DE3705471A1 - Kraftmessgeraet - Google Patents
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftmessgerät
zur Messung von Lasten, mit mindestens einem als
Kraftwandler ausgebildeten Messkörper und wenigstens
einem mit dem Messkörper gekoppelten Kraftmesselement,
welches an eine Auswerte- und Anzeigevorrichtung
anschliessbar ist.
Das Messen von kleinen bis mittleren Kräften,
von Bruchteilen von Gramm bis wenigen Kilogrammen,
erfolgt oft mittels Kraft- resp. Wegaufnehmern, welche
auf verschiedensten physikalischen Effekten basieren,
erfahrungsgemäss aber sehr empfindlich und für grosse
Kräfte ungeeignet sind. Grosse Kräfte können daher
praktisch nur noch durch mechanische Hebel oder Feder
waagen gemessen werden, allerdings mit zum Teil einge
schränkter Genauigkeit.
Es versteht sich von selbst, dass ein vordring
liches Interesse besteht, grosse Kräfte, insbesondere
solche bis zu mehreren Tonnen, einfach, schnell und
vor allem präzise zu erfassen. Die Aufgabe der vorliegen
den Erfindung besteht darin, ein Gerät zu schaffen,
mit welchem auch solch grosse Kräfte mit hoher Genauig
keit gemessen werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem
Kraftmessgerät der eingangs definierten Art erfindungs
gemäss dadurch, dass der Messkörper ein im elastischen
Bereich verformbarer Körper ist und dass das Kraftmess
element derart mit dem Messkörper gekoppelt ist,
dass eine unter der zu messenden Kraft in zur Belastungs
richtung verschiedener Richtung erfolgende, zur Kraft
proportionale elastische Verformung des Messkörpers
zur Einwirkung auf das Messelement gelangt.
Vorzugsweise ist dabei das Kraftmesselement
senkrecht zur Belastungsrichtung mit dem Messkörper
gekoppelt, so dass die durch die Belastung hervorgeru
fene Querdehnung bzw. Querkontraktion des Messkörpers
auf das Kraftmesselement einwirkt. Damit wird es
erstmals möglich, auch für hohe Lasten äusserst genaue
Kraftmesselemente direkt, d. h. ohne zwischengeschaltete
Hebelanordnung einzusetzen.
Vorzugsweise findet beim Erfindungsgegenstand
die Ausnützung der im elastischen Verformungsbereich
des Messkörpermaterials zur Kraft proportionale Querdeh
nung bzw. Querkontraktion Anwendung. Durch die Ausnützung
der zur Belastungsrichtung senkrecht stehenden Verformung
des Messkörpers, welche um einen konstanten Faktor,
der Poisson′schen Querkontraktionszahl, kleiner ist
als jene in Belastungsrichtung, wird eine Kraftumlenkung
und Kraftuntersetzung ohne Hebelzwischenschaltung
erreicht. Diese Kraftuntersetzung lässt sich durch
verschiedene Parameter, insbesondere durch die Wahl
der Abmessungen der äusseren Auflageflächen des Messkör
pers sowie deren Abstand untereinander, resp. des
Durchmessers bei ringförmiger Gestaltung, den geometri
schen Abmessungen des Kraftelementes sowie den elasti
schen Materialkenndaten (Elastizitätsmodul und Quer
kontraktionszahl) des Messkörpers und des Kraftelementes,
wie auch eines allfällig dazwischenliegenden Verbindungs-
bzw. Kupplungselementes, praktisch beliebig einstellen
und den gewünschten Anforderungen anpassen.
Damit erreicht man den Vorteil, dass beispiels
weise eine Baureihe von Kraftmessgeräten für verschiede
ne Lastspektren mit einem einzigen Kraftmesselement
aufgestellt werden kann. Auch kann hiermit beispiels
weise ein Kraftmessgerätetyp mit den Bedürfnissen
entsprechend unterschiedlichen Genauigkeiten bei
gleichem Lastspektrum durch unterschiedlich exakte
und damit auch kostenmässig verschiedene Kraftmess
elemente angeboten werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen
Gerätes liegt in seiner geringen Bauhöhe (in Richtung
der Belastung). Es ergibt sich somit eine grössere
Freiheit in Bezug auf die geometrischen Abmessungen
des Gerätes. Mit relativ kleinen Volumen u. U. hochwerti
gen und teuren Materialien können grosse Kräfte auf
einfachste Weise gemessen werden.
Ebenfalls besteht in der Materialwahl des
Messkörpers eine grosse Freiheit. Vorzugsweise werden
Materialien verwendet, deren elastische Kraft-Weg-Kenn
linie über einen gewissen Bereich linear verläuft,
wie beispielsweise Metalle, Keramik-Werkstoffe usw.
Geeignet sind insbesondere Materialien mit ausserordent
lich guten Federeigenschaften (geringe elastische
Nachwirkungen; Hysterese).
Für bestimmte Anwendungen, d.h. bei geeigneter
Auswahl des Kraftmesselementes, lässt sich das Gerät
erfindungsgemäss auch so gestalten, dass der Messkörper
als Federkörper ausgebildet ist, welcher sich in
zur Belastung verschiedener Richtung entsprechend
zur Grösse der Belastung elastisch verbiegt, und
diese Deformation auf das mit dem Messkörper gekoppelte
Kraftmesselement einwirkt.
Hier wird nicht auf die Querdehnung bzw.
Querkontraktion schlechthin abgestellt, sondern auf
die elastische Verbiegung des Messkörpers.
Vorzugsweise ist ein solches Gerät so ausgebil
det, dass mindestens zwei Federkörper sich gegenüber
liegend unter der Lastaufnahmefläche vorgesehen sind
und dass das z. B. als Resonator ausgebildete Kraftmess
element sich zwischen diesen Körpern erstreckend
angeordnet ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von
in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
noch etwas näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein zweiteiliges,
rechteckförmiges Kraftmessgerät mit geklemmtem Kraftmess
element;
Fig. 2 die perspektivische Ansicht des in
Fig. 1 gezeigten Kraftmessgerätes;
Fig. 3 den Querschnitt eines mehrteiligen,
runden Kraftmessgerätes mit zwei Kraftmesselementen;
Fig. 4 den axialen Querschnitt des Kraftmess
gerätes von Fig. 3;
Fig. 5 und 6 eine rein schematische Anordnung
eines Differential-Kraftmesselementes mit Temperatur
kompensation;
Fig. 7 eine besonders einfache Ausführungsform
eines erfindungsgemässen Gerätes; und
Fig. 8 den Querschnitt durch ein Kraftmessgerät
mit als Federkörper ausgebildetem Messkörper.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein
zweiteiliges Kraftmessgerät gemäss der Erfindung.
Der eigentliche Messkörper 1 besteht aus einem Oberteil
1 a und einem mit diesem identischen Unterteil 1 b,
wobei beide Teile im wesentlichen rechteckförmig
ausgestaltet sind und sowohl auf der Aussen- wie
der Innenseite erhöhte Nocken 3 bzw. 4 mit äusseren
Auflageflächen 3′ für die Krafteinleitung bzw. inneren
Auflageflächen 4′ zum Einklemmen eines Kraftmesselemen
tes 2 aufweisen. Die freien Schenkel 5 der Messkörper
teile 1 a bzw. 1 b weisen Durchgänge 6 für Verbindungs
elemente 7, in diesem Falle Stiftschrauben mit Muttern
7′ auf. Die Nocken 3 resp. 4 liegen in einer Linie
zur Kraftwirkung, durch die Pfeile markiert, übereinan
der.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht
des in Fig. 1 beschriebenen Kraftmessgerätes. Die
Dicke des Kraftmesselementes 2 ist zur besseren Dar
stellung nicht massstäblich vergrössert gezeichnet
(im Vergleich zur Messkörperabmessung).
Ein zylindrisches Kraftmessgerät mit zwei
zueinander senkrecht stehenden Kraftmesselementen
2 a, 2 b ist in den Fig. 3 und 4 schematisch dargestellt.
Der Messkörper ist mehrteilig aufgebaut, bestehend
aus Oberteil 1 a und Unterteil 1 b. Das letztere ist
mit Stegen 8 zur Anordnung und Befestigung der Kraftmess
elemente 2 a und 2 b versehen.
Im axialen Querschnitt nach Fig. 4 des vorste
hend beschriebenen Kraftmessgerätes sind die beiden
senkrecht zueinander angeordneten Kraftmesselemente
2 a und 2 b vorzugsweise auf die Stege 8 geklebt oder
auf andere geeignete Weise daran befestigt.
Aus den Fig. 5 und 6 geht ein Kraftmessgerät
hervor, bei welchem zur Berücksichtigung von thermisch
bedingten Materialausdehnungen zwei gleiche Kraftmess
elemente 2, 2′ angeordnet sind. Damit können unterschied
liche thermische Ausdehnungen (und weitere Umgebungsein
flüsse) der Messkörper und der Kraftmesselemente
automatisch bei der Messung berücksichtigt werden.
Bei den bisher beschriebenen Messgeräten
wird die Querdehnung bzw. Querkontraktion der Messkör
per unter der zu messenden Last K auf die Kraftmessele
mente zur Einwirkung gebracht und über die elektronische
Messeinrichtung (nicht dargestellt) die Kraft ermittelt.
Dies erfolgt gegebenenfalls durch Addition der verschie
denen Messwerte (bei mehreren Kraftmesselementen).
Diese Ausführungsform eignet sich speziell
zur Messung hoher Kräfte mittels Resonatoren, insbeson
dere Quarzresonatoren als Kraftmesselemente, womit
eine ausserordentlich hohe Messgenauigkeit erzielt
wird.
Die elektronischen Schaltungen zur Ermittlung
und Anzeige der gemessenen, auf die Resonatoren einwir
kenden Kräfte sind grundsätzlich gleich aufgebaut
wie bei den bisher bekannten Präzisionsmessgeräten
für kleine Lasten und brauchen deshalb an dieser
Stelle nicht näher erläutert zu werden.
Eine besonders einfache Ausführungsform des
Kraftmessgerätes ist schematisch in Fig. 7 gezeigt.
Die zu messende Kraft greift dabei nur über
einem Ende des Kraftmesselementes 2 an und lässt
die unter dieser Kraft entstehende Querkontraktion
auf das Messelement einwirken. Der Messkörper 1(ein-
oder mehrteilig) hält selbstverständlich auch das
andere Ende des Kraftmesselementes fest, damit das
Messelement 2 (Resonator) wirksam belastet werden
kann.
Fig. 8 zeigt den Querschnitt durch ein anders
aufgebautes Kraftmessgerät, nämlich ein solches,
dessen Messkörper als Federelemente 9 ausgebildet
ist, welche durch die beiden Krafteinleitplatten
10 und 11 gehalten und positioniert werden. Das Kraft
messelement 2 nimmt dabei die zu der durch Pfeile
gekennzeichneten Belastungsrichtung senkrecht verlaufende
Deformation der Federelemente 9 auf. Je nach Belastungs
grösse kann auch hier das Kraftmesselement 2 als
Resonator ausgebildet sein.
Die Befestigung der Kraftmesselemente 2 am
Messkörper 1 kann rein mechanisch, durch Kleben oder
auf andere geeignete Weise erfolgen.
Claims (14)
1. Kraftmessgerät zur Messung von Lasten,
mit mindestens einem als Kraftwandler ausgebildeten
Messkörper und wenigstens einem mit dem Messkörper
gekoppelten Kraftmesselement, welches an eine Auswerte-
und Anzeigeeinrichtung anschliessbar ist, dadurch
gekennzeichnet, dass der Messkörper ein im elastischen
Bereich verformbarer Körper (1 a, 1 b; 9) ist und dass
das Kraftmesselement (2) derart mit dem Messkörper
(1 a, 1 b; 9) gekoppelt ist, dass eine unter der zu messen
den Kraft in zur Belastungsrichtung (K) verschiedener
Richtung (K′) erfolgende, zur Kraft proportionale
elastische Verformung des Messkörpers zur Einwirkung
auf das Messelement gelangt.
2. Kraftmessgerät nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kraftmesselement (2) senkrecht
zur Belastungsrichtung (K) mit dem Messkörper (1 a, 1 b; 9)
gekoppelt ist.
3. Kraftmessgerät nach einem der Ansprüche
1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung
des Messkörpers (1 a, 1 b) derart gestaltet ist, dass
das Kraftmesselement (2) die durch die Belastung
hervorgerufene Querdehnung bzw. Querkontraktion (Poisson)
des Messkörpers und damit eine durch die Querkontrak
tionszahl in einem definierten Verhältnis zu der
auf den Messkörper wirkenden Belastung stehende Kraft
misst.
4. Kraftmessgerät nach einem der Ansprüche
1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper
aus einem Formteil aus homogenem Material besteht.
5. Kraftmessgerät nach einem der Ansprüche
1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper
mehrteilig, z. B. aus wenigstens zwei beispielsweise
gegengleichen Hälften (1 a, 1 b), aufgebaut ist.
6. Kraftmessgerät nach einem der Ansprüche
1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper
rohr- bzw. ringförmig ausgebildet ist und eine oder
mehrere sich über wenigstens einen Teil des Umfangs
erstreckende Auflageflächen (8) für die Krafteinleitung
aufweist.
7. Kraftmessgerät nach einem der Ansprüche
1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmesselement
als Resonator, beispielsweise als Quarzresonator
ausgebildet ist.
8. Kraftmessgerät nach einem der Ansprüche
1-7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zueinander
senkrecht angeordnete Kraftmesselemente in der zur
Belastungsrichtung verschieden gerichteten Messebene
mit dem Messkörper gekoppelt sind.
9. Kraftmessgerät nach einem der Ansprüche
1-8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausschaltung
von Umgebungseinflüssen, wie Temperatur-, Druck-
und Feuchtigkeitsschwankungen, mindestens ein weiteres
Kraftmesselement vorgesehen ist.
10. Kraftmessgerät nach einem der Ansprüche
1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die der Krafteinlei
tung dienenden Auflageflächen des Messkörpers im
wesentlichen direkt über bzw. unter den Koppelstellen
des Messkörpers mit dem Kraftmesselement vorgesehen
sind.
11. Kraftmessgerät nach einem der Ansprüche
1-3 und 5-10, dadurch gekennzeichnet, dass jedes
Kraftmesselement mit wenigstens einem Ende zwischen
einem Ober- und Unterteil eines mehrteiligen Messkörpers
geklemmt ist.
12. Kraftmessgerät nach einem der Ansprüche
1-10, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kraftmessele
ment an am Messkörper vorgesehenen Vorsprüngen (8)
befestigt ist.
13. Kraftmessgerät nach einem der Ansprüche
1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper
als Federkörper (9) ausgebildet ist, welcher sich
in zur Belastung verschiedener Richtung entsprechend
zur Grösse der Belastung elastisch verbiegt, und
diese Deformation auf das mit dem Messkörper gekoppelte
Kraftmesselement einwirkt.
14. Kraftmessgerät nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens zwei Federkörper
(9) sich gegenüberliegend unter den Lastaufnahmeflächen
(10) vorgesehen sind und dass das z.B. als Resonator
ausgebildete Kraftmesselement (2) sich zwischen diesen
Körpern (9) erstreckend angeordnet ist.
Priority Applications (2)
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