Kraftmesselement für eine Waage Force measuring element for a balance
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Kraftmesselement für eine Waage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Ein solches Kraftmesselement ist aus der DE 38 02 153 C2 bekannt.The invention relates to a force measuring element for a balance of the type specified in the preamble of claim 1. Such a force measuring element is known from DE 38 02 153 C2.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Linearität der Abhängigkeit des mittels Dehnmessstreifen abgeleiteten Messsignals von der eingeleiteten Kraft weiter zu verbessern.The object of the invention is to further improve the linearity of the dependence of the measurement signal derived by means of strain gauges on the force introduced.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst . Die Erfindung betrifft ferner verschiedene vorteilhafte Weiterbildungen. Ein Ausführungsbeispiel ist im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:According to the invention, this object is achieved by the measures specified in the characterizing part of patent claim 1. The invention further relates to various advantageous developments. An embodiment is described below with reference to the accompanying drawings. They represent:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Waage mit einem Kraftmesselement 10;Figure 1 is a schematic representation of a scale with a force measuring element 10;
Figur 2 eine perspektivische Ansicht des Kraftmesselementes ;Figure 2 is a perspective view of the force measuring element;
Figur 3 die Seitenansicht einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2 ;3 shows the side view of a section along the line III-III in Fig. 2;
Figur 4 eine Anordnung einer Waage mit 4 Kraftmesselementen 10;FIG. 4 shows an arrangement of a balance with 4 force measuring elements 10;
Figur 5 die Schaltung der 4 Kraftmesselemente zu einer Wheatstone' sehen Brücke nach dem Stande der Technik;
Figur 6 die Schaltung von 4 Kraftmesselementen zu einer Wheatstone' sehen Brücke mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.FIG. 5 shows the connection of the 4 force measuring elements to a Wheatstone bridge according to the prior art; Figure 6 shows the connection of 4 force measuring elements to a Wheatstone 'see bridge with an embodiment of the invention.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Waage. Am Rand 1 eines Kastens 2 sind vier Hebel 3, 4, 5, 6 eingehängt. Die Hebel 5 und 6 greifen mittels je eines Gehänges 7, 8 an den Hebeln 3, 4 etwa an deren Mitte an. Die Hebel 3, 4 sind an ihrem freien Ende miteinander verbunden und tragen dort einen Stift 19, der auf ein 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.Fig. 1 shows schematically the structure of a scale. Four levers 3, 4, 5, 6 are suspended from the edge 1 of a box 2. The levers 5 and 6 engage by means of a hanger 7, 8 on the levers 3, 4 approximately at their center. The levers 3, 4 are connected to one another at their free end and there they carry a pin 19 which acts on a force measuring element 10. The levers 3 to 6 are in turn loaded at the points indicated by arrows from a plate (not shown) over the cutting edge and pan.
Fig. 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 durch einen Querbalken 14 verbunden sind. Die Form ist in Draufsicht E-förmig. Die äußeren Enden der Balken 11, 12 werden, wie aus Fig. 1 ersichtlich, an einer Konsole 15 befestigt, die in der Mitte mittels einer Ausnehmung 15' eine Vertiefung 15' aufweist, damit sich der mittlere Balken 13 absenken kann. Das Kraftmesselement 10 nimmt die Last durch den Stift 19, der mit den Hebeln 3 und 4 an deren vorderer Verbindung verbunden ist, auf.2 shows the force measuring element 10. It is formed by two outer bars 11, 12 and an inner bar 13, which are arranged parallel to one another, have the same length and are connected to one another by a cross bar 14. The shape is E-shaped when viewed from above. As can be seen in FIG. 1, the outer ends of the beams 11, 12 are fastened to a bracket 15 which has a recess 15 'in the middle by means of a recess 15', so that the central beam 13 can lower. The force measuring element 10 takes up the load through the pin 19, which is connected to the levers 3 and 4 at their front connection.
Die Balken 11, 12, 13 sind je mit einem Durchbruch 25 versehen. Dieser wird durch einen kreisförmigen Bereich 25' und einen ovalen Bereich 25'' gebildet, die miteinander in Verbindung stehen. Durch die ausgeprägt verringerten Materialquerschnitte entstehen Biegestellen 40, 41, 42, 43 (vgl. Fig. 3) . Diese ergeben ein Parallelogramm, das sich bei Belastung verbiegt. Dabei verformt sich auch der Abschnitt 50 im oberen Bereich des Balkens 13. Oberhalb der Öffnung 25'' ist ein Dehnmessstreifen 20 aufgeklebt, dessen elektrischer Widerstand sich bei Belastung des Bereiches 50 des
Kraftmesselementes 10 (Zug oder Druck) ändertThe bars 11, 12, 13 are each provided with an opening 25. This is formed by a circular region 25 'and an oval region 25''which are connected to one another. The markedly reduced material cross sections result in bending points 40, 41, 42, 43 (cf. FIG. 3). These result in a parallelogram that bends under load. In this case, the section 50 also deforms in the upper region of the beam 13. Above the opening 25 ″, a strain gauge 20 is glued on, the electrical resistance of which changes when the region 50 of the Force measuring element 10 (train or pressure) changes
Im Bereich 50 befindet sich auf der Oberseite des Balkens 13 - sowie auf den anderen Balken 11, 12 - eine im Querschnitt rechteckige nach oben offene Ausnehmung 51. Die Abmessungen sind beispielhaft etwa folgende : Die Länge des Balkens 13 beträgt ca. 6,6 mm. Die Ausnehmung 51 gemäß Fig. 3 hat eine Länge (a) von ca. 13 mm und eine Höhe von ca. 3,5 mm. Die Breite der beiden äußeren Balken 10, 11 beträgt ca. 6 mm. Die Breite des mittleren Balkens beträgt ca. 12 mm. Die Ausnehmung 51 bewirkt eine Schwächung des Bereichs 50 oberhalb des Durchbruches 25.In the area 50 there is on the top of the beam 13 - and on the other beams 11, 12 - a recess 51 with a rectangular cross-section open at the top. The dimensions are, for example, as follows: The length of the beam 13 is approximately 6.6 mm , 3 has a length (a) of approximately 13 mm and a height of approximately 3.5 mm. The width of the two outer bars 10, 11 is approximately 6 mm. The width of the middle bar is approx. 12 mm. The recess 51 weakens the area 50 above the opening 25.
Bei Belastung durch eine Kraft über den Stift 19 ergibt sich infolge der Ausnehmung 51 eine Linearisierung des mittels eines Dehnmessstreifens 20 bei Einleitung einer Kraft über den Stift 19 ableitbaren Signals. Es ist also nicht mehr nötig (wie noch beim Stande der Technik gemäß DE 38 02 153 C2 , Spalte 2, Zeile 60 ff.), auf der Oberseite des Balkens 13 zwei Dehnmessstreifen anzuordnen, von denen bei einer Auslenkung der eine auf einer Zugzone und der andere auf einer Druckzone angeordnet sein muss, um die Nicht- Linearitäten durch entsprechende Gegeneinanderschaltung der Dehnmessstreifen kompensieren zu können. Vielmehr ergibt nunmehr bereits nur ein Dehnmessstreifen pro Kraftmesselement ein zufriedenstellend lineares Signal.When a force is exerted on the pin 19, the recess 51 results in a linearization of the signal which can be derived by means of a strain gauge 20 when a force is applied via the pin 19. It is therefore no longer necessary (as was still the case in the prior art according to DE 38 02 153 C2, column 2, line 60 ff.) To arrange two strain gauges on the top of the beam 13, of which one is deflected on a tension zone and the other must be arranged on a pressure zone in order to be able to compensate for the non-linearities by connecting the strain gauges in series. Rather, only one strain gauge per force measuring element now produces a satisfactorily linear signal.
Vier Kraftmesselemente können, wie in Fig. 4 dargestellt, an den Kanten einer Platte 60 angeordnet sein. Die Kraftmesselemente können dann zur Ableitung eines Messsignals in einer Wheatstone' sehen Brücke zusammen geschaltet werden. Nach dem Stande der Technik, der in Fig. 5 dargestellt ist, musste man jeweils in einem Zweig der Wheatstone' sehen Brücke 2 Kraftmesselemente anordnen, um einen auf Zug belasteten Bereich Z und einen auf Druck belasteten Bereich D (jeweils
mit einem Dehnmessstreifen) so zu schalten, dass die geschilderte Kompensation wirksam werden konnte.As shown in FIG. 4, four force measuring elements can be arranged on the edges of a plate 60. The force measuring elements can then be connected together to derive a measuring signal in a Wheatstone bridge. According to the prior art, which is shown in FIG. 5, two force measuring elements had to be arranged in each branch of the Wheatstone 'bridge, in order to create an area Z which is subjected to tension and an area D which is subjected to pressure (respectively with a strain gauge) so that the compensation described could take effect.
Gemäß der Erfindung ist dies nicht mehr erforderlich. Man kann mit vier Kraftmesselementen 10 gemäß der Erfindung eine Wheatstone' sehe Brücke nach Fig. 6 ohne durch Druck oder Zug verursachte Nicht -Linearitäten aufbauen, von denen zwei auf Druck (D) und zwei auf Zug (Z) belastet werden. Die auf Zug belasteten werden lediglich umgekehrt angeordnet wie die auf Druck zu belastenden Dehnmessstreifen nach den Figuren 2 und 3 ("über Kopf") . Damit lässt sich eine sehr viel einfachere Gestaltung des einzelnen Kraftmesselements 10, aber auch ein erheblich verbilligter Aufbau einer Wheatstone' sehen Brücke nach Fig. 6 erzielen. Man kann daher ein Kraftmesselement nach der Erfindung auch als "Viertelbrücke-Wägezelle" bezeichnen.
According to the invention, this is no longer necessary. One can use four force measuring elements 10 according to the invention to build a Wheatstone bridge according to FIG. 6 without non-linearities caused by pressure or tension, two of which are loaded under pressure (D) and two under tension (Z). The tensile stresses are merely arranged in reverse order to the strain gauges to be stressed according to FIGS. 2 and 3 ("overhead"). A much simpler design of the individual force measuring element 10, but also a considerably cheaper construction of a Wheatstone bridge according to FIG. 6 can thus be achieved. A force measuring element according to the invention can therefore also be referred to as a "quarter-bridge load cell".