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VORRICHTUNG ZUR MESSUNG VON KRÄFTEN
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Vorrichtung zur Messung von Kräften Die Erfindung bezieht sich auf
eine Vorrichtung zur Messung von Kräften mit einem starren Träger, einem über ein
Endstück mit dem Träger starr verbundenen Biegebalken, der nach Art eines Viergelenksystems
ausgebildet und hierbei im wesentlichen parallelogrammartig aus zwei in Richtung
der Biegebalken-Längsachse angeordneten balkenartigen Biegeelementen und je einem
jeweils zwei gegenüberliegende Enden der Biegeelemente starr miteinander verbindenden
Endstücken aufgebaut ist, Mitteln zur Kraftaufnahme am freien Ende des Biegebalkens
und einer zur Abgabe eines Kraftmeßsignals ausgelegten Schaltung mit im Bereich
der Gelenkstellen am Biegebalken befestigten, auf mechanische Beanspruchung unter
Abgabe eines Meßsignals einsprechenden Wandlerelementen (Gattungsbegriff des Anspruchs
1).
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Eine derartige Vorrichtung ist bereits aus dem US-Patent 3 576 128
vom 13. März 1969 (Harry E. Lockery) bzw. dem
hierzu korrespondierenden
britischen Patent 1 297 508 vom 22. November 1972 bekannt; ferner aus dem US-Patent
2 866 059 vom 23. Dezember 1958 (E. Laimins), dem US-Patent 3 439 761 vom 22. April
1969 (E. Laimins) sowie dem sowjetischen Erfinderschein 117 851, angemeldet am 10.
Februar 1958 (G. 1. Pjansin). Zur Vermeidung einer Wiederholung des Inhalts vorgenannter
Druckschriften wird deren Inhalt durch die vorstehende Bezugnahme ausdrücklich zum
Inhalt vorliegender Beschreibung gemacht.
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Die Ausgestaltung des Biegebalkens als parallelogrammartiges Viergelenksystem
hat den Vorteil, daß mit ihm eine genaue Messung reiner Zug- und Druckkräfte, deren
Vektoren senkrecht zur Biegebalken-Längsachse verlaufen und gleichzeitig in der
durch die vier Gelenkstellen verlaufenden Symmetrieebene des Viergelenksystems liegen,
möglich ist, die Einflüsse von Biegemomenten dagegen - bei vollkommen symmetrischer
Ausgestaltung (sowohl hinsichtlich der mechanischen als auchderelektrischen Parameter)
des Kraftmeßgerätes - unterdrückt werden können. Hierzu wird nochmals ausdrücklich
auf das eingangs genannte US-Patent 3 576 128 Bezug genommen. Im US-Patent 3 576
128 wird auch angegeben, wie der Einfluß von herstellungsbedingten Asymmetrien des
Kraftmeßgerätes auf das Meßsignal mit Hilfe von Kompensationswiderständen unterdrückt
werden kann. Die Kompensationswiderstände sind hierbei Festwiderstände, die parallel
zu denjenigen als Dehnmeßstreifen ausgebildeten Wandlerelementen geschaltet sind,
die bei einer Verschiebung des Lastangriffspunktes gegenüber dem vorgesehenen Lastangriffspunkt
empfindlicher als die übrigen Dehnmeßstreifen reagieren.
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Anstelle einer Parallelschaltung von Kompensationswiderstand und Meßwiderstand
bzw. Dehnmeßstreifen zur Kompensation herstellungsbedingter Asymmetrien ist grundsätzlich
auch bereits eine Serienschaltung von Kompensationswiderstand und Meßwiderstand
bekannt, wie sich neben dem bereits genannten sowjetischen Erfinderschein 117 851
beispielsweise auch aus dem US-Patent 3 422 445 vom 14. Januar 1969 (Walter E. Jacobson)
ergibt. Auch der Inhalt dieser Druckschrift wird hiermit zum Inhalt vorliegender
Beschreibung gemacht.
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Zur Messung von Kräften wird der mit dem Biegebalken festverbundene
starre Träger an einem ebenfalls starren Basisteil befestigt, beispielsweise in
einem entsprechenden Futter fest eingespannt. Als Mittel zur Kraftaufnahme kann
beispielsweise ein am freien Ende des Biegebalkens angebrachter Halteflansch mit
einer darauf befestigten Platte vorgesehen sein. Ist die Richtung der zu messenden
Kraft von vornherein bekannt, kann die Ausrichtung der Kraftaufnehmerplatte der
Richtung des Kraftvektors angepaßt werden. Die auf die Kraftaufnehmerplatte einwirkende
Kraft wird nun dadurch gemessen, daß die an den vier Gelenkstellen angeordneten
Wandlerelemente auf die an den Gelenkstellen bei Krafteinwirkung hervorgerufene
Formänderung mit einer zur Formänderung korrespondierenden änderung des von ihnen
abgegebenen Meßsignals reagieren. Vorzugsweise sind die Wandlerelemente Dehnmeßstreifen,
die auf ihre mechanische Beanspruchung mit einer Änderung ihrer Leitfähigkeit reagieren.
In der Regel werden die Wandlerelemente in einer Brückenschaltung derart verschaltet,
daß das Ausgangssignal der Brückenschaltung repräsentativ für die auf das Kraftmeßgerät
einwirkende Kraft ist.
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Mittels der in dem obengenannten US-Patent 3 567 128 angegebenen Vorrichtung
zur Messung von Kräften läßt sich bereits eine erhebliche Steigerung der Meßgenauigkeit
erzielen, insbesondere auch bei Verschiebung des Kraftangriffspunktes längs der
Biegebalken-Längsachse. Das in der genannten US-Patentschrift 3 567 128 zur Steigerung
der Meßgenauigkeit angegebene Korrekturverfahren mit Hilfe der Korrekturwiderstände
erweist sich als ein äußerst diffiziles, viel Fingerspitzengefühl und Erfahrung
erforderndes Arbeitsverfahren. Das danach erhaltene Kraftmeßgerät ist einerseits
äußerst genau, reagiert aber andererseits auch auf Veränderungen seiner selbst äußerst
empfindlich, so daß nachträglich am Kraftmeßgerät vorgenommene Änderungen eine vorher
durchgeführte Justierung und/ oder Korrektur wieder zunichte machen können.
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Im übrigen werden die vorerwähnten Kraftmeßgeräte, insbesondere das
eingangs beschriebene gattungsge mäße Kraftmeßgerät - soweit bekannt - lediglich
zur Messung von oberhalb 10 N (Newton) liegenden Kräften eingesetzt. Eine Steigerung
der Empfindlichkeit des gattungsgemäßen Kraftmeßgerätes ist zwar möglich, beispielsweise
durch entsprechende Steigerung der Empfindlichkeit der verwendeten elektro-mechanischen
Wandlerelemente (Dehnmeßstreifen) und/oder Steigerung der Formänderung des Biegebalkens
bei einwirkenden Kräften; letzteres beispielsweise dadurch, daß die Gelenkstellen
eine extrem hohe Elastizität aufweisen.
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Eine derartige Elastizität könnte bereits dadurch erzielt werden,
daß beim Biegebalken, der einen im Querschnitt hantelförmigen und durch den gesamten
Biegebalken hindurchgeführten Durchbruch aufweist, die zu beiden Seiten des (quaderförmigen)
Mittelstückes des hantelförmigen Durchbruches liegenden, im Querschnitt kreisförmigen
Endabschnitte einen
vergrößerten Radius haben. Die Vergrößerung
der Radien der beiden Endabschnitte des hantelförmigen Durchbruches führt zu einer
Reduzierung der Wandstärke der Biegeelemente im Bereich ihrer Gelenkstellen und
damit zu einer Steigerung der Sensibilität des Biegebalkens gegenüber Krafteinwirkungen.
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Mit einer Steigerung der Sensibilität des Kraftmeßgerätes geht aber
die Gefahr einer Beschädigung - bis hin zur vollständigen Zerstörung - des Kraftmeßgerätes
beim Einwirken unerwünschter (hoher) Kräfte bzw. überbelastungen einher. Derartige
Überbelastungen, beispielsweise Stöße können schon beim Transport eines fertigmontierten
Kraftmeßgerätes auftreten. Zwar könnten diese Schwierigkeiten durch entsprechend
aufwendige Verpackung beseitigt werden. Problematisch wird aber eine hohe Meßempfindlichkeit
dann, wenn das Kraftmeßgerät bestimmungsgemäß zwar zur Messung geringer Kräfte eingesetzt
wird, hierbei aber nicht ausgeschlossen werden kann, daß auch Kräfte auf den Biegebalken
einwirken, die deutlich über den Nennlasten liegen, an unterschiedlichen Punkten
am Kraftmeßgerät angreifen und gegebenenfalls so groß sein können, daß sie zur Zerstörung,
zumindest aber zur Verschlechterung der Meßgenauigkeit des Kraftmeßgerätes führen.
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Der vorstehend beschriebene Fall ist beispielsweise dann gegeben,
wenn das Kraftmeßgerät zur Messung von Kräften eingesetzt wird, die vom Getreide
im Produktstrom einer Getreidemühlenanlage herrühren. Der Produktstrom weist nämlich
hierbei - besonders zu Beginn des Vermahlungsprozesses - neben den Getreidekörnern
auch Teile mit erheblich höherem spezifischem Gewicht,
beispielsweise
Eisenteile, Steine oder dergleichen, auf. Auch kann der Produktstrom selbst infolge
von Unregelmäßigkeiten bei dessen Einspeisung und/oder in den zur Mahlvorbereitung
und Vermahlung verwendeten Maschinen kurzfristig stark fluktuieren.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene
Vorrichtung zur Messung von Kräften derart weiterzubilden, daß mit ihr vergleichsweise
geringe Kräfte (zum Beispiel zwischen 0 und 10 Newton) trotz stark wechselnder Meßbedingungen
mit gleichbleibender Genauigkeit gemessen werden können, insbesondere Meßbedingungen,
die hinsichtlich der auf das Kraftmeßgerät einwirkenden Kräfte stark schwanken.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die eingangs beschriebene Vorrichtung
zur Messung von Kräften mit einer Uberlastsicherungs-Anordnung bestückt ist, die
zur Abstützung des Biegebalkens im Bereich zwischen den Mitteln zur Kraftaufnahme
und der hierzu nächstgelegenen Gelenkstelle sowie mindestens zur Reduzierung von
Torsionen des Biegebalkens bei Überlast ausgelegt ist (Kennzeichen des Anspruchs
1).
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Diese Lösung hat den Vorteil, daß die Empfindlichkeit des Kraftmeßgerätes
auf Kräfte erheblich gesteigert werden kann, insbesondere auf einem Nennbereich
zwischen 0 und 10 N, bhne hierbei befürchten zu müssen, daß dessen Meßgenauigkeit
infolge kurzfristiger Überbelastungen reduziert wird. Wie im einzelnen noch näher
ausgeführt wird, läßt sich die Uberlastsicherungs-Anordnung so ausgestalten, daß
selbst dann wenn hierdurch Meß-Ungenauigkeiten in die Vorrichtung zur Messung von
Kräften eingeführt werden sollten, diese leicht und ohne Rück-
wirkung
auf die vorherige Justierung durch Korrekturmaßnahmen behoben werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gedankens
weist die Uberlastsicherungs-Anordnung einen manschettenartigen Schutzbalg auf,
der zur Reduzierung von Torsionen des Biegebalkens eine ausreichende Torsionssteifigkeit
aufweist, den gesamten Biegebalken, einschließlich eines zusätzlich den Biegebalken
bei Uberlast abstützenden Teiles der Uberlastsicherungs-Anordnung staubdicht ummantelt
und hierbei mit seinem einen Randabschnitt im Bereich des freien Endstückes des
Biegebalkens mit letzterem verbunden ist und mit seinem anderen Randabschnitt im
Bereich des am Träger befestigten Endstückes mit dem Träger oder einem an diesem
starr befestigten Teil verbunden ist (Anspruch 2).
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Vorstehende Ausgestaltungsform hat sich besonders bei seinem Einsatz
zur Messung von Getreide- oder Wasser-Strömen in Getreidemühlenanlagen bewährt,
die sich unter anderem durch ihre rauhen, durch Staub erschwerten Arbeitsbedingungen
auszeichnen. Die Befestigung des einen Randabschnittes der manschettenartigen Ummantelung
am freien Endstück des Biegebalkens sowie des anderen Randabschnittes im Bereich
des am Träger befestigten Endstückes mit dem Träger oder einem an diesem starr befestigten
Teil sorgt bei ausreichender Eigensteifigkeit der Ummantelung zumindest für eine
Reduzierung von Torsionen des Biegebalkens bei Verschiebungen des Lastangriffspunktes
quer zur Biegebalken-Längsachse.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Überlastsicherungs-Anordnung
zur Abstützung des Bie-
gebalkens wenigstens einen fingerartigen
Abschnitt auf, der mit seinem einen Ende fest mit dem Träger und/oder dem am Träger
befestigten Endstück verbunden ist, parallel zur Biegebalken-Längsachse angeordnet
ist und mit seinem anderen Ende bis in den Bereich zwischen den Mitteln zur Kraftaufnahme
und der hierzunächst gelegenen Gelenkstelle ragt (Anspruch 3).
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Vorstehende Maßnahme hat den Vorteil, daß der fingerartige Abschnitt
selbst eigenelastisch ausgebildet werden kann und hierdurch zunächst ein sozusagen
'weiches" Auffangen des Biegebalkens bei Uberlast gewährleistet ist - und damit
die Gefahr einer Beschädigung des Kraftmeßgerätes infolge eines "harten" Aufschlages
des Biegebalkens gegen die Uberlastsicherung zumindest weitgehend vermieden werden
kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist
der fingerartige Abschnitt als Sicherungsstab ausgebildet und zwischen den Biegeelementen
längs der Biegebalken-Längsachse angeordnet (Anspruch 4).
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Biegebalken durch den Sicherungsstab
gegenüber Last-Kräfte aus nahezu sämtlichen Raumrichtungen gesichert ist, insbesondere
wenn dessen freies Ende in eine seiner Oberfläche angepaßten Ausnehmung im freien
Endstück des Biegebalkens ragt (Anspruch 5).
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Durch die gegenseitige Anpassung der Oberflächen des freien Endes
des Sicherungsstabes und der im freien Endstück vorgesehenen Ausnehmung kann dafür
Sorge getragen werden, daß die beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen überall
gleichen Abstand haben und damit die Uberlast -festgelegt werden, bei welcher der
Sicherungsstab und der Biegebalken einander berühren.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Oberflächen
des freien Endes der Uberlastsicherung und der Ausnehmung im Endstück wenigstens
einenbei Uberlast zur gegenseitigen Anlage vorgesehenen gegen die Biegebalken-Längsachse
gleichmäßig geneigten oder gleichmäßig gekrümmten Flächenabschnitt auf. Besonders
bevorzugt ist eine keilförmige, spitzkegelförmige, kegelstumpfförmige oder halbkugelförmige
Ausbildung der einander gegenüberstehenden Oberflächen (Anspruch 6). Diese Maßnahme
hat zunächst den Vorteil, daß der Abstand der einander gegenüberliegenden gleichmäßig
geneigten oder gleichmäßig gekrümmten Flächenabschnitte kontinuierlich durch ein
Verschieben des Sicherungsstabes in Richtung seiner Längsachse einstellbar ist.
Die Verschiebung des Sicherungsstabes in Richtung der Biegebalken-Längsachse erfolgt
entweder vor der Montage bzw. der Befestigung des Sicherungsstabes am Träger oder
dem am Träger befestigten Endstück oder - wie noch erläutert wird - nach der Einführung
des Sicherungsstabes in den zwischen den Biegeelementen liegenden Zwischenaum. Die
spitzkegel-, kegelstumpf- oder halbkugelförmige Ausgestaltung der einander gegenüberliegenden
Oberflächen des freien Endes des Sicherungsstabes und der Ausnehmung im freien Endstück
verhindern eine Beschädigung des erfindungsgemäßen Kraftmeßgerätes durch eine in
einer beliebigen Raumrichtung wirkenden überlast. Die kegelstumpfförmige Ausbildung
besagter einander gegenüberliegender Oberflächen sorgt für eine besonders günstige
Kräfteverteilung bei einer in Richtung der Biegebalken-Längsachse wirkenden Uberkraft.
Eine keilförmige Ausbildung besagter einander gegenüberliegender Oberflächen sorgt
für günstige Druckverhältnisse bei einer senkrecht oder nahezu senkrecht zur geneigten
Fläche des Keiles wirkenden Uberlast. Selbstverständlich sind auch Mischformen der
vorgenannten Ausformungen der Ober-
flächen möglich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
das befestigte Ende der als Sicherungsstab ausgebildeten Uberlastsicherung am Träger
und/oder an dem am Träger befestigten Endstück mittels einer Schraubverbindung befestigt.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß auch noch nach Montage des Sicherungsstabes
der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen von dessen freiem
Ende und der Ausnehmung im freien Endstück beliebig justierbar ist. Der Abstand
zwischen diesen beiden Oberflächen ist aber ein Maß für diejenige Kraft bzw. überlast,
bei welcher die in Rede stehenden Oberflächen zur gegenseitigen Anlage kommen (Anspruch
7).
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Bevorzugt ist der Abstand zwischen der Oberfläche des freien Endes
des Sicherungsstabes und der Ausnehmung im freien Endstück kleiner oder gleich dem
Abstand zwischen den übrigen freien Oberflächen des Sicherungsstabes und den Innenflächen
der Biegeelemente. Diese Maßnahme soll sicherstellen, daß der Biegebalken bei überlastet
zunächst vom freien Ende der Überlastsicherung abgestützt wird - und erst bei einer
weiteren Erhöhung der auf das Kraftmeßgerät wirkenden Kraft auch die an das freie
Ende des Sicherungsstabes angrenzenden Flächenbereiche eine Abstützfunktion übernehmen
;(Anspruch 8).
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Vorzugsweise ist jedoch der Abstand zwischen den Oberflächen des freien
Endes des Sicherungsstabes und der Ausnehmung wesentlich kleiner als der Abstand
zwischen den übrigen freien Oberflächen der Uberlasts icherung und den Innenabschnitten
der Biegeelemente (Anspruch9).Das Verhältnis des Abstandes der einander gegenüberliegenden
Oberflächen des freien Endes des Sicherungsstabes und der Ausnehmung im freien
Endstück
zum Abstand zwischen den übrigen freien Oberflächen des Sicherungsstabes und der
Innenbereiche der Biegeelemente bestimmt das Verhältnis derjenigen Uberlast, bei
welcher es zu einer erstmaligen Anlage des freien Endes des Sicherungsstabes an
die Ausnehmung kommt, zu derjenigen, bei welcher auch der restliche Teil desSicherungsstabes
eine Abstützfunktion übernimmt. Mittels der vorher beschriebenen Schraubverbindung
des einen Endes der Uberlastsicherung am Träger und/oder an dem am Träger befestigten
Endstück kann dieses Verhältnis auch noch nach derMontagewillkürlich geändert werden.
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Vorzugsweise ist der Schutzbalg mit seinem anderen Randabschnitt im
Bereich des am Träger befestigten Endstückes mit dem Biegebalken verbunden. Hierdurch
wird eine vollkommen staubdichte Ummantelung des Biegebalkens -gewährleistet mit
der Folge, daß insbesondere eine staubfreie Lagerung der bei überlast zur Anlage
kommenden Teile des Sicherungsstabes und des Biegebalkens garantiert ist. Die staubfreie
Lagerung der vorgenannten Teile dient zur Konstanthaltung des Abstandes zwischen
den einander funktionell zugeordneten Flächen der Überlastsicherung und des Biegebalkens.
Grundsätzlich könnte hierfür zwar bereits ein Gebläse in Betracht kommen, welches
den zusätzlichen Vorteil hätte, daß es für konstante Temperaturverhältnisse und
dadurch zusätzlich für einen konstanten Abstand sorgt. Der Schutzbalg ist aber bevorzugt,
da er darüber hinaus auch noch eine Verringerung von Torsionen des Biegebalkens
gewährleistet und insbesondere den mit den elektro-mechanischen Wandlerelementen
bestückten Raum gegen im Außenraum gegenbenenfalls auftretende Änderungen der Meßbedingungen
abschirmt (Anspruch 10)
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der zur Abstützung des Biegebakens der Überlast vorgesehene fingerartige Ausschnitt
außerhalb des Biegebalkens angeordnet (Anspruch 11). Die Anordnung des fingerartigen
Ausschnittes außerhalb des Biegebalkens hat in der Regel den Vorteil einer leichteren
Montage der Überlastsicherung bei gleichzeitiger - zumindest teilweiser - Abschirmung
des Biegebalkens gegen den Außenraum.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei
im wesentlichen gleich ausgebildete und hinsichtlich der Biegebalken-Längsachse
einander gegenüberliegend angeordnete fingerartige Abschnitte vorgesehen und hierbei
deren freien Enden über einen den Biegebalken im Abstand umgebenden Rahmen starr
miteinander verbunden (Anspruch 12). Diese Maßnahme hat den Vorteil einer Erhöhung
der Abschirmwirkung des Biegebalkens gegen den Außenraum verbunden mit einem Uberlastsicherungseffekt
gegen beliebige Richtungen der überlastkräfte, soweit diese in einer zur Biegebalken-Längsachse
senkrechten Ebene liegen. Hinzu kommt, daß diese Ausgestaltung sich besonders für
die bereits eingangs angesprochene Weiterbildung der Uberlastsicherung als Kraftmeßgerät
eignet.
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Ein besonders hoher Abschirmeffekt des Biegebalkens gegen den AuBenraum,
insbesondere gegen harte Stöße wird- dädurch erzielt, daß gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform die beiden fingerartigen Abschnitte einschließlich des Rahmens in
zusätzliche Mantelabschnitte übergehen, derart, daß die genannten Teile eines einstückigen
Hohlzylinder bilden (Anspruch 13).
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Im Falle der vorgenanten Ausführungsformen des oder der fingerartigen
Abschnitte ist der Schutzbalg be-
vorzugt mit seinem anderen Randabschnitt
im Bereich des am Träger befestigten Endes des Hohlzylinders an letzterem oder am
Träger befestigt (Anspruch 14).
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Bei vollkommen symmetrischer Ausbildung des Schutzbalges ist dessen
Einfluß auf das Meßergebnis durch entsprechende Eichung eliminierbar. Es hat sich
jedoch gezeigt, daß es in der Praxis äußerst schwierig ist, einen vollkommen symmetrischen
Schutzbalg herzustellen. Asymmetrien des Schutzbalges, beispielsweise Asymmetrien
hinsichtlich der Geometrie der Oberfläche, der Materialdicke usw., führen jedoch
dazu, daß der Schutzbalg dann einen nicht durch.
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Eichung -eliminierbaren Einfluß auf das Meßergebnis hat,- wenn die
Kräfte außerhalb der Biegebalken-Längsachse angreifen und dadurch entsprechende
Torsionen hervorrufen. Messungen haben gezeigt, daß der hierdurch hervorgerufen
Meßfehler die Größe von einigen Prozent erreicht. Zur Behebung dieser Mefehler weist
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Schutzbalg örtlich begrenzte
Aussteifungen auf (Anspruch 15). Die bevorzugten Orte für diese Aussteifungen werden
nach einem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch ermittelt, daß versuchsweise die
Orte der örtlich begrenzten Aussteifungen geändert, die so erhaltenen Ausgangssignale
des mit exzentrischer Kraft belasteten Kraftaufnehmers ständig gemessen und mit
dem Signal verglichen werden, das bei einer zentrisch auf den Kraftaufnehmer wirkenden
Kraft erhalten wird. Das Verfahren wird so lange durchgeführt, bis die Abweichungen
minimal sind.
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Als Schutzbalg mit einer ausreichenden, das Meßergebnis jedoch möglichst
wenig beeinflussenden Eigqnsteifigkeit ist ein Schutzbalg mit einer wellenförmigen
Oberfläche vorgesehen. Hierbei sind die Aussteifungen durch eine wenigstens zwei
Wellenberge übergreifende Klammer oder einen zwischen diesen Wellenbergen angeordneten
Masseblock realiisert. Diese Art der örtlichen Aussteifungen ist einfach herstbllbar
und läßt sich besonders bequem auf dem wellenförmigen Schutzbalg anbringen.
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(Anspruch 16).
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In Weiterentwicklung dieses Erfindungsgedankens bestehen der Schutzbalg
und die Klammer und/oder der Masseblock aus demselben Material, wobei ferner vorzugsweise
die lichte Weite der Klammer kleiner als der Abstand der für eine Anlage mit der
Klammer vorgesehenen Flanken der Wellenberge und/oder die Material stärke des Masseblocks
größer als der Abstand der einander gegenüberliegenden, zur Anlage an den Masseblock
vorgesehenen Flanken zweier Wellenberge ist. Durch die beiden letztgenannten Maßnahmen
wird ein Selbsthalteeffekt der Klammer und/oder des Masseblocks erzielt. Dieser
Selbsthalteeffekt erleichtert das versuchsweise Herausfinden der zur Kompensation
optimalen Orte des Schutzbalges.
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Hinzukommt, daß mit unterschiedlichen lichten Weiten der Klammern
und/oder unterschiedlichen Materialstärken der Masseblögke und dadurch hervorgerufener
Drücke zwischen den Klammern bzw. Masseblöcken und den Wellenbergen eine unterschiedlich
starre Kompensation der ursprünglichen Asymmetrien erzielbar ist (Ansprüche 17,
18 und 19).
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Material
stärke der Klammer größer als die Wandstärke des Schutzbalges (Anspruch 20).
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Durch die angegebenen Maßnahmen, insbesondere die Uberlastsicherung
und den Schutzbalg läßt sich gefahrlos die Ansprechempfindlichkeit des Kraftmeßgerätes
erheblich steigern. Anmelderseitig durchgeführte Messungen haben ergeben, daß das
erfindungsgemäße Kraftmeßgerät selbst dann bei stark schwankenden Kräfteverhältnissen
seine hervorragende Meßgenauigkeit beibehält, wenn es für Nennlasten zwischen 0
bis 2 N angelegt ist. Der Schutzbalg hat hierbei den zusätzlichen Vorteil, daß er
eine weitere Kompensation nach vorangegangener Kompensation bzw. Justierung des
Biegebalkens ermöglicht, ohne daß hierdurch die
vorher am Biegebalken
vorgenommenen Korrekturmaßnahmen nachteilig beeinflußt würden. Durch den Schutzbalg
ist darüber hinaus ein äußerst kleiner Abstand zwischen den bei Uberlast zur Anlage
kommenden Flächen der Uberlastsicherung und des Biegebalkens sicher einhaltbar.
Hierdurch kann die Empfindlichkeit des Kraftmeßgerätes erheblich gesteigert werden,
ohne daß dabei die Gefahr bestünde, daß es bei plötzlich auftretender Überlast so
stark beansprucht wird, daß danach dessen Meßgenauigkeit verringert würde.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
der zur Abstützung des Biegebalkens vorgesehene Teil der Überlastsicherungs-Anordnung
eigenelastisch ausgebildet, wobei jedoch dessen Eigenelastizität im Vergleich zu
der des Biegebalkens deutlich geringer ist. Hierdurch wird zunächst der Vorteil
eines weichen Auffangens des Biegebalkens bei Uberlast auf der Uberlastsicherungsanordnung
gewährleistetZ hinzu kommt, daß der Biegebalken selbst zu einem Meßinstrument oder
einem Schwellwertmesser hinsichtlich der Kraft ausbildbar ist (Anspruch 21).
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Zum Zwecke der Ausbildung des Biegebalkens als Uberwachungselement
oder als Schwellwertschalter weist vorzugsweise der an dem zur Abstützung des Biegebalkens
vorgesehene Teil der Uberlastsicherungs-Anordnung im Bereich seines den Biegebalken
bei Überlast abstützenden Flächenabschnittes ein auf mechanische Beanspruchung unter
Abgabe eines Meßsignals ansprechendes zusätzliches Wandlerelement, beispielsweise
einen Dehnmeßstreifen auf. Dieser Dehnmeßstreifen ist beispielsweise in der gleichen
Weise am genannten Teil der Uberlastsicherung befestigt wie die Dehnmeßstreifen
auf dem Biegebalken. Diese
Maßnahme hat den Vorteil, daß von der
Uberlastsicherung ein Signal abgreifbar ist, sobald sich der Biegebalken gegen die
Überlastsicherung abstützt.und diese dabei einer Formänderung unterwirft. Ab diesem
Zeitpunkt hat man ein gekoppeltes Meßsystem, nämlich bestehend aus dem Biegebalken
und dem fingerartigen Abschnitt (Sicherungsstab). Das vom Dehnmeßstreifen abgreifbare
Kontrollsignaldient auch gleichzeitig zur Feststellung, ob der Biegebalken im Laufe
der Zeit "weicher" wird und sich demgemäß schon bei geringeren Kräften als ursprünglich
vorgesehen auf den Sicherungsstab abstützt (Anspruch 22).
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungform der Erfindung ist
das zusätzliche Wandlerelement im Bereich der dem freien Endstück nächst gelegenen
Gelenkstellen des Biegebalkens am fingerartigen Abschnitt befestigt. Diese Maßnahme
hat den Vorteil, daß das Wandlerelement im Bereich der größten Verformung des fingerartigen
Abschnittes angeordnet ist und daher besonders empfindlich reagiert (Anspruch 23).
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In Weiterbildung des vorstehenden Erfindungsgedankens ist der oder
sind die fingerartigen Abschnitte der Uberlastsicherungs-Anordnung selbst nach Art
des im Anspruch 1 angegebenen Biegebalkens ausgebildet. Dabei sind im Bereich ihrer
Gelenkstellen ebenfalls Wandlerelemente befestigt, die zur Abgabe des Meßsignals
bei mechanischer Beanspruchung ausgelegt sind, vorzugsweise Dehnmeßstreifen.Die
Gelenkstellen der fingerartigen Abschnitte sind hierbei derart angeordnet, daß sie
mit den Gelenkstellen der Biegebalken jeweils im wesentlichen paarweise fluchten.
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Diese Weiterbildung des Erfindungsgedankens führt zu einem Mehrbereichsmeßssystem,
wobei zunächst das
durch den Biegebalken realisierte Meßsystem
die Kraftmessung vornimmt und danach das aus Biegebalken und Überlastsicherung bestehende
gekoppelte Meßsystem zur Messung herangezogen wird. Die im wesentlichen gleichartige
Ausbildung der Uberlastsicherungs-Anordnung und des Biegebalkens jeweils als parallelogrammartig
ausgebildetes Viergelenksystem sorgt dafür, daß auch das gekoppelte Meßssystem die
eingangs bezüglich des Biegebalkens ausführte hohe Meßgenauigkeit aufweist (Anspruch
24).
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
der Biegebalken und/oder die Uberlastsicherungs-Anordnung jeweils mit einer Einrichtung
zur Temperaturkompensation bestückt. Diese Maßnahme dient einer weiteren Erhöhung
der Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Anspruch 25).
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Nachstehend wird die Erfindung noch näher anhand der in den Zeichnungen
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes
Ausführungsbeispiel; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht von 'feilen des in Fig.
1 dargestellten Ausführungsbeispiels; Fig. 3 ein gegenüber der Fig. 1 geringfügig
modifiziertes Ausführungsbeispiel, jedoch unter der Einwirkung einer Uberlast; Fig.
4 ein Schaltschema zur Messung der Kräfte; Fig. 5 ein hinsichtlich der Uberlastsicherung
modifiziertes Ausführungsbeispiel; Fig. 6 ein weiteres hinsichtlich der Uberlastsicherung
modifiziertes Ausführungsbeispiel Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung
der torsionsabhängiqen Meßfehlerbeeinflussung infolge von Schutzbalg-Asymmetrien;
Fig.
8 und 9 Ausführungsbeispiele für ein Element zur örtlichen Aussteifung des Schutzbalges
und Fig. 10a und b eine schematische Darstellung zur weiteren Erläuterung der örtlich
begrenzten Aussteifung des Schutzbalges.
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Fig. 11 und 12 weitere Ausgestaltungen der berlastsicherung; Fig.
13 und 14 weitere Ausführungsbeispiele der A.usgesta1tuna der Überlastsicherung;
und Fig. 15 eine Weiterbildung der Uberlastsicherung gemäß den Figuren 13 und 14,
die der Ausgestaltung der Überlastsicherung gemäß Fig. 12 entspricht.
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Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Kraftmeßgerätes weist einen starren Träger 10, einen Biegebalken 12 und einen Flansch
14 zur Übertragung einer auf ihn wirkenden Kraft P auf den Biegebalken 12 auf. Der
Biegebalken 12 besteht aus einem elastischen Material und ist nach Art eines Viergelenksystems
ausgebildet.
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Hierzu weist er einen im Querschnitt hantelförmigen Durchbruch 16
auf. Der hantelförmige Durchbruch 16 ist mittig im Biegebalken 12 angeordnet, insbesondere
derart, daß seine Längsachse mit der Längsachse des Biegebalkens 12 übereinstimmt.
Der Mittelteil des hantelförmigen Durchbruches 16 hat einen rechteckigen Querschnitt;
die den "Gewichten" der Hantel entsprechenden Abschnitte einen kreisförmigen. Jeder
im Querschnitt kreisförmige Abschnitt des Durchbruches 16 entspricht zwei Gelenkstellen
18 und 20 bzw. 22 und 24. Diese Abschnitte werden daher im folgenden Gelenkstellen
18, 20, 22 und 24 genannt. Bei Einwirkung einer Kraft P auf den Flansch 14 oder
eine am Flansch 14 befestigte Kraftaufnehmerplatte 28 verformt sich der Biegebalken
12 im wesentlichen im Bereich seiner vier Gelenkstellen 18 bis 24. Die Verformung
des Biegebalkens 12 im Bereich seiner Gelenkstellen 18 bis 24 ist in Fig. 3 gezeigt.
Der Biegebalken ist hierbei über seinen Träger 10 ortsfest mit einer starren Basis
26 verbunden. Der Flansch 14 oder vorzugsweise die an ihm befestigte Kraftaufnehmerplatte
28 werden in Fig. 3 von der Kraft P beaufschlagt.
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Der hantelförmige Durchbruch 16 wird in Querrichtung im wesentlichen
von zwei symmetrisch zur Biegebalken-Längsachse angeordneten balkenartigen Biegelementen
30 und 32 und in Längsrichtung von zwei Endstücken 34 und 36 umgrenzt. Die Endstücke
34 und 36 verbinden jeweils paarweise zwei einander gegenüberlieqende Enden der
Bieqeelemente 30 und 32.
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Der so erhaltene Aufbau des Biegebalkens 12 ist demnach im wesentlichen
ein parallelogrammartiger.
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An denjenigen Stellen der äußeren, einander abgekehrten Oberflächen
38 und 40 der Biegeelemente 30 und 32, die sich bei Beaufschlagung des Biegebalkens
12 mit einer Kraft P am stärksten verformen, sind elektromechanische Wandlerelemente
42, 44, 46 und 48 befestigt. Da dies die Gelenkstellen 18 bis 24 sind, sind die
Wandlerelemente 42 bis 48 auf den oberhalb bzw. unterhalb der Gelenkstellen 18 bis
24 befindlichen Abschnitten der äußeren Oberflächen 38 und 40 der Biegeelemente
30 und 32 befestigt. Vorzugsweise weisen die vier Wandlerelemente 42 bis 48 Dehnmeßstreifen-
undzwei von ihnen gegebenenfalls zusätzlich noch die eingangs genannten Kompensationswiderstände
- auf.
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Die Wandlerelemente 42 bis 48 sind gemäß Fig 4 in üblicher Weise in
einer Brückenschaltung verschaltet.
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Die Brückenschaltung wird eingangsseitig von der Spannung U. versorgt
und gibt ausgangsseitig ein in dem Kraftmeßsignal korrespondierendes Signal Uout
ab. Die Wandlerelemente 42 und 44 bzw. 46 und 48 können hierbei entweder aus einer
Parallelschaltung oder aus einer Serienschaltung eines Kompensationswiderstandes
und eines Dehnmeßstreifens oder aus einer Kombination besagter Parallel- und Serienschaltung
bestehen.
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Der bisher geschilderte Aufbau der Kraftmeßvorrichtung ist bereits
aus dem US-Patent 2 576 128 vom 27.
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April 1971 (Harry E. Lockery) oder den hierzu korrespondierenden britischen
Patent 1 297 508 vom 22. November 1972 bekannt. Der Aufbau des Biegebalkens ist
prinzi-
piell bereits aus dem US-Patent 2 866 059 vom 23. Dezember
1958 (Eric Laimins) bekannt. Eine serielle Kompensation der Dehnmeßstreifen ist
bereits aus dem sowjetischen Erfinderschein 117 851 (angemeldet am 10. Februar 1958
(G. I. Pjansin) sowie aus dem US-Patent 3 422 445 vom 14. Januar 1969 (Walter E.
Jakobson) bekannt. Durch Bezugnahme auf die vorstehend genannten Druckschriften
werden diese hiermit ausdrücklich zum Inhalt vorliegender Beschreibung gemacht.
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Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsheispiel des Kraftmeßgerätes
weistzusätzlich einen den Biegebalken 12 bei Überlast abstützenden Sicherungsstab
50 auf. Der Sicherungsstab 50 ist über sein hinteres Ende 52 mit dem Träger 10 und
dem daran befestigten Endstück 34 des Biegebalkens 12 starr verbunden. Er ist in
Richtung der Biegebalken-Längsachse ausgerichtet und ragt mit seinem freien Ende
in eine Ausnehmung 56, die im freien, d. h. dem Träger 10 abgewandten Endstück 36
des Biegebalkens 12 ausgeformt ist. Das freie Ende 54 des Sicherungsstabes 50 und
die Ausnehmung 56 sind kegelförmig ausgebildet und weisen jeweils den gleichen öffnungswinkel
auf. Die beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen des freien Endes 54 des
Sicherungsstabes 50 und der Ausnehmung 56 des Endstückes 36 haben einen Abstand
d1 voneinander. Der sich im Innern des hantelförmigen Durchbruches 16 befindende
Mittelabschnitt 58 des Sicherungsstabes 50 hat einen quadratischen oder vorzugsweise
runden Querschnitt. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen des Mittelabschnittes
58 und der Biegeelemente 30 und 32 haben in dem zwischen den Gelenkstellen 18 bis
24 liegenden Abschnitt einen gegenseitigen Abstand d2. Der Abstand d1 ist deutlich
kleiner als der Abstand d2.
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Der Abstand d1ist nun so gewählt, daß sich die Oberfläche der Ausnehmung
56 bei Überschreiten einer vorgegebenen auf den Flansch 14 wirkenden Kraft P gegen
die Oberfläche des freien Endes 54 des Sicherungsstabes 50 abstützt. In Ausnahmefällen
kann es bei einer weiteren Erhöhung der Uberlast und einer Verbiegung des Sicherungsstabes
50 auch dazu kommen, daß sich auch noch das obere Biegeelement 30 gegen den Sicherungsstab
50 abstützt, und zwar im Bereich seiner oberen vorderen Gelenkstelle 22. In jedem
Fall weist der Sicherungsstab 50 eine geringere Elastizität, d. h. höhere Steifigkeit
als der Biegebalken 12 auf. Dies kann durch geeignete Matieralauswahl und/oder geeignete
Ausgestaltung, insbesondere Dicke des Sicherungsstabes erzielt werden.
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Die dargestellte Form der Überlastsicherung, d. h.
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der Sicherungsstab 50 hat neben den bereits eingangs erwähnten Vorteilen
zusätzlich den Vorteil, daß er eine Übertragung einer in beliebiger Richtung auf
den Flansch 14 wirkenden Überlast auf den Biegebalken 12 verhindert. Bei einer in»Richtung
der Biegebalken-Längsachse wirkenden Überlast, beispielsweise einem Stoß stützt
sich der Scheitel der Ausnehmung 56 gegen den Scheitel des freien Endes 54 des Sicherungsstabes
50 ab. Bei einer Überlast, deren Vektor in einer zur Biegebalken-Längsachse senkrechten
Fläche liegt, stützt sich ein Abschnitt der Mantelfläche der kegelförmigen Ausnehmung
56 gegen den gegenüberliegenden Abschnitt der Mantelfläche des freien Endes 54 ab.
Ein weiterer Vorteil des Sicherungsstabes 50 ist darin zu sehen, daß er bei vorgegebener
Eigenelastizität den Biegebalkeh 12 bei Überlast nicht schlagartig oder hart sondern
elastisch bzw. weich auffängt. Hierdurch wird ein bei einer schlagartigen Uberlast
sonst "}Arter" Auf fangstof und die damit einhergehende Gefahr einer möglichen Beschädigung
des Biegebalkens 12 vermieden.
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Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung
der Oberflächen des freien Endes 54' des Sicherungsstabes 50 und der Ausnehmung
56' im freien Endstück 36. Das freie Ende 54' und die Ausnehmung 56' im freien Endstück
36' des Biegeballens 12' sind hierbei kegelstumpftörmig ausgebildet, wiederum jeweils
mit gleichem öffnungswinkel. Die kegelstumpfförmige Ausbildung des freien Endes
54' des Sicherungsstabes 50' und der Ausnehmung 56' im freien Ende 36' stellen eine
bessere Druckverteilung bei einem Überlast-Schlag in Richtung der Biegebalken-Längsachse
sicher. Der besseren Klarheit wegen stellt Fig. 5 lediglich einen Ausschnitt aus
dem gesamten Kraftmeßgerät dar.
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In Fig. 6 - wiederum in Form eines Ausschnittes aus dem gesamten Kraftmeßgerät
- ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Befestigung des hinteren Endes 52''
des Sicherungsstabes 50"mit dem Träger 10'' und dem hinteren Endstück 34'' des Biegebalkens
12" dargestellt. Das hintere Ende 52" ist hierbei mit einem Schraubengewinde 62
versehen, das in ein entsprechendes Schraubengewinde 64 im Träger 10'' und dem hinteren
Endstück 34'' eingreift. Durch die angegebene Schraubverbindung ist der Sicherungsstab
50'' in Richtung seiner Längsachse verschiebbar. Hierdurch ist der Abstand d1 zwischen
den einander zugekehrten Oberflächen des freien Endes 54 des Sicherungsstabes 50''
und der Ausnehmung 56 im freien Endstück 36 veränderbar, mithin auch das Verhältnis
der Abstände d1 / d2. Dies hat zur Folge, daß durch ein Verdrehen des Sicherungsstabes
50'' die Größe der Überlast, bei welcher der Sicherungsstab 50'' zur Anlage an den
Biegebalken kommt, justierbar ist. Zur bequemen Justierung ragt das hintere Ende
52'' des Sicherungsstabes 50'' aus dem Träger 10'' heraus und weist an seinem herausragenden
Ende eine Kerbe 60 für den lingriff eines Schraubenziehers oder dergleichen auf.
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Zur Festlegung des Sicherungsstabes 50'' in seiner einjustierten Position
ist eine Sicherungsmutter 66 vorgesehen.
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Grundsätzlich reicht es aus, nur einen Abschnitt des Endes 52" und
einen entsprechenden Abschnitt des Trägers 10'' und/oder des hinteren Endstückes
34" des Biegebalkens mit einem Gewinde zu versehen.
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Eine weitere Erhöhung der Meßgenauigkeit wird durch eine Einrichtung
zur staubfreien Lagerung der bei Überlast zur Anlage kommenden Teile der Überlastsicherung
50 und des Biegebalkens12 bewirkt. Gemäß den dargestellten Ausführungsbeispielen
ist hierzu ein metallischer Schutzbalg 70 mit einer wellenförmigen Oberfläche vorgesehen,
welcher den gesamten Biegebalken 12 staubdicht umschließt. Der Schutzbalg 70 wird
hierbei vorzugsweise nach Montage und Justierung des Biegebalkens bzw. des übrigen
Teiles des Kraftmeßgerätes, insbesondere nach der Justierung der Kompensationswiderstände
aufgebracht. Hierzu wird der Schutzbalg 70 über die zu beiden Enden des Biegebalkens
12 vorgesehenen Schultern 72 und 74 geführt und dort befestigt, beispielsweise durch
Verklebung.
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Der in den Figuren dargestellte Schutzbalg 70 hat den großen Vorteil,
daß er den genannten Biegebalken gegen Umwelteinflüsse, insbesondere gegen Staubablagerungen
am freien Ende 54, 54' und in der Ausneiun 56, 56' abschirmt und damit zur Erhöhung
der Meßgenauigkeit beträgt. Erst hierdurch wird es möglich, den genannten Abstand
d1 ohne Beeintrdchtigung des 'leßgenauickeit minimal zu machen. Er hat jedoch den
Nachteil-s daß er dann zu einer wesentlichen Beeinflussung des Kraftmeßsignals führt,
wenn der Angriffspunkt der auf den Biegebalken 12 wirkenden Kraft gegenüber dessen
Längsachse seitlich versetzt ist und darüber hinaus der Balg selbst nicht vollkommen
symmetrisch hergestellt ist, beispielsweise Asymmetrien hinsicht-
lich
seiner inneren Materialstruktur, seiner Materialdicke und seiner weXllenförmigen
Oberfläche aufweist.
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Zur Erläuterung vorstehender Problematik wird auf Fig. 7 Bezug genommen.
Wenn die Kraft P'= P außerhalb der Biegebalken-Langsachse X einwirkt, entsteht ein
Drehmoment M = P . z. Die Variable z gibt x hierbei den Abstand der seitlichen Versetzung
des Kraftangriffspunktes von der Biegebalken-Längsachse X an. Das Drehmoment Mx
führt zu einer Verdrehung (Torsion) des Meßkörpers Bei dem dargestellten Kraftmeßgerät
- jedoch ohne Schutzbalg - oder bei einem Kraftmeßgerät für eine große Nennlast
und einer gegenüber dem Meßkörper sehr geringen Steifigkeit des Schutzbalges ist
der Einfluß des Drehmomentes klein und kompensierbar. Bei Kraftmeßgeräten für kleine
Nennlasten (maximal einige N), die einen- mit Hilfe eines elastischen metallischen
Schutzbalges abgedichteten Wandlerelementenraum aufweisen, kommt es praktisch immer
zu wesentlichen Beeinflussungen des Ausgangssignals durch das Drehmoment Mx Dies
kann man folgendermaßen erklären: Bei der Verdrehung des Kraftmeßgerätes muß der
relativ verdrehungssteife Schutzbalg 70 einen großen Teil des Drehmomentes übertragen.
Dabei kommt es zu einer schraubenförmigen Verformung des Schutzbaiges 70. Die genaue
Geometrie dieser Verformung hängt von den ursprünglichen Asymmetriehides Schutzbalges
und der Verbindung zwischen dem Schutzbalg 70 und dem übrigen Kraftmeßgerät ab.
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Bei unterschiedlichen Asymmetrien verschiedener Schutzbälge ändert
sich der vom Schutzbalg übernommene Anteil der zu messenden Kraft von Schutzbalg
zu Schutzbalg. Dies führt zu einem Meßfehler (Vergrößerung oder Verminderung) des
gemessenen Kraftmeßsignals. Die Richtung der Änderung (Zunahme oder Abnahme des
Kraftmeßsignals bei gleicher Kraft infolge
unterschiedlicher wirksamer
Drehmomente Mx) hängt von der Form und Richtung der Ausknickung des Schutzbalges
70 ab. Die Form und Richtung der Ausknickung des Schutzbalges wiederum ist durch
die Form und Lage der ursprünglichen Schutzbalg-Asymmetriengegeben. Die relative
Größe des Fehlers hängt hierbei von dem Maß bzw. der Größe der Schutzbalg-Asymmetrien
ab.
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Zur Kompensation dieser durch ursprüngliche Schutzbalg-Asymmetrien
hervorgerufenen Meßfehler, weist der Schutzbalg 70 örtlich begrenzte Aussteifungen,
beispielsweise in Form der dargestellten Klammern 80 oder Masseblöcke 90 auf. Die
Klammern 80 und die Masseblöcke 90 führen zu einer Beeinflussung der Balgsteifigkeit
und-form, wobei die Klammern 80 und Masseblöcke 90 und deren Aufbringungsorte so
gewählt sind, daß der EinfluB der ursprünglichen Schutzbalg-Asymmetrienkompensiert
wird. Ein mit der vorgenannten Kompensation der Schutzbalg-Asymmetrie einhergehendes
Problem besteht darin, daß die Schutzbalg-Asymmetrienur in ihrer Auswirkung auf
das Kraftmeßsignal erfaßbar ist. Zur Lösung dieses Problems, d. h. zur Auffindung
des richtigen Ortes bzw. der richtigen Orte zur gezielten Beeinflussung der Balgsteifigkeit
wird wie folgt vorgegangen: Der Ort der Beeinflussung wird geändert und hierbei
das Ausgangssignal des mit exzentrischer Kraft P' = P belasteten Kraftaufnehmers
ständig gemessen und mit dem Signal bei einer zentrischen Kraft P verglichen. Dies
Verfahren wird so lange durchgeführt, bie die Differenzen zwischen den beiden so
erhaltenen Kraftmeßsignalen minimal sind. Für eine gute Kompensation des Schutzbalg-Einflusses
sind neben der richtigen Axialposition x der örtlich begrenzten Aussteifung, beispielsweise
also der Klammer 80,auch deren WinkelpositionSi d/ maßgebend. Im übrigen können
auch mehrere örtlich begrenzte Aussteifungen an verschiendenen Positionen xn
und
Wn zum Zwecke einer Feinabstimmung der Kompensation angebracht werden.
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Die örtliche Beeinflussung in Form einer Versteifung und/oder Formänderung
im Bereich einer oder mehrerer Wellenberge 82 des Schutzbalges 70 ist in den Fig.
8 und 10 a und b lediglich ausschnittweise und nur schematisch dargestellt. Die
Klammer 80 besteht vorteilhaft aus dem gleichen Material wie der Schutzbalg 70,
wobei die Materialstärke S1 der Klammer 80 größer bzw. wesentlich größer als die
Materialstärke S2 des SchutzbAlges 70 ist. Die lichte Weite W1 der Klammer 80 ist
kleiner als der Abstand W2 der für eine Anlage mit der Klammer 80 vorgesehenen Oberflächen
der Wellenberge 82. Je kleiner die Materialstärke W1 der Klammer 80 gegenüber der
Materialstärke W2 des Schutzbalges 70 ist, desto größer ist der Einfluß der Klammer
80 auf das Torsionsverhalten des Schutzbalges 70.
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Entsprechendes gilt für den in Fig. 9 dargestellten Materialblock
90. Auch er besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Schutzbalg 70.
Auch seine Materialstärke W3 ist vorzugsweise größer als der Abstand W4 der einander
gegenüberliegenen Flächen zweier benachbarter Wellenberge 82.
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Gemäß Fig. 8 ist die lichte Weite W1 der Klammer 80 so gewählt, daß
diese zwei Wellenberge 82 des Schutzberges 70 übergreift. In Fig. 10 bedeutet x
die in Richtung der Biegebalken-LängsacheeX gemessene Position der Klammer 80, während
der griechische Buchstabe C; die Winkelposition der Klammer 80 angibt. Die Klammer
selbst ist im wesentlichen U-f'örmig ausgebildet, während derITasseblock 90 quader-
oder würfelförmig ausgestaltet ist.
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Nachdem die richtige(n) Stelle(n) der Klammer(n) 80
und/oder
des M msiSocks 90 bzw. der Masseblöcke 90 zur optimalen Kompensation der ursprünglichen
Schutzbalg-Asymmetrie gefunden worden ist bzw. sind, werden die Klammer(n) 80 und/oder
der Masseblock 90 bzw.
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die Masseblöcke 90 durch Löten, Schweißen, Kleben oder andere geeignete
Techniken an der bzw. den gefundenen Stelle(n) des Schutzbalges 70 fixiert.
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Die durch vorstehend beschriebenes Kompensationsverfahren erzielte
Herabsetzung des durch ursprüngliche Asymmetrien des Schutzbalges verursachten Fehlers
eines mit Torsion belasteten Kraftaufnehmers ist groß.
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Anmelderseitig durchgeführte Messungen haben ergeben, daß von dem
ursprünglichen Fehler in der Größe von einigen Prozent des Kraftmeßsignals nach
der Kompensation nur noch einige 1/10 % bis 1/100 ?o übrigbleiben. Neben dem Vorteil,
daß das angegebene Verfahren zur Kompensation ursprünglicher Schutzbalg-Asymmetrien
relativ schnell ist, hat den besonders großen Vorteil, daß es die bereits vor dem
Ummanteln des Kraftaufnehmers mit dem Schutzbalg 70 vollzogene Kompensation und
Justierung desselben nicht beeinflußt.
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Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung liegende Abwandlungen
der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise können bei einem
nicht wellenförmigen Schutzbalg die örtlichen Versteifungselemente ebene oder entsprechend
der Schutzbalgkrümmung gekrümmte Plättchen sein, die auf dem Schutzbalg fixiert
werden. Auch können die Klammern selbst eine wellenförmige Oberfläche aufweisen.
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Anstelle der Kegelform des freien Endes 54 des Sicherungsstabes 50
und der Ausnehmung 56 im freien Endstück 36 kann auch eine Halbkugelform gewählt
oder die Zylinderform des Sicherungsstabes 50 auch an dessen freiem Ende 54 - mit
entsprechender Ausgestaltung der Ausnehmung 56 - beibehalten werden. Im letztgenannten
Fall
ist allerdings eine Änderung sämtlicher Abstsde d zwischen den einander gegenüberliegenden
Oberflächen des freien Endes 54 des Sicherungsstabes 50 und der Ausnehmung 56 durch
einfaches Verschieben des Sicherungsstabes 50 in Richtung seiner Längsachse nicht
möglich. Grundsätzlich kann die Überlastsicherung auch ein senkrecht zur Biegebalken-Längsachse
und hierbei parallel zur Richtung der einwirkenden Kraft angeordneter Stab oder
Block sein, welcher das Kraftmeßgerät beispielsweise von unten her zwischen den
Mitteln 14 zur Kraftaufnahme und der hierzu nächstgelegenen Gelenkstelle 24 abstützt.
Unter Umständen muß zur staubfreien Lagerung der Uberlastsicherung und der zur Anlage
an die Überlastsicherung vorgesehenen Stelle des Kraftmeßgerätes ein zusätzlicher
Schutzbalg vorgesehen sein, wobei dessen Einfluß auf des Kraftmeßgerät zu kompensieren
ist, beispielsweise in gleicher Weise wie die Kompensation der ursprünglichen Asymmetrien
des Schutzbalges 70.
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Gemäß dem in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Sicherungsstab
50 eine gewisse Eigenelastizität auf. Gleichzeitig ist im Bereich seines freien
Endes 54, und zwar im Bereich der Gelenkstelle 22 des Biegebalkens 12 ein Dehnmeßstreifen
200 auf ihm befestigt.
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Dieses Dehnmeßstreifen gibt dann ein Signal ab, wenn sich der Biegebalken
12 auf dem Sicherungsstab 50 abstützt und diesen dabei einer Formänderung unterwirft.
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Ab diesem Zeitpunkt wirkt der Biegebalken 12 gemeinsam mit dem Sicherungsstab
50 als gekoppeltes Meßsystem.
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Das bei einer Formänderung des Sicherungsstabes 50 vom Dehnmeßstreifen
abgegebene Kontrollsignal kann einerseits dazu benutzt werden, von der für den Biegebalken
allein, d.h. ohne Mitwirken des Sicherungstabes 50 vorgesehenen Eichkurve auf eine
weitere Eichkurve automatisch überzuwechseln,welche die Formänderung des gekoppelten
Meßsystemes bei Einwirkung einer Kraft wiedergibt. Hierbei wird allerdings nur eine
grobe Kraft-
meßung möglich sein, da der Biegebalken 50 nicht als
parallelogrammartiges Viergelenksystem ausgebildet ist und insoweit Meßfehler aufweist,
die mit dem als Viergelenksystem parallelogrammartig ausgebildeten Biegebalken 12
vermieden werden. Zumindest ist das vom Dehnmeßstreifen 200 abgreifbare Kontrollsighal
dafür verwendbar, um festzustellen, wann der Biegebalken sich auf der Überlastsicherung
abstützt. Die hierbei gemessene Kraft kann einen Hinweis darauf liefern, ob der
Biegebalken 12 im Laufe der Zeit "weicher" wird und sich demgemäß schon bei geringeren
Kräften als ursprünglich vorgesehen auf dem Sicherungsstab 50 abstützt.
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Das in Fig. 12 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich
von dem in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß der Sicherungsstab
50 nunmehr als parallelogrammartig aufgebautes Viergelenksystem ausgebildet ist.
Zu diesem Zweck weist der Sicherungsstab 50 - wie der Biegebalken 12 - einen im
wesentlichen hantelförmigen Durchbruch auf, der durch einen Mittelschlitz 235 und
die an dessen beiden Enden vorgesehenen, im Querschnitt ovalen oder kreisförmigen
Durchbrüche gebildet ist. Die zu beiden Enden des Mittelschlitzes 235 vorgesehenen
Druchbrüche bilden die Gelenkstellen 210, 215off 220 und 225. Zur Verfollständigung
des durch den Biegebalken gebildeten Meßsystems sind im Bereich von dessen Gelenkstellen
die Wandlerelemente 200, 202, 204 und 206 vorgesehen. Insgesamt soll durch die beschriebene
Ausgestaltung des Sicherungsstabes erreicht werden, daß er sich grundsätzlich in
gleicher Weise verformt, wie der Biegebalken 12, so bald er eine Abstützfunktion
für den Biegebalken übernimmt. Damit der Sicherungsstab 50 seine Abstützfunktion
beibehält, muß er selbstverständlich eine höhere Eigensteifigkeit aufweisen als
der Biegebalken 12.
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Das in Fig. 12 dargestelle Ausführungsbeispiel zeigt im Prinzip ein
Meßsystem, bestehend aus zwei parallelogrammartig aufgebauten Viergelenk-Biegebalken,
in welchem erst mit dem einen Biegebalken, nämlich dem Biegebalken 12 und danach
mit beiden zusammen, nämlich dem Biegebalken 12 und dem Sicherungsstab 50 gemessen
wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Viergelenkmeßsysteme
ineinander geschachtelt angeordnet. Grundsätzlich können sie auch nebeneinander
angeordnet sein.
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Unter bestimmten Umständen kann es von Vorteil sein, noch die dargestellte
zusätzliche Überlastsicherung 130 vorzusehen, die in diesem Fall nicht mehr staubabgeschirmt
ist. Eine staubdichte Abschirmung der Überlastsicherung 130 und des Halteflansche
14 bzw. der zur gegenseitigen Anlage bestimmten Flächen mag auch entbehrlich sein,
da es infolge der Meßbereichserweiterung höherer Kräfte zum Eingreifen der Uber-12stsicherung
130 bedarf als im Falle des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels. In diesem
Fall wird eine Staubablagerung auf der Überlastsicherung 130 zu einer relativ geringen
Veränderung derjenigen Kraft führen, bei welcher die Überlastsicherung eine weitere
Verbiegung des aus dem Sicherungsstab und dem Biegebalken bestehenden gekoppelten
Meßsystems verhindert.
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Die Dehnmeßstreifen 200 bis 206 sind in den Bereichen hoher Elastizität
des Sicherungsstabes angeordnet. Diese Bereiche fluchten mit dem oder liegen innerhalb
der Bereiche hoher Elastizität des Biegebalkens. Diese MaB-nahme gewährleistet,
daß der Biegebalken sich im wesentlichen stets auf demselben Punkt auf den Sicherungsstab
50 abstützt, insoweit also Meßfehler durch eine Veränderung des Lastangriffspunktes
hinsichtlich des Sicherungsstabes 50 nicht zu befürchten sind.
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Das in Fig. 13 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gleicht hinsichtlich der Ausgestaltung und Anordnung des Biegebalkens
12 im wesentlichen den anhand der Figuren 1 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispielen.
Auch hier bezeichnen - wie in sämtlichen vorstehenden Figuren - gleiche Bezugszeichen
die gleichen Teile wie in den vorangehend erläuterten Ausführungsbeispielen. Die
an den Flansch 14 angrenzende Schulter 74 des freien Endstückes 36''' des Biegebalkens
12 stellt die zur Anlage an die Überlastsicherungs-Anordnung vorgesehene Fläche
dar. Der Biegebalken 12 ist über sein eines Endstück 34''' fest mit dem Träger 10'''
verbunden.
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Die Überlastsicherungs-Anordnung weist zwei fingerartige Abschnitte
102 und 104 auf, die außerhalb des Biegebalkens 12 angeordnet sind und als Verlängerungen
des Trägers 10''' ausgebildet sind. Die beiden fingerartigen Abschnitte 102 und
104 sind im wesentlichen in gleicher Weise ausgebildet. An ihren freien Enden werden
die fingerartigen Abschnitte 102 und 104 über einen starren Rahmen 106 miteinander
verbunden. Die dargestelle Überlastsicherung stellt das Pendant zum Sicherungsstab
50 dar.
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Der Schutzbalg 70 ist hierbei mit seinem einen Randabschnitt 69 auf
dem Träger 10''' und mit seinem anderen Randabschnitt 71 auf dem freien Endstück
36''' des Biegebalkens 12 befestigt.
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Alternativ können die beiden fingerartigen Abschnitte 102 und 104
lediglich gedachte,d.h. virtuelle Abschnitte einer insgesamt als Hohlzylinder 100
ausgestalteten Überlastsicherung sein (Fig. 14). In diesem Fall sind bevorzugt an
den freien Enden des Hohlzylinders 100 federnd angeordnete Stifte 250 angeordnet,
die ihrerseits wiederum als Meßgeräte weitergebildet sind und hierdurch nicht nur
ein weiches Abfangen des Biegebal-
kens 12 bei einer Überlast gewähleisten,
sondern zusätzlich zur Messung mittels des hierdurch gebildeten gekoppelten Meßsystems
herangezogen werden können.
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Das in Fig. 15 dargestellte Ausführungsbeispiel gleicht dem in Fig.
13 dargestellte Ausführungsbeispiel jedoch mit der Ausnahme, daß die beiden fingerartigen
Abschnitte 102 und 104 nunmehr als parallelogrammartiges Viergelerksystem ausgebildet
sind und gemeinsam mit dem Biegebalken ein Mehrbereichsmeßsystem bilden. Die fingerartigen
Abschnitte 102 und 104 werden hierbei über den Träger 10''' und den Rahmen 106 an
ihren Enden starr miteinander verbunden. Sie weisen oberhalb bzw.
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unterhalb der Gelenkstellen 18, 20, 22 und 24 des Biegebalkens 12
angeordnete Gelenkstellen 210', 215', 220' und 225' auf. Auf den nach außen zugekehrten
Oberflächen der fingerartigen Abschnitte 102 und 104 sind oberhalb der Gelenkstellen
210' bis 225' Dehnmeßstreifen 200', 202', 204' und 206' angeordnet. Hinsichtlich
der Funktionsweise dieses Mehrbereichtsmeßsystems wird auf das in Fig. 12 dargestellte
Ausführungsbeispiel verwiesen, das im Prinzip in gleicher Weise wirkt, wie das in
Fig. 15 dargestellte Ausführungsbeispiel.