DE19924738A1 - Meßzelle - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßzelle zur Messung von Kräften mittels ortsfest gelagertem Hebel zur Einleitung der Meßlast, wobei der Hebel an einer flächigen Membran fest angebracht ist, die an ihrem Umfang in einem Gehäuse sitzt, welches gegenüber dem Maschinengestell ortsfest gelagert werden kann. Dieser Sensor zeichnet sich dadurch aus, daß die Membran als Federgebilde ausgestaltet ist, die neben ihrer Abdichtungsfunktion für ein dahinter liegendes Gehäuse auch Bestandteil der Meßzelle ist, deren elastische Verformung abgegriffen und in ein Meßsignal umgesetzt wird.

Description

Die folgende Erfindung betrifft eine Meßzelle nach Ober­ begriff des Hauptanspruchs.

Derartige Meßzelle ist zum Beispiel bekannt aus DE-PS 41 10 429.

Bei derartigen Meßzellen wird eine Meßlast über einen ortsfest gelagerten Hebel in die Meßzelle eingeleitet und auf ein elastisch verformbares Federgebilde übertragen. Die Ver­ formung des Federgebildes wird über geeignete Meßwertaufneh­ mer erfaßt und zu einer Auswerteschaltung gegeben.

Die Meßzelle muß hierzu an einem ortsfesten Maschinenge­ stell befestigt werden. Zu diesem Zweck dient ein starres Ge­ häuse, welches mit jeweils geeigneten Vorrichtungen zur Befe­ stigung am Maschinengestell ausgestattet ist.

Derartige Meßzellen werden vielfach bei Meßaufgaben ein­ gesetzt, bei denen die Gefahr der Dekontamination besteht, weil sich beispielsweise Dämpfe, Ölnebel, verflüchtigte Sub­ stanzen jeder Art auf der Meßzelle im Laufe der Zeit vertei­ len können.

Es gilt daher grundsätzlich, die Meßzelle gegen derarti­ ge Umwelteinflüsse abzuschirmen.

Hierzu sind im Stand der Technik Faltenbälge bekannt, deren Hub erfaßt und in ein Meßsignal umgewandelt wird.

Das Problem derartiger Faltenbälge ist die relativ große Masse und demzufolge taugen derartige Konstruktionen nicht zur Messung kleiner Kräfte und insbesondere kleiner Kräfte unter hochfrequenten zeitlichen Änderungen.

Obwohl dies keine Beschränkung der Erfindung auf derar­ tige Verfahren sein soll, tritt das Problem der Dekontamina­ tion insbesondere im Textilbereich auf. Dort dienen derartige Meßzellen zum Beispiel der Erfassung kleiner Fadenkräfte, die hochdynamischen Schwingungen unterworfen sind. Gerade hier muß berücksichtigt werden, daß der laufende Faden mit einer Präparation beziehungsweise Avivage versehen ist, die sich im Laufe der Zeit in der gesamten Maschinenhalle hauchdünn ver­ breitet und somit die Gefahr von Fehlmessungen an der Meßzel­ le hervorruft.

Man kann zwar versuchen, derartige Meßzellen zu kapseln. Dann jedoch tritt das zusätzliche Problem von Fehlmessungen und Nichtlinearitäten in den Vordergrund, da die Kapselung auch die Eintrittsstelle des Hebels in die Meßzelle umfassen muß und auch an dieser Stelle dicht zu sein hat.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die be­ kannte Meßzelle so weiterzubilden, daß unter Vermeidung obi­ ger Dichtigkeitsprobleme trotzdem ein hochdynamisch auflösen­ der Sensor für kleine Kräfte entsteht, der ein lineares Aus­ gangssignal aus einer Biegeverformung liefert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des An­ spruchs 1.

Aus der Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß die Zel­ len hermetisch gegenüber der Umgebung abgeriegelt sind und einen in sich abgeschlossenen Topf bilden, wobei diejenige Wandung des Topfs, die den Hebel zur Einleitung der Meßlast trägt, als linear verformbares Federgebilde erkannt wurde.

Dieses Federgebilde wird in der vorliegenden Anmeldung als flächige Membran bezeichnet, die an ihrem Umfang starr an das Gehäuse angekoppelt ist. Über den zu einer Seite der Mem­ bran hinausragenden Hebel wird die jeweilige Meßlast in die Membran eingeleitet, die ihrerseits infolge der starren Ein­ spannung am Umfang zumindest in derjenigen Ebene, in welcher außer dem Hebel auch die Meßlast liegt, eine S-förmige Aus­ lenkung erfährt.

Es kann daher das bewährte Meßprinzip des sogenannten Doppelbiegebalkens auch an der Erfindung angewandt werden. Infolge der starren Ankoppelung der Membran an das Gehäuse werden die angekoppelten Randzonen der Membran biegemomenten­ steif gehalten, so daß der Membran bei Lastbeaufschlagung des Hebels eine S-förmige Auslenkung aufgeprägt wird.

Andererseits ist die Membran parallel zu der wirkungsli­ nie der jeweils eingeleiteten Meßlast sehr steif, so daß in den seitlich neben dem Hebel liegenden Zonen eine parasitäre Verformung praktisch nicht zu berücksichtigen ist. Die even­ tuell vorkommenden Verformungen sind darüberhinaus symme­ trisch zueinander und verfälschen daher das Meßergebnis nicht.

Die Erfindung nutzt daher die generelle Tendenz der Mem­ bran, sich unter der jeweiligen Meßlast elastisch zu verfor­ men und greift die diesbezüglichen Verformungen an geeigneten Stellen der Membran ab.

Diese Membran ist ein im Prinzip flächiges Gebilde, wel­ ches neben der Funktion einer elastischen Verformung auch die Funktion der Abdichtung des hinter der Membran liegenden Rau­ mes erfüllt. Dieser wird von dem Gehäuse dicht umschlossen und der eigentliche Raum der Meßzelle, in welchem sich auch die Meßwertaufnehmer zweckmäßigerweise befinden, ist daher auch für Flüssigkeiten mit stark kriechenden Eigenschaften unzugänglich.

Der hinter der Membran abgeschlossene Raum kann auf vielfältige Weise zur Erzielung vorbestimmter Effekte genutzt werden. Dieser Raum kann zum Beispiel mit einem Öl geeigneter Viskosität gefüllt werden. Hierdurch läßt sich eine vorbe­ stimmte Dämpfung beziehungsweise auch ein definierter Fre­ quenzgang erzielen. Zur Erhöhung der Dämpfung kann zusätzlich eine perforierte Trennwand vorgesehen sein, so daß einge­ schlossene Dämpfungsflüssigkeit durch die verringerten Fließ­ querschnitte der Perforation am freien Hin- und Herströmen zusätzlich gehindert wird.

Daher eignet sich die erfindungsgemäße Meßzelle insbe­ sondere zum Einsatz bei praktisch beliebig kleinen Nennmeß­ kräften in Prozessen zur Herstellung von Fäden, insbesondere Endlosfäden, da das Eigenschwingverhalten des Sensors prak­ tisch beliebig gedämpft werden kann.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit einer Be­ füllung unter höherem Druck als Atmosphärendruck. Diese Maß­ nahme unterbindet jegliches Eintreten kriechender Flüssig­ keiten nachhaltig, so daß das Zeitstandverhalten der Meßzelle zuverlässig prognostiziert werden kann.

Die Meßzelle ermöglicht darüberhinaus neben einer Erfas­ sung der S-förmigen Verbiegung der Membran auch eine Erfas­ sung von deren Torsion.

Hierzu wird vorgeschlagen, daß in Frontalansicht die Meßwertaufnehmer auf einer Parallelen zur Wirkungslinie der Meßlast und paarweise zu beiden Seiten des Hebels angeordnet sind und darüberhinaus zusätzliche Meßwertaufnehmer auf einer hierzu querliegenden Linie vorgesehen sind. Letztere Meßwert­ aufnehmer werden zweckmäßigerweise als Torsionsaufnehmer aus­ gestaltet, zum Beispiel in Form von Dehnungsmeßstreifen, de­ ren Orientierungsrichtung unter 45° zu der Querlinie liegt.

Da die vorliegende Meßzelle auf einfache Weise punktsym­ metrisch beziehungsweise rotationssymmetrisch ausgeführt sein kann, läßt sich eine vollständige Auswuchtung erzielen.

Diese Meßzelle ist daher insbesondere auch für den Ein­ satz im rotierenden Bereich geeignet.

Verwendet man zur Auswuchtung Kontergewichte im Innenbe­ reich der Meßzelle, können diese auch in einer weiteren Funk­ tion als überlastbegrenzender Anschlag dienen.

Darüberhinaus bietet die Meßzelle nach dieser Erfindung die Möglichkeit unterschiedlicher Befestigungen am Maschinen­ gestell, zum Beispiel über eine Gewindehülse, ein am Außenum­ fang des Gehäuses angebrachtes Schraubgewinde, eine glatte und zylindrische Oberfläche in Verbindung mit axialen Klemm­ einrichtungen, der Befestigung über einen umlaufenden Flanschring etc.

Es ist in Weiterbildung vorgesehen, daß der Hebel die Membran durchstößt und bis kurz vor den Boden des Topfs ver­ läuft. Auf diese Weise kann auf einfache Weise ein überlast­ begrenzender Anschlag installiert werden. Hierzu wird am Bo­ den des Topfs ein Ring verankert, dessen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Hebels am topfseitigen Ende ist, so daß der Hebel mit seinem topfseitigen Ende in gewissem Umfang frei beweglich ist, bevor er an den Innenum­ fang des angesetzten Ringes stößt.

Zudem läßt sich die Verlagerung des topfseitigen Endes des Hebels unter der jeweils wirkenden Meßlast auch relativ einfach abgreifen und als Meßsignal nach außen führen. Hierzu kommen insbesondere kapazitive Meßverfahren oder Hall-Sonden in Betracht, da diese berührungsfrei arbeiten und somit das jeweilige Meßsignal leicht aus der Meßzelle herausgebracht werden kann.

Berücksichtig man ferner, daß der Sensor bei kleinem Hub ein hohes Ausgangssignal liefern soll, wird ergänzend vorge­ schlagen, den in sich geschlossenen Umfangsrand der Membran als stabilen massiven Ring auszubilden, auf den nach innen gesehen eine relativ dünne Meßzone von nur wenigen einzehntel Millimetern Dicke folgt. An die Meßzone schließt sie nach in­ nen erneut ein dicker massiver Bereich an, welcher der Auf­ nahme des Hebels dient.

Ein derartiger Sensor bietet eine relativ hohe Auflösung auch bei kleinen Kräften, wobei sich gegenüber den dicken massiven Zonen mit erheblicher Materialanhäufung die reinen Meßzonen sehr feinfühlig auslenken werden.

Zweckmäßigerweise ist die Membran ein einstückiges Bau­ teil, so daß eventuelle innere Verspannungen etc. vermieden werden.

Zur besseren Abtragung der jeweiligen Meßlast wird er­ gänzend vorgeschlagen, die Membran an jeweils zwei sich ge­ genüberliegenden Stellen abzuflachen und das jeweilige Gehäu­ se ebenfalls, damit innerhalb der Membran unter der Meßlast ein im wesentlichen gleichmäßiger Spannungsaufbau erfolgen kann.

Darüberhinaus bietet die Erfindung den Vorteil, daß zu­ sätzlich zur Verformung der Membran auch eine Verformung des Hebels abgegegriffen werden kann. Dies erfolgt zweckmäßiger­ weise durch Einfangen des topfseitigen Hebelendes mittels ei­ ner festen Abstützung am Topf. Zweckmäßigerweise wird der He­ bel dann zwischen dem Einspannpunkt am Topf und der Befesti­ gungsstelle an der Membran nach Art einer Biegefeder ge­ schwächt, so daß sich unter der jeweils gegebenen Meßlast ei­ ne Ausbiegung des Hebels im abgeschlossenen Topfbereich ein­ stellen wird.

Diese Ausbiegung läßt sich in geeigneter Weise abgreifen und zur Meßauswertung überlagern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit frei beweglichem Hebelende,

Fig. 2 eine mögliche Frontalansicht auf die Meßzelle,

Fig. 3 eine weitere mögliche Frontalansicht auf die Meß­ zelle,

Fig. 4 Frontalaufsicht auf eine modifizierte Membran mit abgeflachten Einspannzonen,

Fig. 5 schematische Darstellung einer weiteren Meßzelle mit kopfseitig eingespanntem Hebel.

Sofern im folgenden nichts anderes gesagt ist, gilt die folgende Beschreibung stets für alle Figuren.

Die Figuren zeigen eine Meßzelle 1 zur Messung von Kräf­ ten mittels ortsfest gelagertem Hebel 3 zur Einleitung der jeweiligen Meßlast 2. Der Hebel 3 überträgt die jeweilige Meßlast 2 auf ein elastisch verformbares Federgebilde 4. An dem Federgebilde 4 sind Meßwertaufnehmer 5 vorgesehen, welche die jeweilige Verformung des Federgebildes erfassen und in ein Meßsignal umwandeln.

Die Meßzelle 1 sitzt innerhalb eines starren Gehäuses 9. Das Gehäuse 9 weist Vorrichtungen zur Befestigung am Maschi­ nengestell auf. Hierunter können beispielsweise Klemmvorrich­ tungen am Außenmantel des Gehäuses fallen. Gegebenenfalls können Anschraubflansche vorgesehen sein. Im gezeigten Aus­ führungsbeispiel ist am Gehäuseumfang ein umlaufendes Gewinde vorgesehen, welches über geeignete Paare von Spannmuttern ge­ genüber dem Maschinengestell 6 verschraubt wird.

Wesentlich ist nun, daß das Federgebilde 4 die Form ei­ ner flächigen Membran 7 hat. Die Membran 7 weist einen umlau­ fenden und in sich geschlossenen Rand 8 auf und ist mit die­ sem Rand 8 an den Innenumfang des Gehäuses 9 dicht angefügt und dort starr befestigt. Hierzu dient die dichte Befesti­ gungsfuge 10 zwischen dem Außenumfang des geschlossenen Ran­ des 8 und dem Innenumfang des Gehäuses 9. Zur Abdichtung des geschlossenen Randes am Gehäuse kann zum Beispiel Metall, Teflon, Kunststoff dienen. Gleichsam sind Metallringdichtun­ gen, Lötfugen, Klebefugen, Schweißnähte denkbar. Die Membran kann aber auch einstückig mit dem Anschlußbereich des Gehäu­ ses 9 hergestellt sein. Geeignete Fertigungsverfahren sind Stanzen, Fräsen, Drehen, Erodieren oder Verfahren aus der Mikromechanik.

Die Membran 7 erstreckt sich in Seitenansicht (siehe Fig. 1) im wesentlichen parallel und in Frontalansicht (siehe Fig. 2 bis 4) längs sowie quer zur Richtung der Meßlast 2, wo­ bei die Meßlast 2 von der eigentlichen Meßstelle an der Mem­ bran einen vorbestimmten Abstand 32 einnimmt. Dieser Abstand 32 ist wesentlich, da er eine S-förmige Auslenkung der Mem­ bran 7 bewirkt, deren Verformungen von den Meßwertaufnehmern 5 zu erfassen sind.

Zu einer Seite der Membran ist das Gehäuse 9 topfartig in sich geschlossen, so daß zwischen der Innenseite der Mem­ bran 7 und dem topfartigen Teil des Gehäuses 9 ein abge­ schlossener Hohlraum 11 entsteht. Der Hebel 3 zur Einleitung der Meßlast 2 ist starr im Zentrum der Membran 7 befestigt und ragt auf der anderen Seite der Membran 7 frei zugänglich in den Raum. An seinem freien Ende wird er von der Meßlast beaufschlagt. Zwischen dem Zentrum der Membran 7 und dem He­ bel 3 wird eine Verbindung über die Einspannstelle 12 ge­ schaffen, die nach Möglichkeit im Verhältnis zu den Meßzonen, an denen die Meßwerteaufnehmer 5 angebracht sind, biege- und verformungssteif ist.

Durch die biege- und verformungssteife Verbindung zwi­ schen Hebel 3 und dem Zentrum der Membran 7 wird im wesentli­ chen die gesamte Meßlast 2 in entsprechende Verformungen der Membran 7 dort umgesetzt, wo auch die Meßwertaufnehmer 5 an­ gebracht sind.

Wie Fig. 2 bis 4 zeigen, verläuft die Wirkungslinie 13 der Meßlast 2 im wesentlichen mittig durch das Zentrum der Membran 7. Eine hierzu quer liegende Querlinie 14 kann einem zusätzlichen Meßwertabgriff dienlich sein, da auch hier eine genau definierte Verformung erfolgen wird.

Während nämlich die Bereiche ober- und unterhalb der Kraftangriffsstelle im wesentlichen eine S-förmige Verbiegung erfahren, erfolgt um den Bereich der Querlinie 14 herum eine Torsion, die mit geeignet orientierten Meßwertaufnehmern ab­ gegriffen werden kann.

Zweckmäßigerweise verläuft die Mittellinie des Hebels 13 durch den Schnittpunkt 15 zwischen der Wirkungslinie 13 der Meßlast und der Querlinie 14, da auf diese Weise definierte Angriffs- und Verformungsverhältnisse vorliegen.

Zusätzlich zeigen die Fig. 1 und 5 die Anordnung der Meß­ wertaufnehmer 5 auf der dem Topfinneren zugewandten Fläche der Membran 7. Da zwischen der Membran 7 und dem Innenumfang des Topfs eine dichte Fuge besteht, bleiben schädliche Sprüh­ nebel und so weiter außerhalb der Meßwertaufnehmer. Die Mem­ bran dient daher neben einer Abgriffsmöglichkeit für die Meß­ werte zusätzlich auch der Abdichtung der Meßwertaufnehmer ge­ gen die Umgebung.

Weiterhin zeigen die Fig. 2 bis 4 in Frontalansicht, daß die Meßwertaufnehmer 5 auf einer Parallelen zur Wirkungslinie 13 der Meßlast liegen und paarweise zu beiden Seiten des He­ bels 3 angeordnet sind. Zusätzlich können Torsionsmeßstreifen auf der Querlinie 14 vorgesehen sein, die quer zu der Paral­ lelen zur Wirkungslinie der Meßlast orientiert ist. Auch in diesem Fall sollten die Meßwertaufnehmer paarweise zu beiden Seiten des Hebels vorgesehen sein.

Obwohl die Grundrißform der Membran 7 beliebig wählbar ist, werden insbesondere punktsymmetrische Formen bevorzugt. Hierzu zählen insbesondere die quadratische Grundrißform und die kreisrunde Grundrißform gemäß Fig. 3. Letztere bietet den zusätzlichen Vorteil der relativ einfachen Herstellung auf einer Drehbank. Gleichwohl kommen aber auch elliptische oder rautenförmige Grundrißformen ohne weiteres in Betracht.

Ergänzend hierzu zeigen die Fig. 1 und 5, daß der Hebel 3 die Membran 7 durchstößt und mit einem zweiten Hebelende 16 bis kurz vor den Boden 17 des Topfs verläuft, diesen jedoch nicht berührt. Dieser Fall ist in Fig. 1 gezeigt. Dort ist das zweite Hebelende 16 innerhalb gewisser Grenzen frei beweg­ lich. Abweichend hiervon zeigt Fig. 5 einen Ausführungsfall, bei welchem das zweite Hebelende gegenüber dem Boden 17 des Topfs eingespannt ist. Dort ist ergänzend eine Biegezone 30 zwischen der endseitigen Festlegung 29 und der Membran 7 vor­ gesehen. Diese Biegezone dient der Aufnahme geeigneter Meß­ wertaufnehmer 31, so daß zusätzlich die dort anliegenden Ver­ formungen abgegriffen und ausgewertet werden können.

Ergänzend zum gezeigten Ausführungsfall läßt sich die endseitige Festlegung auch als feste Einspannung ausbilden. In diesem Falle würde im Bereich der Biegezone 30 ein Wende­ punkt entstehen, an welchem die Krümmung des zweiten Hebelen­ des 16 die Richtung wechselt. Es würde sich demnach ein zu­ mindest im wesentlichen S-förmig gekrümmter Biegebalken aus­ bilden.

Ergänzend hierzu zeigt Fig. 1 einen gehäusefesten An­ schlag 18, der im Umgebungsbereich des bodenseitigen Endes des Hebels 3 vorgesehen ist. Der gehäusefeste Anschlag um­ fasst das zweite Hebelende 16 mit einem vorgegebenen Abstand, so daß für das zweite Hebelende 16 ein freier Bewegungsbe­ reich 19 entsteht.

Innerhalb dieses Bewegungsbereichs 19 kann das zweite Hebelende 16 frei bewegt werden. Der Bewegungsbereich 19 wird bestimmt durch den Abstand, der zwischen dem Außenumfang des zweiten Hebelendes 16 und dem Innenumfang des gehäusefesten Anschlags 18 entsteht.

Dieser Abstand ist so begrenzt, daß ein Anstoß des bo­ denseitigen Endes des Hebels noch während der elastischen Membranverformung erfolgt.

Für diesen Fall dient der Anschlag 18 als Überlastbe­ grenzer zur Vermeidung von Verformungen an der Meßzelle 1, die zu deren Zerstörung führen würden.

Zusätzlich kann dieser Abstand, der sich naturgemäß bei Beaufschlagung des Hebels 3 zeitlich ändert, zum Beispiel durch ein kapazitives oder induktives Meßverfahren abgegrif­ fen werden. Der jeweils aktuelle Abstand ist daher auch ein Maß für die jeweils auf die Meßzelle 1 wirkende Kraft.

Ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, die Meßwerte über eine drahtlose Funkverbindung aus dem Innenraum der Meßzelle 1 nach außen zu führen. Hierzu soll im Innenraum ein Sender 20 vorgesehen sein, der über entsprechende Verbindungsleitun­ gen von den Meßwertaufnehmern 5 beziehungsweise 31 beauf­ schlagt wird. Über einen Außenorts angeordneten Empfänger 21 werden die vom Sender 20 übermittelten Signale an eine Aus­ werteschaltung weitergereicht.

Das topfartige Gehäuse kann zweckmäßigerweise mit einer Füllung 22 versehen sein. Hierunter ist zum Beispiel ein in­ nertes Schutzgas zu verstehen. Durch derartige Füllung läßt sich das Eintreten dekontaminierender atmosphärischer Be­ standteile zuverlässig unterbinden.

Darüberhinaus kann auch eine Füllung 22 mit dämpfenden Eigenschaften eingefüllt sein. Hierunter sind zum Beispiel hochviskose Öle, zum Beispiel Silikonöle zu verstehen.

Da bei Beaufschlagung der Membran 7 stets auch eine ge­ wisse Verdrängung der eingefüllten Dämpfungsflüssigkeit er­ folgt, läßt sich durch entsprechende Auswahl der Flüssigkeit eine definierte Dämpfung beziehungsweise ein definierter Fre­ quenzgang einstellen.

Durch Anordnung von Dämpfungsvorsprüngen 23, die zusam­ men mit dem Hebel 3 bewegt werden und die in die jeweilige Dämpfungsflüssigkeit eintauchen, kann eine zusätzliche Dämp­ fung erzielt werden. Der Dämpfungsgrad kann weiter gesteigert werden durch Verwendung einer zusätzlichen Dämpfungswand 24, die in den Innenraum des Gehäuses 9 eingepasst ist. Die Dämp­ fungswand verfügt über Perforationen, um der eingeschlossenen Dämpfungsflüssigkeit eine erheblich behinderte Strömung in­ nerhalb des Innenraums zu erlauben.

Ergänzend zeigen die Figuren Membranen 7, bei denen der in sich geschlossene Rand 25 erhebliche Materialanhäufungen aufweist und der Zentralbereich ebenfalls, wobei zwischen Rand 25 und Zentrum 26 sehr dünne Meßzonen 27 vorgesehen sind, an denen die federelastische Verformung abgegriffen wird.

Während also die Materialanhäufungen im wesentlichen im Randbereich und im Zentrum der Membranen 7 vorgesehen sind, sind die dazwischen liegenden Zonen praktisch nur millimeter­ dünn oder geringer, so daß die insbesondere bei Textilmaschi­ nen auftretenden kleinen Kräfte hochdynamisch erfasst werden können. Bei derartiger Membrangestaltung treten parasitäre Verformungen praktisch nicht auf.

Ergänzend hierzu zeigt Fig. 4 eine Membran, die an je­ weils zwei sich gegenüberliegenden Stellen abgeflacht ist, wobei die Verbindungslinien der sich jeweils gegenüberliegen­ den Abflachungen zueinander senkrecht stehen.

Hierbei dienen die Abflachungen 28 der ortsfesten Ein­ spannung der Membran 7 über einen relativ breiten Längsbe­ reich, so daß auch außerhalb der Symmetrielinie, die parallel zur Wirkungslinie der Meßlast liegt, zuverlässig vorhersagba­ re Membranverformungen entstehen.

Ergänzend hierzu zeigen die Fig. 2 bis 4 in gestrichelter Form Membranen, bei denen der umlaufende Rand 25 über hoch­ kant und quer verlaufende Meßzonen verbunden ist. Die jeweils nicht mit Meßwertaufnehmern 5 besetzten Felder sind an dem Meßergebnissen nicht beteiligt und dienen insbesondere nur der Abdichtung einerseits und der versteifenden Aufhängung der horizontal und vertikal gelagerten Meßstreifen.

Wie diesen Figuren zu entnehmen ist, lassen sich die Meßwertaufnehmer 5 auf zwei zueinander senkrechten Achsen auf der Membran anordnen, damit zeitgleich eine Messung in beiden Achsen durchgeführt werden kann. Derartige Maßnahmen bieten den Vorteil, daß mit der Messung der jeweils aktuellen Meß­ last auch Aussagen zum Beispiel über den Reibwert am An­ griffspunkt der Meßlast 2 getroffen werden können.

Derartiger Sensor bietet den zusätzlichen Vorteil, daß er um seine Zentralachse herum ausgewuchtet werden kann. Hierdurch läßt sich derartiger Sensor auch ohne weiteres im rotierenden Bereich einsetzen. Sieht man das Auswuchtgewicht im Innenraum des Sensors vor, kann dies zusätzlich als über­ lastbegrenzender Anschlag dienen.

Die vorliegende Erfindung bietet daher insgesamt den Vorteil, derartige Sensoren mit sehr kleiner Nennmeßkraft hermetisch dicht auszuführen und dabei trotzdem sehr kompakt zu gestalten. Da die Meßzelle mit Ausnahme der Meßzonen 27 insgesamt sehr biege- und verformungssteif ausgeführt werden kann, weisen derartige Sensoren auch eine sehr hohe System­ eigenfrequenz auf und eignen sich deshalb insbesondere auch für Messungen im hochdynamischen Bereich, zum Beispiel bei schnell laufenden Kunststoffäden (10 000 m pro Minute und mehr) an Spinnereimaschinen.

Bezugszeichenaufstellung

1

Meßzelle

2

Meßlast

3

Hebel

4

Federgebilde

5

Meßwertaufnehmer

6

Maschinengestell

7

Membran

8

geschlossener Rand

9

Gehäuse

10

dichte Befestigungsfuge

11

abgeschlossener Hohlraum

12

Einspannstelle des Hebels

13

Wirkungslinie der Meßlast

14

Querlinie zur Wirkungslinie

15

Schnittpunkt zwischen Wirkungslinie und Querlinie

16

zweites Hebelende

17

Boden des Topfs

18

gehäusefester Anschlag

19

Bewegungsbereich

20

Sender

21

Empfänger

22

Füllung

23

Dämpfungsvorsprung

24

zusätzliche Dämpfungswand

25

Rand

26

Zentrum

27

Meßzone

28

Abflachung

29

endseitige Festlegung

30

Biegezone

31

Meßwertaufnehmer in der Biegezone

32

Abstand

Claims (19)

1. Meßzelle (1) zur Messung von Kräften mittels ortsfest gelagertem Hebel (3) zur Einleitung der Meßlast (2), der die jeweils wirkende Meßlast (2) auf ein elastisch ver­ formbares Federgebilde (4) mit daran sitzenden Meßwert­ aufnehmern (5) überträgt, wobei die Meßzelle (1) in ei­ nem starren Gehäuse (9) sitzt, welches über Vorrichtun­ gen zur Befestigung am Maschinengestell (6) verfügt, da­ durch gekennzeichnet, daß das Federgebilde (4) eine flächige Membran (7) ist, die sich in Seitenansicht im wesentlichen parallel und in Frontalansicht längs sowie quer zur Meßlast erstreckt und die einen geschlossenen Rand (8) aufweist, an dem sie von dem Gehäuse (9) dicht umschlossen wird, wobei zu einer Seite der Membran (7) das Gehäuse (9) topfartig in sich geschlossen ist und daß der Hebel (3) zur Einleitung der Meßlast (2) starr an der Membran (7) befestigt ist und zur anderen Seite der Membran (7) auskragt.

2. Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertaufnehmer (5) auf der dem Topf zugewandten Fläche der Membran (7) sitzen.

3. Meßzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß in Frontalansicht die Meßwertaufnehmer (5) auf einer Parallelen zur Wirkungslinie (13) der Meßlast und paarweise zu beiden Seiten des Hebels (3) angeordnet sind.

4. Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßwertaufnehmer (5) auf einer Querlinie (14) quer zur Parallelen zur Wirklinie der Meßlast (2) und paarweise zu beiden Seiten des Hebels (3) angeordnet sind.

5. Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Membran (7) bezüglich der Mit­ tellinie des Hebels (3) punktsymmetrisch ist.

6. Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Membran bezüglich der Mittelli­ nie des Hebels rotationssymmetrisch ist.

7. Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hebel (3) die Membran (7) durch­ stößt und mit einem zweiten Hebelende (16) bis kurz vor den Boden (17) des Topfs verläuft.

8. Meßzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Hebelende (16) den Boden des Topfs nicht be­ rührt und daß im Umgebungsbereich des bodenseitigen En­ des des Hebels (3) ein gehäusefester Anschlag (18) vor­ gesehen ist, der zu dem bodenseitigen Ende des Hebels eine so bemessenen Abstand (19) einnimmt, daß ein Anstoß des bodenseitigen Endes des Hebels (3) noch während ela­ stischer Membranverformungen erfolgt.

9. Meßzelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auslenkung des bodenseitigen Endes des He­ bels aus der zentrierten Nullstellung erfaßt und als Meßwert nach außen gegeben wird.

10. Meßzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bodenseitige Ende des Hebels von einem gehäusefesten Anschlag gehalten wird, welcher eine Verschiebung des bodenseitigen Endes des Hebels verhindert und daß zwischen dem bodenseitigen Ende des Hebels und der Membran (7) eine Biegezone (30) vorgesehen ist, deren Verformung von Meßwertaufnehmern (31) erfaßt und als Meßwert nach außen gegeben wird.

11. Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßwerte über eine drahtlose Funkeinrichtung (20, 21) nach außen gegeben werden.

12. Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das topfartige Gehäuse (9) mit einem inerten Schutzgas gefüllt ist.

13. Meßzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas unter Überdruck steht.

14. Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in das topfartige Gehäuse (9) eine Dämpfungsflüssigkeit (22) eingefüllt ist.

15. Meßzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß an die Bewegung der Membran gekoppelte Dämpfungsvor­ sprünge (23) vorgesehen sind, die in die Dämpfungsflüs­ sigkeit (22) hineinragen.

16. Meßzelle nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der Membran und dem Boden (17) des Topfs eine durchlöcherte Dämpfungswand (24) vorgese­ hen ist.

17. Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Membran (7) über einen geschlos­ senen Rand (25) und ein Zentrum (26) jeweils mit erheb­ lichen Materialanhäufungen verfügt und daß zwischen Rand (25) und Zentrum (26) sehr dünne Meßzonen (27) vorgese­ hen sind, deren federelastische Verformung abgegriffen wird.

18. Meßzelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (7) ein einstückiges Bauteil ist.

19. Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Membran (7) an jeweils zwei sich gegenüberliegenden Stellen über Abflachungen (28) ver­ fügt und daß die Verbindungslinien der jeweils zwei sich gegenüberliegenden Abflachungen (28) zueinander senk­ recht stehen.