CH672842A5

CH672842A5 -

Info

Publication number: CH672842A5
Application number: CH83587A
Authority: CH
Inventors: Klaus Prof Dr-Ing Bethe
Original assignee: Sartorius Gmbh
Priority date: 1986-03-07
Filing date: 1987-03-06
Publication date: 1989-12-29
Also published as: FR2595466A1; GB2187562A; DE3607491C1; GB8705127D0; FR2595466B1; JPS62211526A

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen Kraft- oder Druckaufnehmer mit einer Plattenfeder, die an mindestens zwei Seiten mit einem überwiegend starren Rahmen verbunden ist.

In Kraft- oder Druckaufnehmern werden oft sogenannte Plattenfedern als elastisches Messelement verwendet, dessen messgrössenproportionale Deformation z. B. durch ein Dehnungsmessstreifen-System oder auch einen kapazitiven Wegaufnehmer in ein elektrisches Messsignal umgewandelt wird. Die einfachste Form einer Plattenfeder ist der gerade Balken, bei dem eine Kraft senkrecht zur Balkenrichtung einen einachsigen Spannungszustand erzeugt. Weitverbreitet sind jedoch auch allgemeine, d. h. mehrseitig oder allseitig eingespannte Plattenfedern - meist mit kreisförmiger Berandung («Kreisplattenfeder») -, die bei Kraft- oder Druckbelastung eine zweiachsige mechanische Spannung aufweisen. Zur Realisierung der starren Einspannbedingungen am Aussen-rand müssen diese Plattenfedern mit einem äusseren Integralflansch aus einem Stück hergestellt werden, da bei der naheliegenden Bauweise mit getrennter planer Plattenfeder und separat hergestelltem Klemmflansch die Verbindung wegen des relativ hohen Biegemomentes an der Einspannstelle nicht rückwirkungsfrei realisierbar ist. Während die genannte Integralbauweise bei Aufnehmern mit geklebten Dehnungsmessstreifen keine wesentlichen fertigungstechnischen Nachteile bedingt, verursacht sie bei Anwendung der Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen-Technologie hohe Kosten, da hier nur mit Blechsubstraten im batch-Prozess eine wirtschaftliche Lösung erreicht werden kann. Mit einem planparallelen Einfachblech aber ist der geforderte starre Integralflansch nicht realisierbar.

Durch die US-PS 3 621435 ist zum Beispiel ein Kraft- oder Druckaufnehmer mit einer Plattenfeder bekannt, bei dem die Plattenfeder aus mindestens zwei Teilen besteht, wobei der erste, innere Teil ausschliesslich als deformierbare, im wesentlichen ebene Platte ausgebildet ist, während der zweite, äussere Teil den äusseren Bereich der elastischen Plattenfeder umfasst und nur der erste, innere Plattenfederteil zur Detektion der durch die Kraft oder den Druck bewirkten Deformation herangezogen wird.

Ziel der Erfindung ist deshalb ein solcher Aufbau eines Plattenfederkörpers, dass zwar ein planer elastischer Fühlerteil - z. B. eine Ronde und z. B. versehen mit Dünnfilm-Deh-nungsmessstreifen - verwendet werden kann, dass aber die Befestigung dieses Fühlerteils in der massiven Fassung keine Rückwirkungen auf sein Federverhalten verursacht.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Plattenfeder aus mindestens zwei Teilen besteht, wobei der erste, innere Teil ausschliesslich als deformierbare, im wesentlichen ebene Platte ausgebildet ist, während der zweite, äussere Teil den äusseren Bereich der elastischen Plattenfeder sowie den anschliessenden, überwiegend starren Rahmen umfasst, dass die Verbindungsstelle zwischen den beiden Teilen der Plattenfeder sich dort befindet, wo die in Richtung der Linie Lastschwerpunkt/Verbindungsstelle liegende radiale Biegemoment-Komponente verschwindend klein ist und dass nur der erste, innere Plattenfederteil zur Detektion der durch die Kraft oder den Druck bewirkten Deformation vorgesehen ist.

Das elastische Messelement - eine Plattenfeder - besteht also im Gegensatz zu der üblichen einstückigen Bauweise aus zwei Teilen, nämlich dem inneren eigentlichen Fühlerelement - das auch den elektrischen Deformationssensor trägt -und einem äusseren Tragkörper, dessen ebenfalls elastisch deformierbare Anschlussteile als angepasste Biegegelenke wirken und so eine von der radialen Komponente des Biegemomentes freie Verbindungsstelle zwischen den zwei Teilen ermöglichen. Trotz einfacher Verbindungstechnik weist der Aufnehmer nach der Erfindung dank dieser angepassten Biegegelenke keine störende mechanische oder thermische Hysterese auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an einigen Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigt:

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Fig. la einen zweiseitig eingespannten Biegebalken,

Fig. lb den Verlauf des Biegemomentes des Biegebalkens aus Fig. la,

Fig. lc einen aufgeteilten Biegebalken,

Fig. 2a einen Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen in Draufsicht,

Fig. 2b den Kraftaufnehmer aus Fig. 2a im Querschnitt,

Fig. 3 einen Druckaufnehmer mit kapazitivem Sensor im Querschnitt,

Fig. 4 einen kompletten Druckaufnehmer mit Gehäuse und

Fig. 5 einen Kraftaufnehmer in einer anderen Ausgestaltung.

Der Grundgedanke der Erfindung ist aus Fig. 1 zu entnehmen. Das Teilbild la zeigt einen einfachen, zweiseitig eingespannten, symmetrisch belasteten, ebenen Biegebalken. Das Teilbild lb zeigt den Verlauf des Biegemomentes längs des Biegebalkens aus Teilbild la: Das Biegemoment geht an den Stellen Xi und X' i durch Null, so dass ein an diesen Stellen aufgeteilter Balken, wie er im Teilbild lc dargestellt ist, hier momentenfrei zu verbinden ist. Das bedeutet, die Fassung ist als Integralkörper - bestehend aus starrem Einspannrand 13 und flexiblen Teilbiegebalken 2 und 3 - herzustellen und an den Stellen Xi und X' î (± 'A der Gesamtlänge) mit dem einfachen Mittelteil 1 als dem eigentlichen elastischen Messelement zu verbinden. Dieses allein trägt das eigentliche Sensorsystem 14, das die lastproportionale Deformation in ein elektrisch auswertbares Signal umsetzt. Die Verhältnisse bei den zweidimensionalen Federelementen (Kreisplättenfeder, Rechteckfeder oder Ellipsenfeder) sind völlig analog, sowohl für die hier dargestellte Punktlast F wie auch für einen hydrostatischen Druck p. Lediglich die Orte Xi und X' ! sind entsprechend der jeweiligen Elastostatik zu variieren: Für die plane Kreisplattenfeder (Radius a) gilt Xi = 0,46 • a für zentrische Punktlast F bzw. X'i = 0,63 • a für hydrostatischen Druck p (bei einer Querkontraktionszahl y = 0,3). An diesen Orten Xi und X' i des Verschwindens der in Richtung der Linie Lastschwerpunkt/Verbindungsstelle liegenden Längs- oder Radialspannung treten bei den 2-dimensionalen Plattenfedern zwar endliche, zu der Längsspannung orthogonale, ebenfalls in der Plattenebene liegende Querspannungen auf, die jedoch - da sie stetig über die Trennstelle gehen - keine mechanische Belastung der Verbindung darstellen, so dass im Prinzip diese Verbindung durch ein einfaches Auflegen an den Stellen Xi und X' i erfolgen kann. Vorteilhafter ist jedoch eine Schweiss- oder Lötnaht.

Die eben angegebenen Dimensionierungen gelten für den Fall, dass die Randeinspannung ideal steif ist und dass die Steifigkeit (E • I) des inneren Deformationsteils 1 und der äusseren Deformationsteile 2/3 in Fig. lc gleich sind. Nichtideale Randbedingungen (elastisches Aufbiegen des Flansches) kann durch eine geringfügige Verlagerung der Orte Xi und X' l randwärts kompensiert werden. Andererseits ist in der Nähe der Trennstelle stets für gleiche Steifigkeit der äusseren elastischen Elemente 2/3 mit dem inneren eigentlichen Fühlerelement 1 zu sorgen, da sonst das Prinzip der von radialen Biegemomenten freien Verbindungsstelle nicht zu erfüllen ist. Entfernt von der Trennstelle kann natürlich die bekannte Profilierung der Plattenfeder auch hier angewandt werden. Diese besteht beim Druckaufnehmer in einer Verstärkung der Randzonen, während beim Kraftaufnehmer vorzugsweise zusätzlich eine Verstärkung des die Punktlast tragenden Zentrums vorgesehen wird.

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Die Ausgestaltung des elektrischen Deformationssensors auf dem zentralen elastischen Fühlerteil erfolgt vorteilhaft nach dem Prinzip des Dehnungsmessstreifens oder kapazitiv. Hierzu zeigen Fig. 2 und 3 Beispiele. Im Falle des Dehnungs-messstreifen-Konzepts nach Fig. 2 steht nur ein Dehnungs-Vorzeichen zur Verfügung, so dass nur eine asymmetrische, halbaktive Brückenschaltung realisiert werden kann. Hierzu dienen die beiden skizzierten Dehnungsmessstreifen 4 und 4' in Fig. 2. Temperatur-Kompensationswiderstände können als ungedehnte, «passive» Widerstände aus demselben Dehnungsmessstreifen-Material realisiert und separat montiert werden. Hierzu können im Fall des Dünnfilm-Dehnungs-messstreifens Abfallecken dienen, z. B. die zwischen den Ronden verbleibenden Zwickel, die ohnehin mit beschichtet werden. Das in Fig. 3 gezeigte kapazitive Sensorsystem besteht aus den zwei ringförmigen Elektroden 5 und 5',

wobei letztgenannte auf dem Isolatorträger 6 aufgebracht ist. Der Isolatorträger 6 ist dabei - wie schematisch durch die Strebe 19 angedeutet - mit der Mitte des inneren Blattfederteils 21 ' verbunden und senkt sich bei Belastung mit dem inneren Plattenfederteil 21 ' ab. In Fig. 2b ist die Krafteinleitung ebenfalls nur schematisch durch den Haken 18 angedeutet. In den Fig. 2 und 3 entsprechen die massiven äusseren Wandungen 23 bzw. 23' der festen Einspannung 13 in Fig. lc, die vorstehenden, elastischen Bereiche 22 bzw. 22' entsprechen funktionell den Bereichen 2 und 3 in Fig. lc und die inneren, elastischen Scheiben 21 bzw. 21' entsprechen funktionell dem Mittelteil 1 in Fig. lc.

Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei praxisnahe Ausführungen des Prinzips:

Die Fig. 4 stellt einen Druckaufnehmer mit runder, zentraler Fühlerplatte 31 dar, welche mit einem Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen-System 4' versehen ist. Die Verbindung zwischen den beiden aus korrosionsfestem Stahl gefertigten Teilen 31 und 32/33 erfolgt durch eine Schweissnaht 7.

Weiter weist die Zeichnung die oben erwähnten Temperatur Kompensationswiderstände 15 an der Wandung des Gehäuses 33, die eingebaute Elektronikplatine 8 sowie das Anschlusskabel 9 aus.

In Fig. 5 ist ein Präzisions-Kraftaufnehmer für kleine Kräfte dargestellt. Er besteht aus dem inneren Fühlerelement - realisiert durch ein quadratisches Plättchen 10 aus Saphir -und dem aus Federblech hergestellten Rahmen 11, dessen Steifigkeit an den Verbindungsstellen mit der des Saphir-Plättchens übereinstimmt. Die Verbindung erfolgt hier an den Stellen 12 z. B. über ein eutektisches Edelmetall-Lot. Als Dehnungsdetektor sind hier Dünnfilm- Dehnungsmessstreifen 4'" aus einer Metallegierung vorgesehen. Die Krafteinleitung erfolgt mittig im Punkt 17, die Punkte 16 am Rahmen 11 dienen der gehäusefesten Abstützung.

Das Prinzip der am Ort des verschwindenden radialen Biegemoments geteilten Plattenfeder hat zwei unterschiedliche Anwendungsmotivationen :

- Es erlaubt die kostengünstige Realisierung von Blechsensoren, indem nur eine Minimalfläche für den aktiven Fühler benötigt wird und dennoch der notwendige Starrflansch zur Verfügung gestellt werden kann. Die aus Blech herzustellenden Fühlerscheibchen werden als Multiplett in einem Par-allelprozess hergestellt und beschichtet.

- Im Falle schwierig zu bearbeitender und teuerer Federmaterialien, wie Saphir, die weiterhin gekennzeichnet sind durch eine extreme Neigung zum spröden Bruch, bietet das Prinzip erhebliche Vorteile in bezug auf Material- und Herstellungskosten sowie Wechsellast-Beständigkeit.

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Kraft- oder Druckaufnehmer mit einer Plattenfeder, die an mindestens zwei Seiten mit einem überwiegend starren Rahmen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Plattenfeder aus mindestens zwei Teilen (1,2,3, 10,11,21,21 ', 22,22', 31,32) besteht, wobei der erste, innere Teil(l, 10,21,21', 31) ausschliesslich als deformierbare, im wesentlichen ebene Platte ausgebildet ist, während der zweite, äussere Teil den äusseren Bereich (2,3,11,22,22', 32) der elastischen Plattenfeder sowie den anschliessenden, überwiegend starren Rahmen (13,23,23', 33) umfasst,

- dass die Verbindungsstelle zwischen den beiden Teilen der Plattenfeder sich dort befindet, wo die in Richtung der Linie Lastschwerpunkt/Verbindungsstelle liegende radiale Biegemoment-Komponente verschwindend klein ist,

- und dass nur der erste, innere Plattenfederteil zur Detek-tion der durch die Kraft oder den Druck bewirkten Deformation vorgesehen ist.

2. Kraft- oder Druckaufnehmer nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass der erste, innere Plattenfederteil (21,21', 31) eine Kreis-, Ellipsen- oder Rechteckform aufweist und auf der gesamten Peripherie mit dem zweiten, äusseren Plattenfederteil (22,22', 32) verbunden ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Kraft- oder Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, innere Plattenfederteil (21,21', 31) aus einem Metallblech besteht.

4. Kraft- oder Druckaufnehmer nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem ersten, inneren Plattenfederteil (21,21', 31) und dem zweiten, äusseren Plattenfederteil (22,22', 32) durch Kleben, Löten oder Schweissen erfolgt.

5. Kraft- oder Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, innere Plattenfederteil (10) aus Quarzglas, Silizium oder Saphir besteht, dass der zweite, äussere Plattenfederteil (11) aus Metall besteht und dass diese beiden Plattenfederteile mittels eines niederschmelzenden Lotes miteinander verbunden sind.

6. Kraft- oder Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als defor-mationsdetektierender Sensor eine kapazitive Wegmessvorrichtung (5,5') vorgesehen ist.

7. Kraft- oder Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass als deforma-tionsdetektierender Sensor bei Belastung aktive Dehnungsmessstreifen (4,4', 4", 4'"), vorzugsweise in Dünnfilm-Tech-nologie auf dem ersten, inneren Plattenfederteil (10,21,21', 31) vorgesehen sind.

8. Kraft- oder Druckaufnehmer nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den bei Belastung aktiven Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen (4") auf dem ersten, inneren Plattenfederteil (31) weitere, im selben Dünnfilm Dehnungsmessstreifen-Prozess hergestellte Dehnungsmessstreifen (15) unbelastet als passive Referenz-Widerstände zur Temperaturkompensation vorgesehen sind.