DE3705471A1 - Kraftmessgeraet - Google Patents

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.