und sich deshalb bei Belastung genauso stark durchbiegen wie dieser. Es ergibt sich ferner eine geringe Bauhöhe und, daß Krafteinleitung und Befestigung nahe beieinander liegen.
Die Figur 5 zeigt eine Überlastsicherung dadurch, daß die beiden äußeren Balken 11, 12 auf einer Konsole 15 angeordnet sind, die innerhalb des inneren Balkens 13 eine Ausnehmung 18 aufweist, deren obere Fläche 18' soweit eingeschnitten ist. daß sich der innere Balken 13 in gewünschtem Ausmaß auslenken kann und bei einer definierten Last, entsprechend einer definierten Auslenkung, auf die obere Fläche 18' auftrifft. Mit a ist die Tiefe des Einschnittes der Ausnehmung 18 im inneren Balken 13 bezeichnet.
Eine Modifikation mit einer etwas anderen Ausbildung des Überlastanschlages zeigt Fig. 6. Dabei wird der Überlastanschlag durch eine Anschlagplatte 31 gebildet, die auf dem inneren Balken 13 mittels der Distanzhülse 30 in einem gewissen Abstand a' von der Oberseite des inneren Balkens 13 angeordnet ist und seitlich die äußeren Balken 11, 12 übergreift. Bei Belastung mit einer vorbestimmten Last, bei der der Überlastanschlag erreicht sein soll, sitzen die beiden äußeren Enden auf den äußeren Balken 11, 12 auf und verhindern damit eine Auslenkung. Figur 7 zeigt eine zweite Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist auf die Ausbildung des Absatzes 26 auf der Unterseite des unteren Lenker 51 verzichtet. Anstatt dessen sind auch auf der Unterseite Dehnmeßstreifen 120 bzw. 121 vorgesehen. Diese können dann zusammen mit den beiden oberen Dehnmeßstreifen 20, 21 so in Form einer Brücke verschaltet werden, daß die durch Verschiebung des Angriffspunktes 19 der Last - etwa in Folge Abnützung - entstehenden Unsymmetrien in den Änderungen des Meßsignals in den Dehnmeßstreifen 20, 21 durch entsprechenden Änderungen in den Dehnmeßstreifen 120, 121 ausgeglichen werden.
Bei dieser Ausbildung ist die Ausnehmung 25 symmetrisch gestaltet, d.h. sie besteht aus zwei gleich großen kreisförmigen Ausnehmungen 25' und dazwischen einer rechteckigen Ausnehmung 25". Auch bei dieser Ausbildung kann man den gesamten Block E-förmig ausbilden, wie in Fig. 2 gezeigt. Es ist jedoch günstiger, das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 5 (einschließlich der Modifikation nach Fig. 6) zu wählen, da die Ausbildung des gesamten E-förmigen Blocks aus einem Strangpreßprofil das Anbringen des Absatzes 26 sehr viel einfacher und billiger ist als die Verwendung zweier weiterer Dehnmeßstreifen.
Insgesamt entsteht also durch die Erfindung, einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen, eine Kraftmeßzelle mit optimalen Eigenschaften. Man kann sie so auslegen, daß sie schon bei geringen Lasten von z.B. 1 oder 2 kg eingesetzt werden kann.
INTERNATIONALE ANMELDUNG VERÖFFENTLICHT NACH DEM VERTRAG ÜBER DIE INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT AUF DEM GEBIET DES PATENTWESENS (PCT)
(51) Internationale Patentklassifikation 4 (11) Internationale Veröffentlichungsnummer: WO 89/ 07 G01G 21/24, 3/14, G01L 1/22 AI (43) Internationales
Veröffentlichungsdatum 10. August 1989 (10.08
(21) Internationales Aktenzeichen: PCT/EP89/00057 (81) Bestimmungsstaaten: AT (europäisches Patent), BE ropäisches Patent), CH (europäisches Patent),
(22) Internationales Anmeldedatum: (europäisches Patent), FR (europäisches Patent),
19. Januar 1989 (19.01.89) (europäisches Patent), IT (europäisches Patent), LU (europäisches Patent), NL (europäisches Pate SE (europäisches Patent), US.
(31) Prioritätsaktenzeichen: P 38 02 153.6
(32) Prioritätsdatum: 26. Januar 1988 (26.01.88) Veröffentlicht
Mit internationalem Recherchenbericht.
(33) Prioritätsland: DE
(71) Anmelder (für alle Bestimmungsstaaten ausser US):
SOEHNLE-WAAGEN GMBH & CO. [DE/DE]; Fornsbacher Str. 27-35, D-7157 Murrhardt (DE).
(72) Erfinder; und
(75) Erfinder/Anmelder (nur für US) : SCHURR, Michael [DE/DE]; Justinus-Kerner-Str. 67, D-7157 Murrhardt (DE).
(74) Anwalt: DREISS, HOSENTHIEN & FUHLENDORF; Gerokstr. 6, D-7000 Stuttgart 1 (DE).
(54) Title: LOAD-SENSING ELEMENT FOR A BALANCE
(54) Bezeichnung: KRAFTMESSELEMENT FÜR EINE WAAGE
(57) Abstract
A load-sensing element for a balance comprises a beam which receives the load at one end, with a horizontal recess. The bending points of two guide rods formed by sections of substantially reduced material cross-section on the upper and lower faces of said recess provide a parallel guide. The measurement signal is derived by means of two wire strain gauges at the bending points on the upper face. The lower guide rod (51) has a shoulder (26) between the bending points (42,43) at which the external cross-section of the beam widens. As a result, the centrelines (27,27-02) of, the material cross-section of the bending points (43,42) formed by this guide rod (51) are mutually offset by a certain distance (b). In an alternative to the formation of the shoulder, wire strain gauges are provided at the bending points (40,41,42,43) on the upper surface of the upper beam (50) and on the lower surface of the lower beam (51).
(57) Zusammenfassung
Beschrieben wird ein Kraftmesselement für eine Waage, gebildet durch einen an seinem einen Ende die Last au nehmenden Balken mit einer waagerechten Ausnehmung, auf deren Ober- und Unterseite durch ausgeprägt verringer Materialquerschnitte gebildeten Biegestellen zwei Lenker eine Parallelführung ergeben. Das Messignal wird durch zw Dehnungsmessstreifen an den Biegestellen auf der Oberseite abgeleitet. Dabei weist der untere Lenker (51) zwischen d Biegestellen (42, 43) einen Absatz (26) auf, an dem sich der äussere Querschnitt des Balkens erweitert. Daraus ergibt sic dass die Mittellinien (27, 27') im Materialquerschnitt der diesen Lenker (51) bildenden Biegestellen (43, 42) um einen b stimmten Betrag (b) gegeneinander versetzt sind. Alternativ zur Ausbildung des Absatzes sind sowohl auf der Obersei des oberen Balkens (50) als auch auf der Unterseite des unteren Balkens (51) an den Biegestellen (40, 41, 42, 43) Dehnung messstreifen vorgesehen.
LEDIGLICH ZUR INFORMAπON
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BJ Benin P Japan SD ' Sudan
BS Brasilien KP Demokratische Volksrepublik Korea SE Schweden
CF Zentrale Afrikanische Republik KR Republik Korea SN Senegal
CG Kongo Liechtenstein SU Soviet Union
CH Schweiz LK Sri Lanka. TD Tschad
CM Kamerun U Luxemburg TG Togo
DE Deutschland, Bundesrepublik MC Monaco US Vereinigte Staaten von Amerika
DK Dänemark MG Madagaskar '
II Finnland ML, Mali
Kraftmeßelement für eine Waage
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Kraftmeßelement für eine Waage, gebildet durch einen an seinem einen Ende die Last aufnehmenden Balken mit einer waagerecht verlaufenden Ausnehraung, auf deren Ober- und Unterseite sich durch ausgeprägt verringerte und gleiche Materialquerschnitte Biegestellen derart ausbilden, daß sich zwischen den Biegestellen des Balkens zwei Lenker einer Parallelführung ergeben, und bei dem das Meßsignal durch Dehnungsmeßstreifen an den Biegestellen abgeleitet wird.
Ein Kraftmeßelement dieser Art ist aus der EF-0 227 850 bekannt. Nachteilig ist, daß die Biegestellen eines Lenkers unterschiedlich beansprucht sind, weil sich den Biegemomenten der einzelnen Lenker das Biegemoment des ganzen Balkens überlagert. Um dies auszugleichen, ist es bekannt, die Materialquerschnitte an den Biegestellen unterschiedlich auszubilden (EP- 0 207 240). Es ist auch bekannt, die Linearität eines solchen Kraftmeßelementes durch die besondere Anordnung einer Verbindungsstange zwischen einem Lenker und einer Meßzelle zu verbessern (DE-OS 32 39 002).
Nachteilig bei den bekannten Kraftmeßelementen ist, daß bei großer Neunlast sich das abgeleitete Meßsignal stark verändert, wenn sich der Angriffspunkt der Last in Längsrichtung eines Balkens auch nur geringfügig - schon im Bereich von nur 1/10 eines Millimeters - ändert, wie sich dies z.B. durch Abnutzung ergeben kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftmeßelement der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen des Angriffspunktes der Last reduziert bzw. eliminiert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Dehnungsmeßstreifen an den Biegestellen des einen Lenkers angeordnet sind und der andere Lenker zwischen den Biegestellen einen Absatz aufweist, an dem sich der äußere Querschnitt des Balkens erweitert, wobei die Mittellinien im Materialquerschnitt der diesen Lenker bildenden Biegestellen um einen bestimmten Betrag gegeneinander versetzt sind.
Dieser Versatz der Mittellinien des Materialquerschnitts an den Biegestellen durch Vergrößerung des äußeren Querschnitts der bzw. des Balkens ergibt sich als Folge des den äußeren Querschnitt eines Balkens erhöhenden Absatzes unter der Voraussetzung, daß an den Biegestellen die Abstände der äußeren Flächen der Balken von dem Durchbruch gleich groß sein müssen. Bei Belastung entsteht durch den Versatz ein zusätzliches Dehmoment, das die Biegestellen mit einem zusätzlichen Biegemoraent belastet. Dieses kann durch entsprechende Dimensionierung so bestimmt werden, daß eine gewisse Auslenkung des Angriffspunktes der Last an dem Balken zu keiner wahrnehmbaren Veränderung des abgeleiteten Meßsignals mehr führt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Kraftmeßelement durch drei mittels eines Querbalkens E-förraig miteinander verbundene Balken gebildet wird, und daß die Befestigung des Kraftmeßelementes an einer Konsole an den freien Enden der äußeren Balken und die Lastaufnahme am freien Ende des mittleren Balkens erfolgt. Daraus ergibt sich - bei der Ausbildung der Balken durch je 2 Lenker als Parallelführung - der Vorteil, daß die Ebene der Krafteinwirkung durch eine Last auch bei Auslenkung des belasteten mittleren Balkens stets dieselbe bleibt. Dadurch wird die Linearität erheblich verbessert. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:
Figur 1 der sphematische Aufbau einer Waage mit einer erfindungsgemäßen Kraftmeßzelle;
Figur 2 eine perspektivische Darstellung der
Kraftmeßzelle;
Figur 3 einen Schnitt entlang III-III in Fig. 2;
Figur 4 eine Darstellung der Verbiegung zweier Balken des Krafmeßelementes bei Belastung;
Figur 5 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig.
2 in Richtung der Pfeile V-V;
Figur 6 ein modifiziertes Ausführungsbeispiel in
Darstellung entsprechend Fig. 5;
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Waage. Am Rand 1 eines Kastens 2 sind vier Hebel 3, 4, 5, 6 eingehängt, wobei die Hebel 5 und 6 mittels je eines Gehänges 7, 8 an den Hebeln 3, 4 etwa an deren Mitte angreifen. Die Hebel 3, 4 sind an ihrem freien Ende miteinander verbunden und tragen dort einen Stift 19, der auf das Kraftmeßelement 10 einwirkt. Die Hebel 3 bis 6 werden an den mit Pfeilen bezeichneten Stellen ihrerseits von einer (nicht gezeigten) Platte her über Schneide und Pfanne belastet.
Figur 2 zeigt das Kraftmeßelement 10. Es wird durch zwei äußere Balken 11, 12 und einen inneren Balken 13 gebildet, die parallel zueinander angeordnet, gleich lang und miteinander über einen senkrecht zu ihnen verlaufenden Querbalken 14 verbunden sind. Die Form ist in Draufsicht E-förmig. Die beiden äußeren Balken 11, 12 sind mit ihren Enden 11', 12' auf einer Konsole 15 mittels Schrauben 16 bzw. 17 befestigt. Das Kraftmeßelement 10 nimmt die Last durch den Stift 19 auf, der mit den Hebeln 3 und 4 an deren vorderer Verbindung verbunden ist.
Wie aus Figur 3 ersichtlich, sind die Balken 11, 12, 13 je mit einem Durchbruch 25 versehen. Dieser wird im wesentlichen durch den kreisförmigen Bereich 25' und den ovalen Bereich 25" gebildet, die miteinander über einen im Querschnitt rechteckigen Bereich 25"' verbunden sind. Die Bereiche 25' und 25'' haben gleiche Radien. Es entstehen also durch ausgeprägt verringerte Materialquerschnitte Biegestellen 40, 41, 42, 43. Die Materialquerschnitte der Biegestellen 40 bis 43 sind, wie durch die Pfeile verdeutlicht, jeweils gleich. Zwischen diesen Biegestellen bilden sich Lenker 50, 51 einer Parallelführung aus. Bei Verformung unter Last bilden sich in jedem Balken in den Lenkern 50, 51 an den Biegestellen 40, 41, 42, 43 Druckzonen und Zugzonen aus. An den Biegestellen 40, 41 auf der Oberseite des Lenkers 50 sind zwei Dehnungsmeßstreifen 20, 21 angeordnet, und zwar der Dehnungsmeßstreifen 20 in einer Zugzone und der Dehnungsmeßstreifen 21 in einer Druckzone. Die beiden Dehnungsmeßstreifen werden zusammen mit Ergänzungswiderständen als Wheatstone' sehe Brücke geschaltet, die im nicht belastetem Zustand abgeglichen ist und bei der sich bei Verstimmung durch Belastung die in den Dehnungsmeßstreifen entstehenden Meßsignale addieren.
Bei Benutzung kann sich der Angriffspunkt des Stifes 19 auf dem rechten Ende 13' des Balkens 13, wie in Fig. 3 gestrichelt bei 19' eingezeichnet, verschieben. Eine solche Verschiebung im Bereich von nur 1/10 mm kann sich ohne weiteres durch Abnutzung ergeben. Daraus folgt bei Anordnung von nur zwei Dehnungsmeßstreifen 20 und 21 auf der Oberseite des Lenkers 50 des Balkens 13 eine Änderung des aus diesen abgeleiteten Meßsignals. Diese Änderungen in den Dehnungsmeßstreifen 20 und 21 sind unsymmetrisch, d.h., bei einer Auslenkung sind die Signaländerungen nicht dem Betrag nach gleich.
Um dem abzuhelfen, ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 5, an der Unterseite des unteren Lenkers 51 ein Absatz 26 vorgesehen, durch den der äußere Querschnitt des Balkens vergrößert wird, und zwar derart, daß das Ende 13', auf welches die Last mittels des Stiftes 19 einwirkt, den größeren Querschnitt aufweist. Daraus folgt, daß die Mittellinien 27, 27' der Materialquerschnitte an den Biegestellen 42 bis 43 gegeneinander um den Betrag b versetzt sind. Entsprechend sind die Balken 11 und 12 ausgebildet. Da die beiden Mittellinien 27,27' gegeneinander um den Betrag b ersetzt sind, knickt der druckbelastete untere Lenker 51 etwas aus. Dadurch werden die unteren Biegestellen 42, 43 mit einem zusätzlichen Biegemoment belastet. Durch geschickte Wahl des Versatzes b kann erreicht werden, daß eine gewisse Auslenkung des Angriffspunktes der Spitze des Stiftes 19 in Längsrichtung des Balkens zu keiner wahrnehmbaren Veränderung des Meßsignals mehr führt.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ergibt sich aus dieser Ausbildung der einzelnen Balken in Kombination mit der E-förmigen Anordnung von drei Balken 11, 12, 13 noch ein weiterer Vorteil: Die Ebene E, in der der Stift 19 liegt, verändert sich bei Auslenkung des mittleren die Last aufnehmenden Balkens 13 nicht. Damit wird die Linearität des abgeleiteten Meßsignals erheblich verbessert. Außerdem ergibt sich bei der E-förmigen Ausbildung in Kombination mit der Ausbildung der einzelnen Balken als 2-Lenker-Parallelführung, daß der unterhalb der Spitze 19 etwas dicker eingezeichnete Bereich 60 stets exakt waagerecht liegt.
Gegenüber bekannten Wägezellen, die lediglich durch einen Balken mit einseitiger Krafteinleitung und Befestigung am anderen Ende gebildet werden, ergibt sich bei der E-förmigen Drehbalkenanordnung nach Fig. 2 ein doppelter Meßweg dadurch, daß die beiden äußeren Balken 11, 12 zusammen dieselbe Breite haben, wie der mittlere Balken 13 und sich deshalb bei Belastung genauso stark durchbiegen wie dieser. Es ergibt sich ferner eine geringe Bauhöhe und, daß Krafteinleitung und Befestigung nahe beieinander liegen.
Die Figur 5 zeigt eine Überlastsicherung dadurch, daß die beiden äußeren Balken 11, 12 auf einer Konsole 15 angeordnet sind, die innerhalb des inneren Balkens 13 eine Ausnehmung 18 aufweist, deren obere Fläche 18' soweit eingeschnitten ist, daß sich der innere Balken 13 in gewünschtem Ausmaß auslenken kann und bei einer definierten Last, entsprechend einer definierten Auslenkung, auf die obere Fläche 18' auftrifft. Mit a ist die Tiefe des Einschnittes der Ausnehmung 18 im inneren Balken 13 bezeichnet.
Eine Modifikation mit einer etwas anderen Ausbildung des überlastanschlages zeigt Fig. 6. Dabei wird der Überlastanschlag durch eine Anschlagplatte 31 gebildet, die auf dem inneren Balken 13 mittels der Distanzhülse 30 in einem gewissen Abstand a' von der Oberseite des inneren Balkens 13 angeordnet ist und seitlich die äußeren Balken 11, 12 übergreift. Bei Belastung mit einer vorbestimmten Last, bei der der Überlastanschlag erreicht sein soll, sitzen die beiden äußeren Enden auf den äußeren Balken 11, 12 auf und verhindern damit eine Auslenkung. Figur 7 zeigt eine zweite Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist auf die Ausbildung des Absatzes 26 auf der Unterseite des unteren Lenker 51 verzichtet. Anstatt dessen sind auch auf der Unterseite Dehnmeßstreifen 120 bzw. 121 vorgesehen. Diese können dann zusammen mit den beiden oberen Dehnmeßstreifen 20, 21 so in Form einer Brücke verschaltet werden, daß die durch Verschiebung des Angriffspunktes 19 der Last - etwa in Folge Abnützung - entstehenden Unsymmetrien in den Änderungen des Meßsignals in den Dehnmeßstreifen 20, 21 durch entsprechenden Änderungen in den Dehnmeßstreifen 120, 121 ausgeglichen werden.
Bei dieser Ausbildung ist die Ausnehmung 25 symmetrisch gestaltet, d.h. sie besteht aus zwei gleich großen kreisförmigen Ausnehmungen 25' und dazwischen einer rechteckigen Ausnehmung 25". Auch bei dieser Ausbildung kann man den gesamten Block E-förmig ausbilden, wie in Fig. 2 gezeigt. Es ist jedoch günstiger, das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 5 (einschließlich der Modifikation nach Fig. 6) zu wählen, da die Ausbildung des gesamten E-förmigen Blocks aus einem Strangpreßprofil das Anbringen des Absatzes 26 sehr viel einfacher und billiger ist als die Verwendung zweier weiterer Dehnmeßstreifen.
Znsgesamt entsteht also durch die Erfindung, einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen, eine Kraftmeßzelle mit optimalen Eigenschaften. Man kann sie so auslegen, daß sie schon bei geringen Lasten von z.B. 1 oder 2 kg eingesetzt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftmeßelement für eine Waage, gebildet durch einen an seinem einen Ende die Last aufnehmenden Balken mit einer waagerecht verlaufenden Ausnehmung, auf deren Ober- und Unterseite sich durch ausgeprägt verringerte und gleiche Materialquerschnitte Biegestellen derart ausbilden, daß sich zwischen den Biegestellen des Balkens zwei Lenker einer Parallelführung ergeben und bei dem das Meßsignal durch Dehnungsmeßstreifen an den Biegestellen abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (20,21) an den Biegestellen (40,41) des einenLenkers (50) angeordnet sind und der andere Lenker (51) zwischen den Biegestellen (42,43). einen Absatz (26) aufweist, an dem sich der äußere Querschnitt des Balkens erweitert, wobei die Mittellinien (27,27') im Materialquerschnitt der diesen Lenker (51) bildenden Biegestellen (43,42) um einen bestimmten Betrag (b) gegeneinander versetzt sind.
2. Kraftmeßelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß es durch drei mittels eines Querbalkens (14) E-förmigm, miteinander verbundene je durch eine Ausnehmung (25) eine Parallelführung bildende Balken (11, 12, 13) gebildet wird, und daß die Befestigung des Kraftmeßelementes an einer Konsole (15) an den freien Enden (11', 12') der beiden äußeren Balken und die Lastaufnahme am freien Ende (13') des mittleren (13) Balkens erfolgt.
3. Kraftmeßelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Balken (11,12) auf einer Konsole (15) angeordnet sind, die im Bereich unterhalb des inneren Balkens (13) eine Ausnehmung (18) aufweist, deren obere Fläche (18') soweit eingeschnitten ist, daß sie ein Überlastanschlag für den inneren Balken (13) ist.
4. Kraftmeßelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Uberlastanschlag durch eine Anschlagplatte (31) gebildet wird, die auf dem inneren Balken (13) im Abstand (a') von dessen Oberseite angeordnet ist und seitlich die äußeren Balken (11,12) übergreift.
5. Kraftmeßelement für eine Waage, gebildet durch einen an seinem einen Ende die Last aufnehmenden Balken mit einer waagerecht verlaufenden Ausnehraung, auf deren Ober- und Unterseite sich durch ausgeprägt verringerte und gleiche Materialquerschnitte Biegestellen derart ausbilden, daß sich zwischen den Biegestellen des Balkens zwei Lenker einer Parallelführung ergeben und bei dem das Meßsignal durch Dehnungsmeßstreifen (20,21,120,121), die an den Biegestellen (40,41,42,43) angeordnet sind, abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß es durch drei mittels eines Querbalkens (14) E-förmig miteinander verbundene je durch eine Ausnehmung (25) eine Parallelführung bildende Balken (11,12,13) gebildet wird, und daß die Befestigung des Kraftmeßelementes an einer Konsole (15) an den freien Enden (11', 12') der beiden äußeren Balken und die Lastaufnahme am freien Ende (13') des mittleren (13) Balkens erfolgt.
6. Kraftmeßelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Balken (11,12) auf einer Konsole (15) angeordnet sind, die im Bereich unterhalb des inneren Balkens (13) eine Ausnehmung (18) aufweist, deren obere Fläche (18') soweit eingeschnitten ist, daß sie ein Überlastanschlag für den inneren Balken (13) ist.
7. Kraftmeßelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überlastanschlag durch eine Anschlagplatte (31) gebildet wird, die auf dem inneren Balken (13) im Abstand (a') von dessen Oberseite angeordnet ist und seitlich die äußeren Balken (11,12) übergreift.
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