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Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer zum Messen von
Druck- bzw. Schubkräften, mit einem Meßkörper, der zumindest
eine Kraftmeßzone aufweist, in der zumindest ein Kraftmeßsystem
angeordnet ist, das in der Lage ist, Dehnungen, Stauchungen
und/oder Biegungen des Meßkörpers in der Kraftmeßzone zu
erfassen, und mit einer den Meßkörper umfänglich zumindest teilweise
umgebenden Hülse, die sich zumindest über eine Teillänge des
Meßkörpers erstreckt und gegen den Meßkörper abgedichtet ist.
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Ein derartiger Kraftaufnehmer ist allgemein bekannt.
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Ein solcher Kraftaufnehmer wird beispielsweise zum Messen des
Schneckendruckes bei Extrudern oder zum Messen der Schließkraft
von Schleusentoren eingesetzt.
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Der Meßkörper derartiger Kraftaufnehmer ist üblicherweise als
Ringkörper ausgebildet, so daß derartige Kraftaufnehmer auch
als Meßringe bezeichnet werden. Der Meßkörper kann gemäß der
vorliegenden Erfindung einteilig oder mehrteilig ausgebildet
sein und eine im Querschnitt runde oder eckige Geometrie
aufweisen.
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Der Meßkörper des Kraftaufnehmers hat die Funktion, die zu
messenden Druck- bzw. Schubkräfte aufzunehmen. Diese Druck- bzw.
Schubkräfte führen in der Kraftmeßzone, die üblicherweise
gegenüber dem übrigen Bereich des Meßkörpers mit geringerer
Materialstärke ausgeführt ist, zu Dehnungen, Stauchungen bzw.
Biegungen des Meßkörpers, die von zumindest einem in der
Kraftmeßzone angeordneten Kraftmeßsystem, beispielsweise auf der Basis
von Dehnungsmeßstreifen, erfaßt und in Meßsignale umgewandelt
werden, aus denen in einer Auswerteeinheit die zu messenden
Kräfte ermittelt werden.
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Das Kraftmeßsystem bzw. die Kraftmeßsysteme sind empfindlich
gegen Umfeldeinflüsse wie Feuchtigkeit oder Verunreinigungen.
Wenn Feuchtigkeit an die Kraftmeßsysteme gelangt, werden diese
zunächst ungenau und später sogar zerstört, wodurch der
Kraftaufnehmer seine Funktion verliert. Um das oder die
Kraftmeßsysteme gegen derartige Umfeldeinflüsse zu schützen, ist um den
Meßkörper umfänglich eine Hülse angeordnet, die gegen den
Meßkörper abgedichtet ist.
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Die Hülse darf andererseits nicht die Meßempfindlichkeit des
Meßkörpers beeinträchtigen, d. h. der Meßkörper muß stets in der
Lage sein, auf die zu messenden Druck- bzw. Schubkräfte mit
Dehnungen, Stauchungen und/oder Biegungen in der Kraftmeßzone
antworten zu können, um eine genaue Kraftmessung zu
ermöglichen. Dementsprechend muß die Hülse relativ zum Meßkörper eine
gewisse Beweglichkeit in Längsrichtung des Meßkörpers
aufweisen, damit die zu messenden Druck- bzw. Schubkräfte zu den zur
Messung der Kräfte erforderlichen Dehnungen, Stauchungen bzw.
Biegungen des Meßkörpers in der zumindest einen Kraftmeßzone
führen können, ohne daß diese Kräfte von der Hülse aufgenommen
werden. Denn ansonsten würde die Empfindlichkeit des
Kraftaufnehmers und damit die Meßgenauigkeit vermindert.
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Um die zuvor genannte Relativbeweglichkeit zwischen der Hülse
und dem Meßkörper zu ermöglichen, wurde bei den bekannten
Kraftaufnehmern die Hülse gegen den Meßkörper mittels
Dichtungen, beispielsweise O-Ringen, abgedichtet, ohne daß die Hülse
starr mit dem Meßkörper verbunden ist.
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Eine Abdichtung der Hülse gegen den Meßkörper mittels
Dichtungen in Form von O-Ringen hat jedoch den Nachteil, daß die O-
Ringe im Laufe der Zeit durch Verschleiß oder Umfeldeinflüsse
undicht werden, so daß Verunreinigungen und Feuchtigkeit an die
Kraftmeßeinrichtungen gelangen können, woraus sich die zuvor
erwähnten schädlichen Folgen für den Kraftaufnehmer ergeben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Standzeit
eines Kraftaufnehmers der eingangs genannten Art zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des eingangs
genannten Kraftaufnehmers dadurch gelöst, daß die Hülse
hermetisch dicht fest mit dem Meßkörper verbunden ist, und daß die
Hülse zumindest eine Biegezone aufweist, in der die Hülse im
wesentlichen in Längsrichtung des Meßkörpers biegsam ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer wird das bzw. werden
die Kraftmeßsysteme sicher gegen Umfeldeinflüsse, wie
Verunreinigungen oder Feuchtigkeit, dadurch geschützt, daß die Hülse
hermetisch dicht fest mit dem Meßkörper verbunden ist.
Beispielsweise kann die Hülse vollumfänglich im Bereich beider
Längsendabschnitte mit dem Meßkörper verschweißt sein oder auf
den Meßkörper aufgeschrumpft sein. Damit sich die dadurch
ergebende an sich starre Verbindung der Hülse mit dem Meßkörper
nicht nachteilig auf die Meßempfindlichkeit und damit auf die
Meßgenauigkeit des Kraftaufnehmers auswirkt, ist des weiteren
erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Hülse zumindest eine
Biegezone aufweist, in der die Hülse im wesentlichen in
Längsrichtung des Meßkörpers biegsam ist. Die auf den Meßkörper
wirkenden zu messenden Druck- bzw. Schubkräfte werden in Folge der
zumindest einen Biegezone nicht oder zumindest im wesentlich
geringeren Umfang von der Hülse aufgenommen und können sich
somit unvermindert auf die Kraftmeßzone übertragen, während die
Hülse sich dabei in der Biegezone in Längsrichtung des
Meßkörpers biegt. Die Standzeit des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers
ist somit ohne Beeinträchtigung der Meßempfindlichkeit erhöht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die zumindest eine
Biegezone im Querschnitt balgartig ausgebildet.
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Durch die im Querschnitt balgartige Ausgestaltung der Biegezone
wird bei der Hülse eine besonders hohe Biegsamkeit erreicht,
ohne daß bei der Herstellung der Hülse biegsame Materialien wie
Elastomere oder Kunststoffe oder dergleichen verwendet werden
müssen. Die Hülse kann daher insgesamt aus Metall ausgebildet
werden. Des weiteren hat die balgartige Ausgestaltung auch den
Vorteil, daß die Hülse in der zumindest einen Biegezone im
wesentlichen elastisch biegsam ist, d. h. sich in diesem Bereich
nicht bleibend verformt, so daß die Nullage des Kraftaufnehmers
stets wieder erreicht wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Hülse in
der zumindest einen Biegezone von ihrer Außenseite und/oder
Innenseite her quer zur Längsrichtung des Meßkörpers verlaufende
Ausnehmungen oder Einschnitte auf.
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Diese Maßnahme, die zu einer im Querschnitt balgartigen
Ausgestaltung der Biegezone führt, hat den Vorteil, daß sich die
zumindest eine Biegezone mit besonders einfachen
Bearbeitungsmaßnahmen, beispielsweise Dreh- oder Fräsvorgängen,
herstellungstechnisch einfach und kostengünstig an der Hülse ausbilden
läßt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung bildet die
zumindest eine Biegezone ein Längsende der Hülse, und ist ein
äußeres Ende der Biegezone mit dem Meßkörper hermetisch dicht fest
verbunden.
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Diese Maßnahme führt zu einer noch einfacheren und
kostengünstigeren Herstellung der Hülse, da die Längsenden der Hülse für
eine maschinelle Bearbeitung besonders geeignet sind.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn das äußere Ende der zumindest
einen Biegezone mit dem Meßkörper verschweißt ist.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch eine Verschweißung
des äußeren Endes der Biegezone mit dem Meßkörper eine
hermetisch dichte feste Verbindung zwischen der Hülse und dem
Meßkörper auf verfahrenstechnisch einfache Weise realisiert werden
kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Hülse an
zumindest einem ihrer Längsendabschnitte auf den Meßkörper
aufgeschrumpft.
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Auch durch diese Maßnahme wird ebenfalls eine hermetisch dichte
feste Verbindung zwischen der Hülse und dem Meßkörper erreicht,
und zwar ebenfalls durch einen einfachen Herstellungsschritt.
Diese Maßnahme kann auch mit der zuvor genannten Maßnahme in
der Weise kombiniert sein, daß das äußere Ende der Biegezone
mit dem Meßkörper verschweißt ist, während das
gegenüberliegende Längsende bzw. der gegenüberliegende Längsendabschnitt auf
den Meßkörper aufgeschrumpft ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in bezug auf diese hiernach näher
beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Seitenansicht eines Kraftaufnehmers zum Messen
von Druck- bzw. Schubkräften;
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Fig. 2 einen Schnitt durch den Kraftaufnehmer in Fig. 1
entlang seiner Längsachse; und
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Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 2 mit X
bezeichneten Ausschnitts des Kraftaufnehmers in Fig. 1
und 2.
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In Fig. 1 und 2 ist ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10
versehener Kraftaufnehmer dargestellt. Der Kraftaufnehmer 10
dient zum Messen von Druck- bzw. Schubkräften, die auf den
Kraftaufnehmer 10 wie mit Pfeilen 12 angedeutet, in Richtung
einer Längsachse 14 des Kraftaufnehmers 10 wirken.
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Der Kraftaufnehmer 10 weist einen im gezeigten
Ausführungsbeispiel einteiligen Meßkörper 16 auf, der in Form eines Ringes
ausgebildet ist und eine mittige Montagebohrung 17 aufweist,
über die der Kraftaufnehmer 10 an seinem Einsatzort eingebaut
wird. Der Meßkörper 16 ist im Querschnitt im wesentlichen rund.
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Der Meßkörper 16 weist eine Kraftmeßzone 18 auf, in der der
Meßkörper 16 durch eine vollumfangliche Aussparung dünnwandiger
ausgebildet ist als im übrigen Bereich des Meßkörpers 16. Die
zu messenden Druck- bzw. Schubkräfte gemäß den Pfeilen 12
bewirken Dehnungen, Stauchungen bzw. Biegungen des Meßkörpers 16
in der Kraftmeßzone 18.
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In der Kraftmeßzone 18 sind jeweils ein oder mehrere
Kraftmeßsysteme 22, 24, 26, 28 angeordnet, die beispielsweise auf der
Basis von Dehnungsmeßstreifen ausgebildet sind und zusammen zu
einer Meßbrücke verschaltet sind. Die Kraftmeßeinrichtungen 22
bis 28 erfassen die aufgrund der auf den Meßkörper 16 wirkenden
Druck- bzw. Schubkräften bewirkten Dehnungen, Stauchungen
und/oder Biegungen des Meßkörpers 16 in der Kraftmeßzone 18 und
erzeugen entsprechende Meßsignale, die in einer nicht
dargestellten externen Auswerteeinheit verarbeitet werden, um daraus
die zu messende Kraft bzw. Kräfte zu ermitteln. Der
Kraftaufnehmer 10 weist dazu ferner einen Anschluß 30 zum Verbinden des
Kraftaufnehmers 10 mit einer Spannungsversorgung für die
Kraftmeßsysteme 22 bis 28 und der zuvor genannten nicht
dargestellten Auswerteeinheit auf.
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Der Kraftaufnehmer 10 weist weiterhin eine Hülse 32 auf, die
sich im gezeigten Ausführungsbeispiel im wesentlichen über die
gesamte Länge des Meßkörpers 16 in Richtung der Längsachse 14
erstreckt und den Meßkörper 16 umfänglich, im gezeigten
Ausführungsbeispiel vollumfänglich, umgibt.
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Der Meßkörper 16 und die Hülse 32 sind aus Metall, vorzugsweise
aus rostfreiem Stahl, hergestellt. Der Anschluß 30 ist an der
Hülse 32 befestigt, die zum Durchgang der elektrischen
Leitungen mit einer entsprechenden Öffnung 34 versehen ist. Ein
rohrförmiger Abschnitt 36 des Anschlusses 30 ist dabei hermetisch
dicht in die Öffnung 34 der Hülse 32 eingesetzt.
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Die Hülse 32 ist vollumfänglich hermetisch dicht gegen den
Meßkörper 16 abgedichtet und fest mit dem Meßkörper 16 verbunden.
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Zwischen den Längsendabschnitten 38 und 40 weist die Hülse 32
zumindest eine, im gezeigten Ausführungsbeispiel genau eine
sich hier vollumfänglich um die Hülse 32 erstreckende
Biegezone 42 auf, die in Fig. 3 in vergrößertem Maßstab dargestellt
ist.
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Im Bereich der Biegezone 42 ist die Hülse 32 in Richtung der
Längsachse 14 des Kraftaufnehmers 10 bzw. des Meßkörpers 16
biegsam, wie mit Pfeilen 44 und 46 in Fig. 3 angedeutet ist.
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Die Biegezone 42 der Hülse 32 ist im Querschnitt balgartig
ausgebildet. Die Hülse 32 weist in der Biegezone 42 eine
Ausnehmung bzw. einen Einschnitt 48 auf, der von der Innenseite der
Hülse 32 her in die Hülse 32 eingebracht ist, sowie eine
Ausnehmung bzw. einen Einschnitt 50, der von der Außenseite der
Hülse 32 in diese eingebracht wurde.
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Die Biegezone 42 bildet ein Längsende der Hülse 32, im
gezeigten Ausführungsbeispiel den Längsendabschnitt 40 der Hülse 32,
und ein äußeres Ende 52 der Biegezone 42 ist mit dem
Meßkörper 16 über eine vollumfänglich um den Meßkörper ausgebildete
Schweißnaht 54 hermetisch dicht und fest verbunden.
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Der gegenüberliegende Längsendabschnitt 38 der Hülse 32 ist auf
den Meßkörper 16 hermetisch dicht aufgeschrumpft, kann jedoch
auch lediglich auf den Meßkörper 16 aufgeschoben und mit einer
entsprechenden vollumfänglichen Schweißnaht am äußeren Ende des
Längsendabschnitts 38 mit dem Meßkörper 16 verschweißt sein.
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Die Biegezone 42 der Hülse 32 bewirkt nun, daß sich die
Hülse 32 bei auf den Meßkörper 16 wirkenden Druck- bzw.
Schubkräften 12 im Bereich der Biegezone 42 in der Art eines Gelenks
biegen kann, so daß die Hülse 32 die erforderliche
Relativbeweglichkeit relativ zum Meßkörper 16 in Richtung der
Längsachse 14 besitzt, wodurch sich die Druck- bzw. Schubkräfte gemäß
den Pfeilen 12 in vollem Umfang auf die Kraftmeßzone 18
übertragen und dort die zur Messung der Kraft erforderlichen
Dehnungen, Stauchungen und/oder Biegungen hervorrufen, wobei die
Hülse 32 nur einen kleinen Teil der Kräfte aufnimmt und dadurch
keine Verfälschung der Messung bewirkt. Mit anderen Worten
reduziert die Hülse 32 aufgrund der zumindest einen Biegezone 42
die Meßempfindlichkeit des Kraftaufnehmers 10 nicht oder nicht
in wesentlichem Maße. Andererseits gewährleistet die Hülse 32
durch die hermetisch dichte feste Verbindung mit dem Meßkörper
16 einen dauerhaften und verschleißfreien Schutz der
Kraftmeßeinrichtungen 22 und 28 gegen Verunreinigungen und
Feuchtigkeit, wodurch die Standzeit des Kraftaufnehmers 10 erhöht wird.