DE3307574C2

DE3307574C2 - Lastzelle

Info

Publication number: DE3307574C2
Application number: DE3307574A
Authority: DE
Inventors: Bjoern Bergfalk
Original assignee: NOBEL ELEKTRONIK AB
Current assignee: NOBEL ELEKTRONIK AB, KARLSKOGA, SE
Priority date: 1982-03-05
Filing date: 1983-03-03
Publication date: 1994-10-13
Anticipated expiration: 2003-03-04
Also published as: NL8300806A; DE3307574A1; GB8306087D0; FR2522815B1; JPS58166231A; FR2522815A1; SE8201365L; GB2117128B; JPH0477258B2; SE438733B; US4516646A; GB2117128A

Description

Die Erfindung betrifft eine Lastzelle basierend auf dem Scherkraftprinzip, mit einem Meßkörper in Form eines langgestreckten Balkens, der an seinen äußeren Enden ge lagert ist und in seinem mittleren Bereich belastet ist und mit Dehnungsmeßfühlern versehen ist, die an den Zwischenstücken zwischen den Enden und dem mittleren Be reich befestigt sind, um durch die Verformung im Balken material infolge der Durchbiegung des Balkens, welche durch die Kraft der Belastung verursacht wird, beeinflußt zu werden.

Es ist bereits bekannt, in verschiedenen elektronischen Wiegeeinrichtungen balkenartige Lastzellen oder Kraft-Über tragungszellen zu verwenden, die auf widerstandsfähigen Dehnungsmeßfühlern basieren. Der Grund hierfür liegt darin, daß solche Lastzellen sehr zuverlässig sind und die Kali brierungs- und Wiederholbarkeitsanforderungen auch über lange Zeit und unter ungünstigen Meßbedingungen aufrecht erhalten können. Infolge ihrer vergleichsweise kleinen Ab messungen sind die Balken-Lastzellen sehr schnell und leicht zu installieren und es kann eine niedrige Gesamt höhe erzielt werden. Die Lastzellen sind üblicherweise zylindrisch, wodurch ein Auswechseln gegen eine vorhandene Achse oder ein anderes mechanisches Element möglich ist, was die Installation der Lastzelle in bestehenden mecha nischen Systemen, in die die Wiegevorrichtung eingebaut werden soll, vereinfacht.

Ein bedeutender Vorteil der auf dem Scherkraftprinzip beruhenden Lastzellen besteht darin, daß solche Lastzellen im wesentlichen gegenüber Seitenkräften unempfindlich sind, d. h. gegenüber solchen Kräften, die in von der Meßeinrich tung abweichenden Richtungen wirken. Es werden seitlich keine Biegeabstützungen benötigt und die Lastzellen können Seitenkräfte bis zu 100-200% der Nennlast zulassen.

Es treten jedoch auch andere unerwünschte Kräfte, insbesondere "parasitäre" Kräfte, die durch Temperatur veränderungen verursacht werden, auf, die auf eine Last zelle einwirken. Die in der Lastzelle verwendeten Deh nungsmeßfühler werden ebenfalls durch die Temperatur beeinflußt, unter anderem infolge der Tatsache, daß der Meßkörper und die Drähte der Dehnungsmeßfühler unter schiedliche Wärmeausdehnungsvermögen haben. Wenn jedoch wenigstens vier gleiche Dehnungsmeßfühler verwendet werden, die an dem gleichen Material haften, dann werden die durch die Temperaturveränderungen verursachten Widerstandsänderungen die gleichen sein. Wenn die Deh nungsmeßfühler dann in einer herkömmlichen Meßbrücke ge schaltet sind, wird unter dem Einfluß solcher Widerstands veränderungen an der Brückenschaltung kein Ungleichge wicht auftreten.

Weitere unerwünschte, die Wiegegenauigkeit beeinflussenden Kräfte werden beispielsweise durch die Temperaturveränderungen der Beschwerungsplattform oder des Beschwerungsrahmens verursacht. Aus diesem Grund wurde die Lastzelle üblicherweise mit zusätzlichen Lagern oder anderen Montagedetails versehen, so daß unerwünschte Kräfte, wie Seitenkräfte oder Biegemomente die Lastzelle nicht beeinflussen. Dann wurde die Lastzelle üblicherweise mit ihren äußeren Enden in Bügellagern oder dergleichen mit sphärischen oder anderen gut definierten Kontakt flächen montiert. In diesem Fall wurde die Last ebenfalls mittels eines Lagers auf den mittleren Bereich des Meß körpers der Lastzelle übertragen.

Demgemäß war es bisher notwendig, für fast jede Waagenanwendung spezielle Montageeinzelteile ergänzend zur Lastzelle selbst zu liefern. Als eine Alternative zu solchen Montagezubehörteilen könnte der Käufer sich gemäß den Anweisungen des Lieferanten um die Montage der Last zelle kümmern. In beiden Fällen treten jedoch zusätzlich zu den Kosten der Lastzelle extra Kosten auf.

DE 27 19 946 A1 offenbart eine gattungsgemäße balkenförmige Lastzelle, die an ihren äußeren Enden gelagert ist, in ihrem mittleren Teil belastet wird und mit Dehnungsmeßfüh lern versehen ist, die an den Zwischenbereichen, zwischen den Enden und dem mittleren Teil, angeordnet sind, um durch die Verformung des Balkenmaterials infolge von äußerer Belastung beeinflußt zu werden.

Diese Lastzelle wird mit Spiel zwischen zwei Bauteilen ge lagert und kann zur Ausrichtung der Dehnungsmeßstreifen in Richtung der zu messenden Kraft um ihre Längsachse gedreht und anschließend gesichert werden. Zusätzlich auftretende Querkräfte, d. h. Kräfte rechtwinkelig zu der zu messenden Last und zur Achse der Lastzelle, können jedoch nicht kom pensiert werden. Sie wirken sich auf die Lastzelle aus und können das Meßergebnis verfälschen.

Aus DE 26 31 698 A1 ist ein balkenförmiger Meßkörper be kannt, der an seinen äußeren Enden mit ringförmigen Kanten (lagernd) ausgebildet ist. Diese Kanten ermöglichen es aber nicht, auftretenden Seitenkräften auszuweichen, bzw. sie zu kompensieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsge mäße Lastzelle zu schaffen, die es ohne zusätzliche Monta geteile ermöglicht, unerwünschte Kräfte und insbesondere Querkräfte zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird durch eine Lastzelle gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Ein Vorteil der Erfindung ist es, die Anzahl solcher Montagezubehörteile insbesondere so zu reduzieren, daß überhaupt keine eigenen Montageteile erforderlich sind, d. h., daß die Lastzelle als verwendungsfertige Bau einheit angeboten werden kann.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Lastzelle, die mit einem eingebauten Lager in Form eines Gleitlagers versehen ist;

Fig. 2 eine Lastzelle mit einem Kugellager;

Fig. 3 und 4 jeweils das äußere Ende einer Lastzelle mit einem Rollenlager und einem Nadellager;

Fig. 5 eine Lastzelle mit direkt an der Zylinderfläche des Meßbalkens angeformten sphärischen Lagerringen, so daß das eingebaute Lager durch die Kontaktfläche zwischen den sphärischen Ringen und der Montage basis gebildet wird; und

Fig. 6 und 7 jeweils in der Draufsicht von hinten die Lastzelle gemäß der Fig. 1 und 2.

In der folgenden Beschreibung der unterschiedlichen Ausführungsformen der Lastzelle sind entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Bei den verschiedenen Ausführungsformen der Lastzelle ist die Grundform ebenfalls die gleiche, während die spezifischen eingebauten Lagerungen unterschiedlich sind. Wie in den Figuren dargestellt be steht der Meßkörper 1 der Lastzelle hauptsächlich aus einem hohlen zylindrischen Balken mit zwei äußeren Enden 2, 3 zur Lagerung der Lastzelle und einem mittleren Teil 4, an dem die Last angelegt wird, und in den Figuren durch die Belastungs kraft F angegeben ist.

Die Lastzelle ist vorzugsweise horizontal montiert, um beispielsweise Tanks und Container zu wiegen, was eine einfache Installation und ein niederes Profil bedeutet. Die Montagebasis ist häufig ein Betonboden oder dergleichen. Wenn die Lagerung der Montagebasis ungenügend ist, dann könnte eine gehärtete Montageplatte oder dergleichen verwendet werden, um die punktuelle Belastung der Montagebasis durch die Lastzelle zu verteilen.

Wie in den Figuren dargestellt sind sowohl die beiden äußeren Enden als auch der mittlere Bereich ringförmig mit einem Radius, der größer als der Radius der verbleibenden Teile des Lastzellen-Meßkörpers ist. Wenn am mittleren Teil 4 der Lastzelle eine Last mittels eines einfachen Lastbügels 6 übertragen wird, dann wird die Lastzelle durch eine Scherkraft beeinflußt, so daß die Verformungen des Balken materials in den Zwischenzonen 7, 8 zwischen den beiden äußeren Enden und dem mittleren Teil infolge der verringer ten Materialdicke dieser Zonen konzentriert sind.

Der Meßkörper 1 ist ebenfalls mit einer axialen Aus sparung 9 versehen, die sich durch den Körper erstreckt, und welche eine geschütztere Anordnung der Dehnungsmeß fühler und mehr Raum für die elektrischen Leitungen von den Dehnungsmeßfühlern ermöglicht. In den Zwischenbereichen sind innerhalb der Aussparung vier Dehnungsmeßfühler 10, 11, 12 und 13 positioniert und an den einander gegenüberliegenden Seiten der inneren Oberfläche der Aussparung befestigt, welche parallel zur Biegeebene des Balkens liegen. Die Dehnungsmeßfühler sind weiterhin so angeordnet, daß sie durch die Verformungen des Balkenmaterials in zwei wechsel seitig rechtwinkeligen Richtungen, die mit der Längsachse 14 des Balkens einen Winkel von 45° bilden, beeinflußt werden. Auf bekannte Art und Weise wird die Empfindlich keit der Lastzelle erhöht, indem zwei Lastzellenpaare 10, 11 und 12, 13 jeweils in vier Armen einer herkömmlichen Wheatstonschen Brücke geschaltet sind. Ein Kabel 15 ver bindet die Zuführungsleitungen der Dehnungsmeßfühler über eine Buchse 16, die an einem der beiden Enden des Meß balkens angeordnet ist. Das andere Ende des Balkens ist mit einem inneren kreisförmigen Endverschluß 17a und einem äußeren Deckel 17b versehen.

Wie in der Einleitung bereits erwähnt, sind herkömmliche Lastzellen üblicherweise mit getrennten Montageteilen in Form von Lagergabeln o. dgl. mit sphärischen oder anderen gut defi nierten Kontaktflächen, sowie mit Lastkupplungen mit Lagern versehen, um zu verhindern, daß die Lastzellen von unerwünsch ten Kräften beeinflußt werden. Insbesondere beim Belasten von großen Tanks und Behältern können solche unerwünschten Kräfte infolge der Wärmeausdehnung und auch infolge des Windes auftreten.

Solche getrennten Montageteile sind bei der vorliegenden Lastzelle unnötig. Anstatt der Verwendung dieser getrennten Montageteile sind die Enden der Lastzelle mit eingebauten Lagern versehen, um die Lastzelle gegen unerwünschte Kräfte unempfindlich zu machen. D. h., daß die Lastzellen direkt auf einer Montagebasis oder einem Fundament mit einer aus reichend großen Lagerfestigkeit angeordnet werden können, und d. h. auch, daß eine einfache Lastkupplung verwendet werden kann, die mit Schrauben oder dergleichen direkt am mittleren Bereich des Lastzellenbalkens befestigt werden kann. Die Lager ermöglichen eine von Zwangskräften freie Drehbarkeit der Lastzelle um die Achse des Meßbalkens.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist an den äußeren Enden des Balkens ein eingebautes Lager in Form eines Gleitlagers angeordnet. Die Gleitlager sind zwischen einem äußeren sphärischen Ring 18 mit einem L- förmigen Querschnitt und einem inneren zylindrischen Ring 19 ausgebildet, der die direkt an der Außenfläche des Meßbalkens angeformt ist. Die äußeren sphärischen Ringe sind aus einem gehärteten Material, beispielsweise Stahl hergestellt und werden in ihren genauen Längspositionen mittels Klemmringen 20 gehalten, die mit dem Winkelteil 21 des Ringes 18 in Berührung stehen. Um die Herstellung zu erleichtern, ist der innere zylindrische Ring mit einer inneren, ebenen, zylindri schen Oberfläche vorzugsweise mit dem gleichen Radius wie die zylindrische Lastkupplung 4 versehen. Der äußere sphärische Ring ist mit einer entsprechenden inneren, ebenen, zylindri schen Kontaktfläche versehen. In der Kontaktfläche zwischen den zylindrischen Flächen der Ringe ist ein Gleitlager 22 aus einem polytetrafluoräthylen-beschichteten Gewebe oder Teflon angeordnet, um eine Gleitbewegung zwischen dem sphärischen Außenring und dem Meßkörper zu erleichtern.

In der Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform darge stellt, bei der das eingebaute Lager aus einem Kugellager 23 besteht, welches zwischen einem äußeren sphärischen Ring 18 und einem inneren zylindrischen Ring 19 angeord net ist, welcher entsprechend dem Ring 19 aus der Fig. 1 direkt am Meßkörper angeformt ist. Das Kugellager 23 ist zwischen diesen beiden Ringen mittels eines inneren und äußeren Klemmringes 20 gesichert. In diesem Fall ist die Lastzelle anstatt auf einer Trägerplatte in zwei Träger rinnen, vorzugsweise aus Stahl gelagert.

In der Fig. 3 ist der linke äußere Teil einer weiteren Ausführungsform eines Lastzellen-Meßkörpers dargestellt, in dem das eingebaute Lager ein Nadellager 24 aufweist. Auch in diesem Fall weist das Balkenende einen äußeren, sphärischen, gehärteten Ring 18 und einen inneren, an der zylindrischen Fläche des Meßkörpers direkt angeformten, zylindrischen Ring 19 auf. Das Nadellager ist zwischen den beiden Ringen mittels eines Klemmringes 20 befestigt.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der das eingebaute Lager ein sphärisches Rollenlager 25 auf weist. In diesem Fall ist der äußere Ring 18 anstatt der sphärischen Fläche mit einer zylindrischen Fläche ver sehen. Zwei Klemmringe legen das Rollenlager 25 in seiner genauen Position zwischen den Ringen fest. Wie aus beiden Fig. 3 und 4 zu ersehen ist werden für die Lastzelle Lagerrinnen verwendet.

Bei der in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist das eingebaute Lager einfach aus einem sphärischen Ringteil 26 gebildet, welches direkt an der zylindrischen Fläche des Meßkörpers ausgebildet ist. In diesem Fall wird das Lager selbst durch die Berührung zwischen dem sphärischen ringförmigen Teil 26 und der Montagebasis 27 gebildet. Diese Lastzelle kann bei solchen Anwendungsarten verwendet werden, bei denen eine konstante Temperatur erwartet wird und bei denen die Genauigkeitsanforderungen gering sind, beispielsweise beim Überwachen des Flüssigkeitsniveaus in einem Tank oder dergleichen.

In den Fig. 6 und 7 sind zwei Endansichten der Lastzelle gemäß der Fig. 1 und 2 dargestellt. Wie dargestellt ist der Lastbügel aus einem einfachen Element 6 gebildet, welches mit tels einer Schraube 28 im mittleren Bereich der Lastzelle be festigt ist und mit zwei Bohrungen 29 zur Erleichterung der Montage der Lastzelle in der in Frage stehenden Einrichtung versehen. Wie in den Figuren dargestellt ist der äußere Deckel 17b am Meßkörper mittels vier Schrauben 30 befestigt.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern kann innerhalb des Schutz umfanges der Patentansprüche modifiziert werden. Beispiels weise kann der balkenförmige Meßkörper anstatt des kreis förmigen Querschnittes einen quadratischen Querschnitt auf weisen, wobei die äußeren Enden mit einem eingebauten Lager versehen sind. Weiterhin ist es nicht notwendig, daß der Balken hohl ist, der Balken könnte statt dessen massiv sein, wobei in diesem Fall die Dehnungsmeßfühler an der Außen fläche des Meßbalkens an den Zwischenbereichen angeordnet sind.

Claims

1. Auf dem Scherkraftprinzip beruhende Lastzelle mit einem balkenförmigen Meßkörper, der im Bereich jedes seiner Enden mittels je einer ringförmigen Lagerfläche gegen eine Stützfläche abgestützt ist, zwischen den Lagerflächen eine Lastauflage für die zu messende Last aufweist und in den Bereichen zwischen der Lastauflage und jeder Lagerfläche mit Dehnungsmeßfühlern zum Messen der Biegeverformung des Meßkörpers versehen ist, dadurch gekennzeich net, daß die ringförmigen Lagerflächen (2, 3) von auf dem Meßkörper (1) mittels eingebauter Lager (22, 23, 24, 25) drehbar gelagerten Ringen (18) gebildet sind, die Rollbewe gungen auf der Stützfläche (5) quer zur Achse des balken förmigen Meßkörpers (1) ausführen können.

2. Lastzelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das eingebaute Lager (22, 23, 24, 25) ein Gleitlager aufweist, welches zwischen einem äußeren Ring (18) und einem inneren, direkt an der Außenfläche des Meßkörpers angeformten zylindrischen Ring (19) ausgebildet ist.

3. Lastzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß der äußere Ring (18) mit einer sphärischen, äußeren Fläche zur Berührung der La gerbasis versehen ist.

4. Lastzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleit lager (22) aus einem polytetraflurethylen-beschichteten Ge webe oder dergleichen besteht, welches auf der Kontaktflä che zwischen dem äußeren und inneren Ring (18, 19) ange ordnet ist.

5. Lastzelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das eingebaute Lager ein Kugellager (23) aufweist, welches zwischen einem äußeren sphärischen Ring (18) und einem inneren, direkt an der Außenfläche des Meßkörpers angeformten zylindrischen Ring (19) angeordnet ist.

6. Lastzelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das eingebaute Lager ein Nadellager (24) aufweist, welches zwischen einem äußeren, spährischen Ring (18) und einem inneren, direkt an der Außenfläche des Meßkörpers angeformten, zylindrischen Ring (19) angeordnet ist.

7. Lastzelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das eingebaute Lager ein Rollenlager (25) aufweist, welches zwischen einem äußeren, sphärischen Ring (18) und einem inneren, direkt an der Außenfläche des Meßkörpers angeformten zylindrischen Ring (19) angeordnet ist.