DE4220810C2 - Load cell - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftaufnehmer mit zumindest einem balkenförmigen, an einem Endbereich ortsfest abgestützten Verformungselement, das mit einer Dehnungsmeß streifenanordnung versehen ist und mit einem am anderen Endbereich des Verformungselements abgestützten Kraftein leitungselement, das mit einer Dichtmembran abgedichtet die Öffnung eines den Meßkörper dicht umschließenden Gehäuses durchsetzt.The invention relates to a force transducer at least one bar-shaped, fixed at one end region supported deformation element with a strain gauge strip arrangement is provided and with one on the other End region of the deformation element supported force pipe element that seals with a sealing membrane Opening of a housing tightly enclosing the measuring body enforced.
Ein derartiger Kraftaufnehmer ist aus der US-PS 4,441,569 bekannt. Das Verformungselement ist als mit einer Dehnungsmeßstreifenanordnung versehener Doppelbiegebalken ausgebildet, der in einem flüssigkeitsdichten Gehäuse angeordnet ist. Ein Element zur Einleitung der zu messenden Kraft durchsetzt abgedichtet durch eine Membran eine Öffnung des Gehäuses und ist außerhalb mit einem Ende eines C-förmigen, über zwei Blattfedern gegenüber dem Gehäuse geführten Lastauf nahmebügel verbunden. Das Gehäuse ist vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt, die ein spezifisches Gewicht größer 1 hat, so daß trotz der Abdichtung eventuell eindringende Feuchtigkeit oder Wasser nicht zur Dehnungsmeßstreifenanordnung gelangen kann. Eine gezielte Beeinflussung der Bewegungen des Doppelbiegebalkens durch die Flüssigkeitsfüllung des Gehäuses ist bei dem bekannten Kraftaufnehmer nicht vorgesehen. Bei dieser bekannten Anordnung können Verfälschungen des Meßergebnisses zufolge barometrischer Einflüsse nicht ausgeschlossen werden. Auch Einflüsse aufgrund einer Wärmedehnung der Flüssigkeitsfüllung können das Meßergebnis in unerwünschter Weise beeinflussen.Such a force transducer is known from US Pat. No. 4,441,569 known. The deformation element is as with a Strain gauge arrangement provided double bending beam formed in a liquid-tight housing is arranged. An element to initiate the measurement Force penetrates an opening sealed by a membrane of the case and is outside with one end of a C-shaped, The load is guided to the housing via two leaf springs handle connected. The case is complete with one Filled liquid that has a specific gravity greater than 1, so that moisture can penetrate despite the sealing or water does not get to the strain gauge assembly can. A targeted influence on the movements of the Double bending beam through the liquid filling of the housing is not provided in the known force transducer. At this known arrangement can falsify the Not according to the measurement result due to barometric influences be excluded. Also influences due to Thermal expansion of the liquid filling can result in undesirably affect.
Aus der EP 0126 172 A1 ist ein Kraftaufnehmer mit zwei balkenförmigen, an einem Endbereich ortsfest abgestützten Verformungselementen mit einer Dehnungsmeßstreifenanordnung bekannt, bei dem eine an den Endbereichen abgestützte flüssigkeitsgefüllte Dämpfungseinrichtung vorgesehen ist, die einen senkrecht zur Kraftwirkungsrichtung verlaufenden Zapfen, der in ein zu ihm koaxial verlaufendes Rohr hineinragt, aufweist. Der Spalt zwischen dem Zapfen und dem Rohr ist nach außen durch ein benachbart zum Spalt an Zapfen und Rohr befestigtes elastisches Glied abgedichtet.EP 0126 172 A1 describes a force transducer with two bar-shaped, fixedly supported at one end region Deformation elements with a strain gauge arrangement known in which a supported on the end regions liquid-filled damping device is provided, the a pin running perpendicular to the direction of the force action, that protrudes into a pipe that runs coaxially with it, having. The gap between the spigot and the pipe is after on the outside through an adjacent to the gap on the pin and pipe attached elastic link sealed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber Umwelteinflüssen unempfindlichen Kraftaufnehmer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem das Schwingverhalten des Kraftaufnehmers, z. B. nach einer Belastung oder Entlastung gezielt beeinflußbar ist.The invention is based on the object Environmentally insensitive force transducers at the beginning to create the type mentioned, in which the vibration behavior of the Force transducer, e.g. B. after a load or discharge can be influenced in a targeted manner.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gehäuse mit einer mit dem krafteinleitungsseitigen Ende des Verformungselements verbundenen und der ersten Dichtmembran gegenüberliegenden zweiten Dichtmembran zur Abdichtung einer zweiten Gehäuseöffnung versehen ist, und daß eine an den Endbereichen des Verformungselements abgestützte flüssigkeitsgefüllte Dämpfungseinrichtung vorgesehen ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann in vorteilhafter Weise auf die vollständige Füllung des Gehäuses mit einer Flüssigkeit verzichtet werden, so daß durch die Flüssigkeitsfüllung des Gehäuses bedingte Meßwertverfälschungen entfallen. Die Dämpfungswirkung läßt sich in einfacher Weise gezielt auf das geforderte Dämpfungsverhalten einstellen. Luftdruckeinflüsse auf den Meßwert sind durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ausgeschlossen, da sich die Luftdruckschwankungen in ihrer Wirkung auf die Membrane kompensieren. Auch temperaturbedingte Änderungen des Innendrucks im Gehäuse werden kompensiert. Durch die hermetische Kapselung ist der Kraftaufnehmer unempfindlich gegen Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise eine aggressive Atmosphäre oder Arbeits- oder Reinigungsflüssigkeiten.According to the invention this object is achieved in that the Housing with one with the force introduction end of Deformation element connected and the first sealing membrane opposite second sealing membrane for sealing one is provided second housing opening, and that one to the End regions of the deformation element supported liquid-filled damping device is provided. Due to the configuration according to the invention, in advantageously on the complete filling of the housing be dispensed with a liquid, so that by the Filled liquid in the housing caused falsified measurements omitted. The damping effect can be done in a simple manner adjust specifically to the required damping behavior. Influences of air pressure on the measured value are due to the embodiment according to the invention excluded because the Air pressure fluctuations in their effect on the membrane compensate. Even temperature-related changes in the Internal pressure in the housing are compensated. Through the The force transducer is insensitive to hermetic encapsulation against environmental influences, such as an aggressive one Atmosphere or working or cleaning liquids.
Fertigungsgünstig und damit kostengünstig ist eine Ausgestaltung, bei der das Gehäuse als endseitig verschlossenes Rohr mit rechteckförmigem oder quadratischem Querschnitt vorgesehen ist.One is inexpensive to manufacture and therefore inexpensive Design in which the housing is closed at the end Pipe with a rectangular or square cross-section is provided.
Eine platzsparende Anordnung sieht vor, daß das Verfor mungselement Doppel- oder Mehrfachverformungsbalken aufweist und die Dämpfungseinrichtung im Zwischenraum zwischen zwei Verformungsbalken angeordnet und an den dem Zwischenraum zugewandten Endbereichen abgestützt ist.A space-saving arrangement provides that the Verfor tion element has double or multiple deformation bars and the damping device in the space between two Deformation bars arranged and to the space facing end areas is supported.
In vorteilhafter Weise wird die Dämpfung bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 von dem flüssigkeitsgefüllten Volumen zwischen dem sich gegenüber dem Verformungselement bewegenden Dämpfungselement und zusätzlich von dem sich ebenfalls verformenden Faltenbalg bestimmt.The damping in the configuration is advantageous according to claim 4 of the liquid-filled volume between that moving relative to the deformation element Damping element and also from which itself deforming bellows.
Die Anordnung nach Anspruch 5 ist besonders vorteilhaft, da hier eine Dämpfung durch die Ineinanderschachtelung des rohrförmigen und des stabförmigen Elements erfolgt und darüber hinaus eine weitere Dämpfung im Bereich zwischen Faltenbalg und den Außenseiten der beiden vorgenannten Elemente erfolgt. Diese Ausgestaltung erweist sich als besonders vorteilhaft, da auch über den Abstand der Achsen des rohrförmigen und des stabförmigen Elements gewünschte Dämpfungseigenschaften eingestellt werden können. Insbesondere bei einer Anordnung, bei der die Achse des stabförmigen Elements in Kraftrichtung gesehen unterhalb der Achse des rohrförmigen Elements angeordnet ist, d. h. bei schmalerem Dämpfungsspalt unterhalb und größeren Dämpfungsspalt oberhalb des stabförmigen Elements, läßt sich vorteilhaft der Fall der aperiodischen Dämpfung erreichen, was ein optimales Einschwingverhalten bedeutet.The arrangement according to claim 5 is particularly advantageous because here a damping through the nesting of the tubular and the rod-shaped element and further attenuation in the area between Bellows and the outside of the two aforementioned elements he follows. This configuration proves to be special advantageous because the distance between the axes of the tubular and the rod-shaped element desired Damping properties can be set. Especially in an arrangement in which the axis of the rod-shaped Elements seen in the direction of force below the axis of the tubular element is arranged, d. H. with narrower Damping gap below and larger damping gap above of the rod-shaped element, the case of achieve aperiodic damping, which is an optimal Settling behavior means.
Fertigungsvereinfachungen ergeben sich bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6, da hier die Ausrichtung der einzelnen Bauteile zueinander besonders einfach ist. Darüber hinaus kommt man mit einem kleinen Durchmesser von Zapfen bzw. Krafteinleitungselement und damit kleinen Membrandurchmessern aus, da die Plattform nun nicht mehr nur an dem relativ dünnen Krafteinleitungselement, sondern an einem beiderseits gelagerten Bügel befestigt werden kann. Durch die kleinen Membrandurchmesser verringert sich vorteilhaft die Gesamtgröße bzw. das Gesamtgewicht des Kraftaufnehmers.Manufacturing simplifications result from the design according to claim 6, since here the orientation of the individual components to each other is particularly simple. In addition, you come with a small diameter of spigot or Force application element and thus small diaphragm diameters off, because the platform is no longer only on the relatively thin Force application element, but on both sides stored bracket can be attached. By the little ones Membrane diameter advantageously reduces the overall size or the total weight of the force transducer.
Die Verwendung des Kraftaufnehmers als Wägezelle einer Plattformwaage liefert eine besonders robuste Plattformwaage aufgrund der sicheren Befestigung der Plattform an dem als Rechteck- oder Quadratrohrabschnitt ausgebildeten Bügel.The use of the load cell as a load cell Platform scale provides a particularly robust platform scale due to the secure attachment of the platform to the as Rectangular or square tube section formed bracket.
Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are in the drawing are shown and are described in more detail below. It demonstrate:
Fig. 1: eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers im Längsschnitt, Fig. 1 shows a first embodiment of the force transducer according to the invention in longitudinal section;
Fig. 2: den Kraftaufnehmer nach Fig. 1 im Querschnitt mit einem zusätzlichen Bügel, Fig. 2: the force transducer of Figure 1 in cross section with an additional bracket.
Fig. 3: die Dämpfungseinrichtung für den Kraftaufnehmer im Teilschnitt. Fig. 3: the damping device for the force transducer in partial section.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kraftaufnehmer 1 weist ein Verformungselement 2 aus einer Aluminiumlegierung auf, das als Doppelbiegebalken ausgebildet ist und das mit seinem in der Zeichnung linken Endbereich 3 ortsfest im Gehäuse 5 befestigt ist. Auf dem rechten Endbereich 4 stützt sich ein Krafteinleitungselement 6 ab, das abgedichtet durch eine Öffnung des Gehäuses 5 nach außen ragt. Die Abdichtung erfolgt durch eine zwischen Gehäuseöffnung und Krafteinleitungselement 6 angeordnete Dichtmembran 7, die wie das restliche Gehäuse 5 aus korrosionsbeständigem Stahl besteht.The force transducer 1 shown in FIGS. 1 and 2 has a deformation element 2 made of an aluminum alloy, which is designed as a double bending beam and which is fixed in place in the housing 5 with its left end region 3 in the drawing. A force introduction element 6 is supported on the right end area 4 and protrudes outwards through a sealed opening in the housing 5 . Sealing takes place by means of a sealing membrane 7 which is arranged between the housing opening and the force introduction element 6 and, like the rest of the housing 5, is made of corrosion-resistant steel.
Der Doppelbiegebalken ist im Querschnitt etwa quadratisch, in Längsrichtung weist er zwischen den Endbereichen 3 und 4 eine die beiden Biegebalken definierende durchgehende Öffnung 18 auf. Auf den beiden Biegebalken ist in bekannter Weise eine Dehnungsmeßstreifenanordnung befestigt, mit der die durch die auf das Krafteinleitungselement 6 einwirkende Kraft hervorgerufene Verformung des Verformungselements 2 erfaßt und in einer Auswerteeinheit ausgewertet werden kann.The double bending beam is approximately square in cross-section, in the longitudinal direction it has a continuous opening 18 defining the two bending beams between the end regions 3 and 4 . In a known manner, a strain gauge arrangement is fastened on the two bending beams, with which the deformation of the deformation element 2 caused by the force acting on the force introduction element 6 can be detected and evaluated in an evaluation unit.
Das Gehäuse 5 umgibt das Verformungselement 2 mit Abstand. Die Befestigung des Verformungselements 2 am Gehäuse 5 erfolgt über eine Zwischenlage 9. Das Gehäuse 5 besteht aus einem Rohr mit etwa quadratischem Querschnitt und Deckeln 11, 12 an jedem Ende. Der Gehäuseöffnung für das Krafteinleitungselement 6 ist eine in Kraftrichtung gegenüberliegende gleichgroße Gehäuseöffnung zugeordnet, die mit einer Dichtmembran 8 verschlossen ist. Die Dichtmembran 8 ist über einen Fortsatz 10 des Verformungselements 2 mit diesem verbunden.The housing 5 surrounds the deformation element 2 at a distance. The deformation element 2 is fastened to the housing 5 via an intermediate layer 9 . The housing 5 consists of a tube with an approximately square cross section and covers 11 , 12 at each end. The housing opening for the force introduction element 6 is assigned an equally large housing opening opposite in the direction of force, which is closed with a sealing membrane 8 . The sealing membrane 8 is connected to the deformation element 2 via an extension 10 .
In der Öffnung 18 des Verformungselements 2 ist eine Dämpfungseinrichtung 20 angeordnet, die im Innern eines zwischen den Endbereichen 3, 4 angeordneten metallischen, flüssigkeitsgefüllten Faltenbalges 21 ein erstes, mit dem Endbereich 3 verbundenes rohrförmiges Element 22 und ein zweites, mit dem anderen Endbereich 4 verbundenes stabförmiges Element 23 aufweist, das mit radialem Abstand in das rohrförmige Element hineinragt (Fig. 3). Die Achsen des rohrförmigen Elements 22 und des stabförmigen Elements 23 können zwecks Einstellung eines bestimmten Dämpfungsverhaltens gegeneinander versetzt sei. Bei der S-förmigen Verformung des Doppelbiegebalkens verschieben sich stabförmiges und rohrförmiges Element im wesentlichen parallel gegeneinander und gegen den umgebenden Faltenbalg 21 unter Verschiebung der Dämpfungsflüssigkeit und Aufbau einer Dämpfungskraft. Die Dämpfungskraft läßt sich durch die Abmessung und Anordnung der Bauteile 21, 22, 23 und durch die gewählte Dämpfungsflüssigkeit leicht auf die in dem jeweiligen Arbeitstemperaturbereich erforderlichen Werte einstellen.Arranged in the opening 18 of the deformation element 2 is a damping device 20 , which in the interior of a metallic, liquid-filled bellows 21 arranged between the end regions 3 , 4 has a first tubular element 22 connected to the end region 3 and a second one connected to the other end region 4 Has rod-shaped element 23 which projects at a radial distance into the tubular element ( Fig. 3). The axes of the tubular element 22 and the rod-shaped element 23 can be offset from one another for the purpose of setting a specific damping behavior. During the S-shaped deformation of the double bending beam, the rod-shaped and tubular element move essentially parallel to one another and against the surrounding bellows 21 with displacement of the damping fluid and the build-up of a damping force. The damping force can easily be adjusted to the values required in the respective working temperature range by the dimensions and arrangement of the components 21 , 22 , 23 and by the selected damping fluid.
Die Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der der mit dem Endbereich des Verformungselements 2 verbundene Zapfen 10′ einen außerhalb der Dichtmembrane 8 liegenden Bereich 10′′ aufweist, mit dem er mit einem Bügel 30 fest verbunden ist. Der Bügel 30 ist im Querschnitt in etwa quadratisch und umgibt einen Gehäusebereich mit Abstand. Der Bügel 30 ist als Abschnitt eines Rohres ausgebildet und ist auf der dem Zapfen 10′ gegenüberliegenden Seite an dem Krafteinleitungselement 6 befestigt. Auf der in Fig. 2 oberen Fläche des Bügels ist die Plattform einer Plattformwaage angeschraubt; der Kraftaufnehmer 1 dient in diesem Fall als Wägezelle. Durch eine Befestigung der Plattform 31 auf dem Bügel 30, der seinerseits beidseitig an dem Verformungselement 2 befestigt ist, ergibt sich ein im Vergleich zu einer Befestigung der Plattform nur am Krafteinleitungselement sehr robuster Aufbau. Fig. 2 shows a further embodiment of the invention, in which the connected to the end portion of the deformation element 2 pin 10 'has an outside of the sealing membrane 8 area 10 '', with which it is fixedly connected to a bracket 30 . The bracket 30 is approximately square in cross section and surrounds a housing area at a distance. The bracket 30 is formed as a section of a tube and is attached to the force introduction element 6 on the side 10 'opposite the pin. The platform of a platform scale is screwed onto the upper surface of the bracket in FIG. 2; in this case, the force transducer 1 serves as a load cell. Attaching the platform 31 to the bracket 30 , which in turn is attached to the deformation element 2 on both sides, results in a structure that is very robust compared to attaching the platform only to the force introduction element.
Insgesamt erhält man durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einen Kraftaufnehmer, der unempfindlich gegen Umgebungseinflüsse, z. B. Luftdruck- oder Temperatur schwankungen oder auch eine aggressive Atmosphäre oder Reinigungsmittel ist und der zufolge der Bedämpfung der Ein- und Ausschwingvorgänge eine hohe Wägerate ermöglicht, wie das z. B. beim Bestimmen des Füllgewichts und anschließendem Verpacken von Lebensmitteln erforderlich ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung sind somit kurze Zykluszeiten und somit eine hohe Produktivität der Maschine bei der geforderten Meßgenauigkeit gewährleistet.Overall, one obtains through the configuration according to the invention a force transducer that is insensitive to Environmental influences, e.g. B. air pressure or temperature fluctuations or an aggressive atmosphere or Detergent is and according to the damping of the input and Swinging out enables a high weighing rate like that e.g. B. when determining the fill weight and then Food packaging is required. Through the The configuration according to the invention is therefore short cycle times and thus high productivity of the machine at required accuracy of measurement guaranteed.
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