DE2537403C3 - Kraftmeßelement - Google Patents

Description

Kraftmeßelementen gleichzeitig betrieben wird, ist zu einer problemlosen Auswertung eine einheitliche Empfindlichkeit (elektrische Größe am Ausgang des Meßverstärkers : mechanische Kraft) nötig. Werden nämlich in größeren Meßanlagen einzelne Kraftmeßelemente infolge von Defekten ersetzt, so können Meßfehler von 10% aufgrund des Streubereiches der Kraftmeßelemente ohne weiteres auftreten, wenn nicht die Meßverstärker entsprechend neu einjustiert werden. Vor allem auch dann, wenn Kraftmeßelemente mechanisch parallel geschaltet zum Aufbau einer Kraftmeßplattform verwendet werden, ist es notwendig, die Empfindlichkeit der einzelnen Kraftmeßelemente innerhalb enger Toleranzen gleich zu halten, damit die Meßplatte an jeder Stelle die gleiche Empfindlichkeit aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Kraftmeßelemente mit vorgegebener Standardempfindlichkeit (pC/N bzw. mV/N) zu schaffen, ohne daß die Herstelltoleranzen der einzelnen Bestandteile über das heute übliche Maß hinaus kostensteigernd eingeengt werden müssen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß für die Übertragung von Nebenschlußkräften ein Kraftübertragungselement parallel zum elektromechanischen Wandlerelement vorhanden ist und daß die Elastizität der NtI enschlußkraf!übertragungselemente durch nachträgliche Bearbeitung an vorbestimmter Stelle so beeinflußbar ist, daß das Kraftverhältnis Meßkräfte : Nebenschlußkräfte zwecks Empfindlichkeitsabstimmung veränderbar und einstellbar ist.

Bei erfindungsgemäß aufgebauten Kraftmeßelementen läßt sich in sehr einfacher Weise, nämlich durch Verändern der Elastizität der Elemente, über die die Nebenkräfte geleitet werden, eine einheitliche Empfindlichkeit des Kraftmeßelementes erzielen, weil das Verhältnis des das elektromechanische Wandlerelement belastenden Kraftanteiles zum Nebenschlußkraftanteil und damit zur Gesamtkraft einstellbar ist. Dadurch läßt sich ohne jegliche Änderung der Herstellungstoleranz und damit praktisch ohne Erhöhung der Herstellungskosten das Kraftmeßelement auf eine vorgegebene Standardempfindlichkeit einstellen. Weisen aber alle Geber eine einheitliche Empfindlichkeit auf, dann kann das seither erforderliche Nachjustieren der Meßverstärker bei Auswechslung von Kraftmeßelementen entfallen, und es können die Geber, ohne daß eine sonstige Selektion erforderlich wäre, auch zum Aufbau von Kraftmeßplattformen verwendet werden, Jie an jeder Stelle gleiche Empfindlichkeit aufweisen und deren Meßergebnisse daher ohne übermäßigen Rechenaufwand für Korrekturen auswertbar sind. Dabei ist es ohne weiteres möglich, die Kraftmeßelemente bei der Schlußmontage auf eine vorgegebene Einheits-Empfindlichkeit abzustimmen, wobei der Einfachheit halber die Empfindlichkeit eine genormte Dezimalzahl sein kann, beispielsweise 10pC/N oder 0,5 mV/N od. dgl. Dabei kann der Streubereich der Empfindlichkeitswerte ohne weiteres auf etwa ± 0,5% gebrach? werden, was gegenüber den seither üblichen Kraftmeßelementen eine Verbesserung um den Faktor 10 bedeutet. Es lassen sich daher sowohl Kraftmeßelemente wie auch Meßverstärker wie genormte Einheiten auswechseln, so daß bei größeren Meßanlagen der Unterhalt der Anlage mit geringeren Kosten möglich und die Betriebssicherheit erhöht ist.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist bei Vorhandensein eines das elektromechanische Wandlerelement haltenden elastischen Vorspannelementes dieses zusätzlich zum Nebenschlußkraft-Übertragungselement angeordnet und so dimensioniert, daß es den Hauptteil der Nebenschlußkräfte aufnimmt.

Dadurch wird erreicht, daß das Vorspannelement, dai dur^h Spannschrauben ebenso wie durch eine Rohrfeder gebildet sein kann, von der Übertragung der Nebenschlußkräfte entlastet ist Insbesondere bei Kraftmeßelementen für sehr große Kräfte ist es

ίο zweckmäßig, einen sehr großen proportionalen Anteil der Gesamtkräfte als Nebenschlußkraft an dem elektromechanischen Wandlerelement und den Vorspannelementen vorbeizuleiten. Es können dadurch Typenreihen von Kraftmeßelementen für einen sehr großen Kraftbereich hergestellt werden, bei denen ein gleiches Wandlerelement und Vorspannelement verwendet und lediglich die Nebenschlußkraft-Übertragungselemente auf die jeweilige maximale Meßkraft abgestimmt werden.

Bei Ausführungsformen der Erfindung ist bei fertig montiertem Kraftmeßelement das Nebenschiußkraft-Übertragungselement durch Materialabnahme an vorbestimmter Stelle in seiner Elastizität veränderbar. Oder es ist, bei anderen Ausführungsformen der Erfindung, bei fertig montiertem Kraftmeßelement das Nebenschlußkraft-Übertragungselement durch viaterialauftrag an vorbestimmter Stelle in seiner Elastizität veränderbar. Beide Methoden sind grundsätzlich möglich, und die Entscheidung, welcher der beiden Methoden der Vorzug zu geben ist, hängt allein von herstellungstechnischen und technologischen Gegebenheiten des jeweiligen Einzelfalles ab. Die beiden Methoden unterscheiden sich im übrigen nur dadurch, daß im einen Fall das Nebenschlußkraft-Übertragungselement über- und im anderen Fall unterdimensioniert ist und durch Materialabnahme bzw. Materialauftrag die zu der gewünschten Normempfindlichkeit führende richtige Dimensionierung erreicht wird.

Das Nebenschlußkraft-Übertragungselement kann innerhalb des in diesem Falle ringförmig ausgebildeten elektromechanischen Wandlerelementes angeordnet und rohrförmig gestaltet sein. Zur Abstimmung wird dann die Bohrung dieses Rohres schrittweise entweder in der Tiefe oder im Durchmesser vergrößert, bis die gewünschte justierung erzielt ist. Oder es ist gernäß einer anderen Ausführungsform das Nebenschlußkraft-Übertragungselement ebenfalls rohrförmig ausgebildet und das elektromechanische Wandlerelement umgebend angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß das

Nebenschlußkraft-Übertragungselement gleichzeitig ein Schutzgehäuse für das elektromechanische Wandlerelement bildet und das Kraftmeßelement in der Weise einfach justierbar ist, daß die Wanddicke des Rohrelementes durch Abtragen oder Auftragen verändert wird. Diese Veränderung erfolgt dabei über einen gewissen axialen Längenbereich hinweg, wobei die Feinjustierung durch Variation von Dicke ebenso wie durch Variation der Länge des dünneren oder dickeren Bereiches erzielt werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Nebenschlußkraft-Übertragungselement die Gestalt einer Scheibe mit an mindestens einer Stirnseite eingearbeiteter, von Rand und Zentrum der Scheibe einen Abstand aufweisender Ringnut. Durch Vergrößern oder Ausfül-

(vs len der Ringnut läßt sich in einfacher Weise das Verhältnis der Nebenschlußkräfte zur Gesamtkraft zum Justieren des Kraftmeßelementes einstellen. Bei der Justierung durch Materialabnahme kann die Nut sowohl

hinsichtlich ihrer Tiefe als auch ihrer Breite so weit verändert werden, bis der geforderte Empfindlichkeitswert erreicht ist.

Bei Ausführungsformen der Erfindung ist das Nebenschlußkraft-Übertragungselement auch nach Fertigmontage nach Abnehmen entfernbarer Schutzelemente zugänglich. Beispielsweise ist eine abnehmbare Schutzhülse vorgesehen, die das das elektromechanische Wandlerelement rohrförmig umgebende Nebenschlußkraft-Übertragungselement gegen mechanische Fremdbeanspruchung schützt.

Es ist keineswegs zwingend erforderlich, die einzelnen Funktionen, wie Erzeugen der Vorspannung bzw. Bilden des Kraftnebenschlusses voneinander zu trennen und durch jeweils eigene Beuelemente zu verwirklichen. Beispielsweise kann ein das elektromechanische Wandlerelement haltende Vorspannelement, wie beispielsweise eine Rohrfeder, gleichzeitig als in seiner Elastizität durch Bearbeiten veränderbares Nebenschlußkraft-Übertragungselement ausgebildet sein. Dadurch läßt sich in vielen Fällen eine weitere bauliche Vereinfachung erreichen.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung näher erläutert, in der verschiedene Ausführungsbeispiele in schematisierter, vereinfachter Darstellung wiedergegeben sind. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein Kraftmeßelement mit zentralem, rohrförmigem, abstimmbarem Nebenschlußkraft-Übertragungselement,

F i g. 2 einen Schnitt durch ein Kraftmeßelement mit außenliegendem, rohrförmigem, abstimmbarem Nebenschlußkraft-Übertragungselement,

F i g. 3 einen Schnitt durch ein Kraftmeßelement mit tellerförmigem, abstimmbarem Nebenschlußkraft-Übertragungselement,

F i g. 4 einen Schnitt durch ein Kraft- und Druckmeßelement mit abstimmbarem Nebenschlußkraft-Übertragungselement mit membran- und ringartiger Gestaltung und

F i g. 5 einen Schnitt durch ein Kraftmeßelement mit abnehmbarer, das abstimmbare Kraftnebenschluß-Übertragungselement schützender Außenhülse.

Das in F i g. 1 dargestellte Kraftmeßelement umfaßt eine Deckplatte 1, eine Grundplatte 2, ein elektromechanisches Wandlerelement 3, ein abstimmbares Nebenschlußkraft-Übertragungselement 4, einen äußeren Schutzmantel 5 und einen Steckeranschluß 6. Von einem auf die Deckplatte 1 eingeleiteten Kraftfluß P wird ein Hauptanteil 7 über das elektromechanische Wandlerelement 3 und ein Nebenfluß 8 über das Nebenschlußkraft-Übertragungselement 4 sowie ein weiterer kleiner Nebenfluß 9 über den Schutzmantel 5 geleitet. Der Schutzmantel 5 kann auch als Vorspannelement ausgebildet sein. Auf dem Schutzmantel 5 ist der Steckeranschluß 6 angebracht, über den die elektrische Verbindung mit dem elektromechanischen Wandlerelement 3 erfolgt Durch schrittweises Ausbohren der Durchgangsbohrung vom Durchmesser D\ auf den Durchmesser Dz auf eine Tiefe t wird die Grobjustierung des fertig montierten Parallelkraftelementes auf dem Prüfstand begonnen. Die Feinjustierung kann durch geringes Ändern der Bohrtiefe Δ roder aber auch durch Änderung des Bohrungsdurchmessers Lh erfol gen. Ebenso können sowohl die Bohrtiefe f als auch der Bohrungsdurchmesser Lh zur Feinjustierung verändert werden. Durch diese Anpassung der Elastizität des Nebenschlußkraft-Übertragungselementes 4 wird die Verteilung des gesamten Kraftflusses in einen über das elektromechanische Wandlerelement fließenden Teil und einen an dem elektromechanischen Wandlerelement vorbeifließenden Teil verändert, wodurch sich die gewünschte Empfindlichkeitsänderung ergibt. Durch die erwähnte Abtragung wird ein größerer Teil der zu messenden Kraft P über das elektromechanische Wandiereiement 3 geleitet, wodurch bei gleicher Kraft der elektrische Ausgangswert erhöht und damit die Empfindlichkeit des Kraftmeßelementes vergrößert wird.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Kraftmeßelement dient als Krafteinleitung für die Flächenkraft P eine Deckplatte 21. Eine Grundplatte 22 ist mit einem gleichzeitig als Schutzmantel ausgebildeten Nebenschlußkraft-Übertragungselement 24 fest verbunden. Ein Nebenschlußring 25 dichtet ein elektromechanisches Wandlerelement 23 gegen den Innenraum hin ab. Ein Anschlußstecker 26 ist in der Mitte versenkt angeordnet. Die Anpassung oder Justierung erfolgt ebenfalls in fertig montiertem Zustand des Kraftmeßelemenles auf dem Prüfstand, in dem im mittleren Bereich des Nebenschlußkraft-Übertragungselementes 24 auf einer Breite L schrittweise um Beträge At abgetragen wird, bis der Ausgangswert die gewünschte Größe, bezogen auf die Kraft P aufweist. Ebenso kann jedoch auch ein Materialauftrag erfolgen.

Das in F i g. 3 dargestellte Kraftmeßelement umfaßt eine Deckplatte 31, eine Grundplatte 32 und ein elektromechanisches Wandlerelement 33, dessen Ausgangssignal an einem Stecker 36 abgenommen wird. Die Grundplatte 32 ist über einen Mantel 37 mit einem die Gestalt einer Scheibe mit stirnseitig eingedrehten Ringnuten aufweisenden Nebenschlußkraft-Übertragungselement 34 fest verbunden. Ein Vorspannbolzen 35 ist in bekannter Weise mit der Deckplatte 31 einerseits und der Grundplatte 32 andererseits verbunden. Er bewirkt in bekannter Weise eine gute Linearität im Bereich kleiner Kräfte und des Nullpunktes; soweit nur bei größeren Kräften gemessen wird und daher auf eine guie Linearität bei kleinen Kräften verzichtet werden kann, kann der Vorspannbolzen 35 entfallen. Allerdings würde dann die Gefahr bestehen, daß bei Materialabnahme in einer Nut 38 nicht nur die Empfindlichkeit, sondern zusätzlich auch Linearität und Hysterese ungünstig beeinfluß werden. Vorteilhafterweise ist daher das abstimmbare Nebenschlußkraft-Übertragungselement konstruktiv unabhängig von Vorspannelementen. Dadurch läßt sich am einfachsten und zuverlässigsten die gewünschte Wirkung ohne unerwünschte Nebeneffekte erzielen. Die Abstimmung erfolgt durch entsprechendes Eindrehen der Nut 38 mit der Breite gleich der halben Differenz der beiden Durchmesser Eh. und D\ und der Tiefenänderung At, wodurch wiederum das Verhältnis der zu messenden Kraft zu der das elektromechanische Wandlerelement durchsetzenden Kraft so verändert wird, bis die vorgeschriebene Empfindlichkeit erreicht ist

Das in F i g. 4 dargestellte KraftmeBelement eignet sich sowohl zur Kraftmessung als auch zur Druckmessung. Bei Einsatz als KraftmeBelement wird für die Kräfte Feine vorstehende Krafteinleitfläche 41 benutzt wobei sich das Kraftmeßelement mittels eines Montagegewindes 42 in der Vorrichtung oder Maschine, in der gemessen wird, abstützt Bei Verwendung zur Druckmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium wirkt der Mediumdruck ρ sowohl auf die Einleitfläche 41 als auch auf eine Zylinderfläche 47 bis zu einer Dichtung 50. Das elektromechanische Wandlerelement

43 ist in einer elastischen Hülse 48 (Rohrfeder) unter axialer Vorspannung eingebaut. Sowohl die Hülse 48 wie auch ein Abstützring 49, der als Nebenschlußkraft-Übertragungselement dient, sind mit einem Körper 51 in bekannter Weise dicht verbunden. Im Nebenkraftfluß liegt ferner ein Teiierkörper 44. Die Beeinflussung der Empfindlichkeit des Kraftmeßelementes kann entweder entlang einer scheibenförmigen Anordnung 46 durch Einstiche verschiedener Tiefe At oder durch eine zylindrische Anordnung 45 durch Einstiche verschiedener Breite Ab vorgenommen sein. Ebenso ist es möglich, beide Einstiche in Kombination vorzusehen.

Das in Fig.5 dargestellte Kraftmeßelement ist mit einer abnehmbaren Schutzhülse 54 versehen, wodurch ein Nebenschlußkraft-Übertragungselement 55 zur Abstimmung zugänglich wird. Demontage und Remontage der Schutzhülse 54 können problemlos am fertig montierten Kraftmeßelement vorgenommen werden.

Zur Montage in einer Meßvorrichtung oder einer Maschine ist das Kraftmeßelement mit einem Flansch 52 ausgerüstet. Ein Körper 51 des Kraftmeßelementes ist mit einem Gewinde 53 versehen, auf das die Schutzhülse 54 aufgeschraubt wird. Gemäß der Darstellung ist ein elektromechanisches Wandlerelement 56 rohrförmig ausgeführt; es kann jedoch auch jede andere bekannte Gestalt aufweisen. Das Nebenschlußkraft-Übertragungselement 55 ist Teil der Rohrwand, die mit dem Körper 51 und mit einem Frontteil 57 fest verbunden ist.

Als elektromechanisches Wandlerelement können alle eingangs genannten Systeme verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch in Verbindung mit dem durch nachträgliche Bearbeitung anpaßbaren Nebenschlußkraftelement die Verwendung von Piezokristallen als Wandlerelement.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Kraftmeßelement, das Kraftmeßeinieitelemente umfaßt, zwischen denen sich der eigentliche elektromechanische Wandler befindet, und das durch nachträgliche Bearbeitung an vorbestimmter Stelle abstimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die Übertragung von Nebenschlußkräften ein Kraft-Übertragungselement (4; 24, 34; 44; 55) parallel zum elektromechanischen Wandlerelement (3; 23; 33; 43; 56) vorhanden ist und daß die Elastizität des Nebenschluß-Übertragungselementes (4; 24; 34; 44; 55) durch nachträgliche Bearbeitung an vorbestimmter Stelle so beeinflußbar ist, daß das Kraftverhältnis Meßkräfte : Nebenschlußkräfte zwecks Empfindlichkeitsabstimmung veränderbar und einstellbar ist.

2. Kraftmeßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein eines das elektromechanische Wandlerelement (3; 23; 43) haltenden elastischen Vorspannelementes (5; 25; 35; 48) dieses zusätzlich zum Nebenschlußkraft-Übertragungselement (4; 24; 44, 46) angeordnet und so dimensioniert ist, daß es den Hauptteil der Nebenschlußkräfte aufnimmt.

3. Kraftmeßelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei fertig montiertem Kraftmeßelement das Nebenschlußkraft-Übertragungselement (4; 24; 34; 44; 55) durch Materialabnahme an vorbestimmter Stelle in seiner Elastizität veränderbar ist.

4. Kraftmeßelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei fertig montiertem Kraftmeßelement das Nebenschlußkraft-Übertragungselement durch Materialauftrag an vorbestimmter Stelle in seiner Elastizität veränderbar ist.

5. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebenschlußkraft-Übertragungselement (4) rohrförmig ausgebildet und innerhalb des ringförmig elektromechanischen Wandlerelementes (3) angeordnet ist.

6. Kraftmeßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebenschlußkraft-Überttagungselement (24; 44; 55) rohrförmig ausgebilde· ist und das elektromechanische Wandierelement (23; 43;56) umgibt.

7. Kraftmeßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebenschlußkraft-Übertragungselement (34; 44) die Gestalt einer Scheibe mit an mindestens einer Stirnseite eingearbeiteter, von Rand und Zentrum der Scheibe einen Abstand aufweisender Ringnut (38) hat.

8. Kraftmeßelement nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebenschlußkraft-Übertragungselement (44, 45, 46) sowohl einen scheibenförmigen als auch einen rohrförmigen Teil umfaßt.

9. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entfernbare Schutzelemente (54) vorgesehen sind, nach deren Abnehmen das Nebenschlußkraft-Übertragungselement (55) auch nach Fertigmontage zugänglich ist.

Die Erfindung betrifft ein Kraftmeßelement, das

Kraftmeßeinleitelemente umfaßt, zwischen denen sich der eigentliche elektromechanische Wandler befindet und das durch nachträgliche Bearbeitung an vorbestimmter Stelle abstimmbar ist.

Ein bekanntes derartiges Kraftmeßelement (DE-AS 16 98 140) umfaßt ein elektromechanisches Wandlerelement aus einem piezoelektrischen Kristallsatz, der in einem Rohr isoliert untergebracht ist und der durch das

ίο mechanisch vorgespannte Rohr zwischen dem Rohrboden und einem Einsatzkörper eingespannt ist, an dem das dem Rohrboden abgewandte Ende des Rohres befestigt, insbesondere angeschweißt ist Der Einsatzkörper und der Rohrboden dienen als Kraftmeßeinleitelemente, die die zu messende Kraft oder auch einen zu messenden Druck auf das elektromechanische Wandlerelement übertragen. Der Rohrboden oder — bei als Druckmeßelement ausgebildetem Kraftmeßelement — eine den Rohrboden überspannende Membran sind mit einem Materialansatz versehen, der durch Bearbeiten abnehmbar ist. Dieser Materialansatz dient der Abstimmung einer Schwingungskompensationsmasse zum Abgleich der Anordnung auf Beschleunigungsunempfindiichkeit. Bei dem bekannten Meßelement besteht der Kristallsatz aus zwei Gruppen, zwischen denen eine Kompensationsmasse angebracht ist, die zusammen mit der nachträglich bearbeitbaren Masse ein schwingungsfähiges System bildet, das durch Abarbeiten der angegebenen Masse so abstimmbar ist, daß bei Beschleunigungen kein Fehlersignal abgegeben wird.

Als elektromechanische Wandlerelemente sind bei handelsüblichen Kraftmeßelementen entweder piezoelektrische Kristalle, mit Halbleiterkristallen oder Dehnungsmeßstreifen bestückte Verformungskörper sowie elektromechanische Wandlersysteme (Differentialtransformatoren) mit an Verformungskörper angeschlossenen Kernen bekannt. Im allgemeinen wird nicht die gesamte Kraft über das elektromechanische Wandlerelement geleitet, sondern es fließt ein Teil der Kraft am Wandlerelement vorbei. Diese Kraftnebenschlüsse sind im allgemeinen durch Halterungen bedingt, zwischen denen sich das elektromechanische Wandlerelement befindet, beispielsweise die bei dem bekannten Kraftmeßelement vorhandene Rohrfeder, die gleichzeitig die Vorspannung liefert, damit das Kraftmeßelement gleichmäßig sowohl auf Zug- wie auch auf Druckkräfte anspricht Ein Kraftnebenanschluß ist auch häufig durch die Anordnung umgebende Gehäuse gebildet.

Grundsätzlich lassen sich die Wandlerelemente nicht mit beliebig kleinen Toleranzen herstellen, wenn nicht der Herstellungsaufwand zu groß werden soll. Die Empfindlichkeit eines Kraftmeßelementes, also das Verhältnis von abgegebenem elektrischen Wert zu aufgebrachter mechanischer Kraft, schwankt im allgemeinen innerhalb eines Bandes von üblicherweise ± 5%. Derartige Schwankungsbreiten können jedoch bei den meisten Meßaufgaben nicht in Kauf genommen werden, weshalb es erforderlich ist, den einem solchen Kraftmeßelement zugeordneten Meßverstärker hinsichtlich seines Verstärkungsgrades so einzustellen, daß am Ausgang ein vorgegebener Normwert des Verhältnisses elektrische Größe : mechanische Kraft erhalten wird. Dies ist deshalb erforderlich, um Meßergebnisse, die mit verschiedenen Kraftmeßelementen erhalten wurden, ohne weiteres miteinander vergleichbar zu machen. Insbesondere, wenn eine größere Zahl von