DE2900614C3

DE2900614C3 - Kraftmeßwandler

Info

Publication number: DE2900614C3
Application number: DE2900614A
Authority: DE
Inventors: Katsumi Kokubunji Tokyo Ishikawa
Original assignee: KYOWA ELECTRONIC INSTRUMENTS CO Ltd TOKYO JP
Current assignee: KYOWA ELECTRONIC INSTRUMENTS CO Ltd TOKYO JP
Priority date: 1978-01-24
Filing date: 1979-01-09
Publication date: 1981-04-16
Also published as: US4212197A; FR2415292B1; SE7900167L; SE433884B; DE2900614B2; GB2016715A; FR2415292A1; DE2900614A1; JPS6057528B2; GB2016715B; JPS5499663A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftmeßwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Bei einem solchen, aus der DE-OS 2011 686 bekannten Kraftmeßwandler sind vier Dehnungsmeßstreifen elektrisch in Form einer Wheatstoneschen Brücke in Reihe geschaltet. Wenn auf den Kraftmeßwandler eine Last wirkt, wird dieser verformt, so daß die -to dadurch bedingte Dehnung einen Abgleichfehler der Brücke bewirkt. Die Größe des Abgleichfehlers ist proportional der einwirkenden Last, so daß diese als elektrisches Ausgangssignal der Brücke ermittelt wird. Bei einem solchen Kraftmeßwandler hat der Querschnitt des Balkens eine rechteckige Form. Dieser Kraftmeßwandler hat jedoch den Nachteil, daß abhängig von der Stelle, an der die Last wirkt, ein Meßfehler auftreten kann, so daß der Lasteinwirkungspunkt nur auf einen bestimmten Bereich des Balkens begrenzt sein sollte. Das bedeutet, daß kein Meßfehler auftritt, wenn der Lasteinwirkungspunkt längs der Hauptachse des Balkens verschoben wird, jedoch ein großer Meßfehler auftritt, wenn der Lasteinrichtungspunkt senkrecht zur Hauptachse verschoben wird.

Wenn dieser Kraftmeßwandler bei einer elektronischen Waage zusammen mit einer Halterung für eine die Last tragende Platte benutzt wird, so ist die Platte direkt an der Halterung befestigt. Bei einer solchen Waage tritt kein Meßfehler auf, wenn die Last längs der Hauptachse der Platte verschoben wird, die parallel zur Hauptachse des Balkens liegt; es tritt jedoch ein großer Meßfehler auf, wenn die Last in einer Richtung senkrecht zur Hauptachse verschoben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraftmeßwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß Meßfehler infolge einer Verschiebung des Lasteinwirkungspunktes in einer Richtung senkrecht zur Hauptachse des Balkens vernachlässigbar klein sind.

Bei einem Kraftmeßwandler der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Durch die konkave Ausbildung der Ober- und Unterseiten des Balkens, an denen die Dehnungsmeßstreifen befestigt sind, wird erreicht, daß Meßfehler infolge einer seitlichen Verschiebung des Lasteinwirkungspunktes zur Hauptachse des Balkens vernachlässigbar klein sind. Der erfindungsgemäße Kraftmeßwandler kann daher bei vielen Anwendungen, z. B. einer elektronischen Waage, konstruktiv in einfacher Weise mit den die Last aufnehmenden Teilen verbunden werden, da die von diesen Teilen an den Kraftmeßwand-Ier abgegebene Last nicht unbedingt längs der Hauptachse des Balkens einwirken muß, sondern auch gegenüber dieser seitlich verschoben sein kann.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftmeßwandlers wird an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. la, Ib und Ic einen herkömmlichen Kraftmeßwandler mit einem Balken rechteckigen Querschnitts, wobei Fig. la eine Draufsicht, Fig. Ib eine Seitenansicht und Fig. Ic eine Stirnansicht zeigen,

F i g. 2r und 2b schematisch die Verformung des Balkens durch eine einwirkende Last sowie die Kompression oder Expansion der daran befestigten Dehnungsmeßstreifen,

F i g. 3 eine Meßschaltung des Kraftmeßwandlers,

Fig.4 einen Querschnitt längs der Linie Y-Y'oder Z-Z'in Fig. Ib,

F i g. 5 teilweise geschnitten und perspektivisch eine Waage, die einen Kraftmeßwandler, wie er in den F i g. 1 a bis 1 c dargestellt ist, und eine eine Last tragende Platte aufweist,

Fig. 6a, 6b und 6c ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftmeßwandlers, wobei Fig.6a eine Draufsicht, F i g. 6b eine Seitenansicht und F i g. 6c eine Stirnansicht zeigen, und

Fig./ die Kennlinie des erfindungsgemäßen Kraftmeßwandlers im Vergleich zu den Kennlinien des bekannten Kraftmeßwandlers und eines experimentellen Kraftmeßwandlers.

Fig. la bis Ic zeigen den herkömmlichen Kraftmeßwandler, bei dem ein freitragender Balken 1 beispielsweise durch Schrauben 10 an einem Träger 9 angebracht ist. Viel Dehnungsmeßstreifen 2, 3, 4 und 5 sind am Balken befestigt. Wie in Fig. Ib dargestellt ist, befinden sich die Dehnungsmeßstreifen 2 und 5 auf der Oberseite und die Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 an der Unterseite des Balkens 1. Der Balken 1 hat als Aussparung zwei Rundlöcher 8, die durch einen geradlinigen Abschnitt 8' miteinander verbunden sind. Bei dieser Anordnung treten Dehnungs- und Druckkräfte besonders an Stellen auf, an denen die vier Dehnungsmeßstreifen 2 bis 5 befestigt sind, wenn eine Last W, auf das freie Ende des freitragenden Balkens 1 einwirkt, wie es durch einen Pfeil IVi in Fi g. 2a dargestellt ist.

Jeder Dehnungsmeßstreifen besteht aus einem Träger 7, der mit einem Widerstandselement 6 versehen ist, wie dieses nur schematisch in Fig. la dargestellt ist. Die Widerstandselemente der Dehnungsmeßstreifen 2 bis 5 sind elektrisch in Reihe zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung geschaltet, wie es in Fig.3 darge-

stellt ist An dieser Brückenschaltung liegt eine Eingangsspannung e«, und es wird eine Ausgangsspannung e_OI/, abgenommen.

Wenn in der in F i g. 2a dargestellten Weise eine Last Wi einwirkt, verformt sich der Balken 1 in der in Fig.2a dargestellten Weise. In diesem Fall werden die Dehnungsmeßstreifen 2 und 4 gedehnt und die Dehnungsmeßstreifen 3 und 5 zusammengedrückt. Durch die Dehnung ändern sich die Widerstandswt rte, d. h. es nimmt der Widerstandswert in Abhängigkeit von ι ο der Stelle, an der sich die Dehnungsmeßstreifen jeweils befinden, zu oder ab. Die Brückenschaltung ist ohne einwirkende Last abgeglichen. Sie ist nicht abgeglichen, wenn eine Last einwirkt, und die Größe des Fehlabgleichs ist proportional zur einwirkenden Last Die Größe des Fehlabgleichs wird elektrisch gemessen und gibt die einwirkende Last VKi an.

Bei einem solchen herkömmlichen Kraftmeßwandler hat der Querschnitt des Balkens 1 an der Stelle Y-Y' oder Z-Z\ an der die Dehnungsmeßstreifen angebracht sind, eine rechteckige Form, wie dieses in Fig.4 dargestellt ist.

Es hat sich herausgestellt, daß diese Querschnittsform des Balkens zu einem Meßfühler führt. Es treten nämlich in Abhängigkeit vom Lasteinwirkungspunkt Meßfehler auf, so daß dieser auf einen bestimmten Bereich begrenzt werden muß, das heißt, daß keine Änderung des Ausgangssignals auftritt, wenn der Lasteinwirkungspunkt längs der Hauptachse X-X' des Balkens verschoben wird, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Ein großer Meßfehler kann jedoch dann auftreten, wenn der Lasteinwirkungspunkt in einer Richtung senkrecht zur Hauptachse X-A"'verschoben wird.

F i g. 5 zeigt ein praktisches Anwendungsbeispiel eines derartigen Kraftmeßwandlers bei einer elektronisehen Waage. Diese Waage weist einen Kraftmeßwandler des beschriebenen Typs aus, an dem eine Platte 12 für die Last eines Gewichtes 13 direkt mit Hilfe einer Halterung 11 angebracht ist. Bei dieser Vorrichtung wird kein Fehler auftreten, wenn das Gewicht 13 längs der Hauptachse X-X' verschoben wird, ein Fehler wird jedoch dann auftreten, wenn das Gewicht 13 um eine Strecke Γ abseits der Hauptachse X-X' angeordnet wird, wie es in F i g. 5 dargestellt ist.

Wie es in den Fig.6a, 6b und 6c dargestellt ist, sind Dehnungsmeßstreifen 2, 3, 4 und 5 längs der Hauptachse X-X'eines Balkens 21 des Kraftmeßwandlers aufgeklebt. Wie es bereits an Hand von Fig. 1 erläutert wurde, tritt dann, wenn bei einem herkömmlichen Kraftmeßwandler der Lasteinwirkjingspunkt in einer Richtung längs der Hauptachse X-X' verschoben wird, kein Meßfehler avf, da das Gesamtmoment VV₀I an der Stelle auftritt, an der die Dehnungsmeßstreifen angebracht sind. Ein beträchtlicher Meßfehler ergibt sich jedoch dann, wenn der Lasteinwirkungspunkt in einer Richtung senkrecht zur Hauptachse X-X' verschoben wird. In diesem Fall liegen Torsions- und Biegekräfte am Balken 1.

Bei dem Balken 21 sind die Ober- und Unterseiten in Richtung seiner Längsachse in Form eines Zylindermantelteils konkav ausgebildet, wie es in F i g. 6c bei 21' und 21" dargestellt ist Die Dehnungsmeßstreifen 2 bis 5 sind auf diesen konkaven Flächen 21' und 21" befestigt. Der Querschnitt der konkaven Flächen 21' und 21" kann kreissektorförmig sein. Bei dieser Anordnung wird der erwähnte Meßfehler der herkömmlichen Kraftmeßwandler vermieden.

Der Balken 21, der in den F i g. 6a bis 6c dargestellt ist, wird bei einer elektronischen Waage in der gleichen Weise wie der herkömmliche Kraftmeßwandler benutzt und z. B., wie es in Fi g. 5 dargestellt ist, mit einer Platte 12 mittels einer Halterung 11 verbunden.

F i g. 7 zeigt die Kennlinien zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Meßfehler, der auf der Ordinate aufgetragen ist, und dem Abstand 1' von der - Hauptachse X-X' des Balkens, der auf der Abszisse aufgetragen ist. In F i g. 7 entspricht die Kurve A der Ausbildung des Balkens 21, wie sie in den F i g. 6a bis 6c dargestellt ist. Die Kurve B entspricht der Ausbildung des Balkens 1, wie er in den Fig. la bis Ic dargestellt ist. Diese Kurve dient als Vergleichskurve. Es wurden weiterhin Messungen mit einem Balken vorgenommen, der einen konvex geformten Querschnitt hat, der dem in Figur 6c dargestellten Querschnitt genau entgegengesetzt ist. Die Ergebnisse dieser Messungen sind durch die Kurve C in F · g. 7 dargestellt.

Die Längskanten der Ober- und Unterseiten des Balkens 21 sind abgerundet, wie es in dem Querschnitt in Fig.6c dargestellt ist, um das Auftreten von Spannungsspitzen an diesen Stellen zu vermeiden.

Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß durch den konkaven Querschnitt des Balkens 21 erreicht wird, daß dieser im wesentlichen frei von Meßfehlern infolge einer seitlichen Verschiebung des Lasteinwirkungspunktes zur Hauptachse ist. Dadurch kann die Platte 12 direkt am Balken 21 angebracht werden, so daß eine elektronische Waage hoher Genauigkeit einfach auszubilden ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kraftmeßwandler mit einem einseitig eingespannten Balken mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt, der durch eine sich parallel und symmetrisch zu seiner horizontalen Mittellängsebene sowie in seine Längsrichtung erstreckende Aussparung, die an ihren Enden einen erweiterten Querschnitt hat, in seinem freiliegenden Teil in einen oberen und unteren Schenkel geteilt ist, die sich am freien Ende des Balkens wieder vereinigen, und mit Dehnungsmeßstreifen, die zur Messung einer im wesentlichen senkrecht zur horizontalen Mitlellängsebene gerichteten und auf das freie Ende des Balkens wirkenden Kraft symmetrisch zur Aussparung auf den Ober- und Unterseiten des Balkens angeordTiet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober- und Unterseiten (21', 21") des Balkens (21) in Richtung seiner Längsachse (X-X') im wesentlichen in Form eines Zyiindermanteiteiis konkav ausgebildet sind.

2. Kraftmeßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längskanten der Ober- und Unterseiten abgerundet sind.

3. Kraftmeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober- und Unterseiten in Form eines Kreiszylindermantelteils ausgebildet sind.

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