WO2012113822A1 - Verfahren und vorrichtung zur kraftmessung - Google Patents

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WO2012113822A1
WO2012113822A1 PCT/EP2012/052998 EP2012052998W WO2012113822A1 WO 2012113822 A1 WO2012113822 A1 WO 2012113822A1 EP 2012052998 W EP2012052998 W EP 2012052998W WO 2012113822 A1 WO2012113822 A1 WO 2012113822A1
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WO
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force
lever arm
determined
lever
hinge spring
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Application number
PCT/EP2012/052998
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English (en)
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Inventor
Daniel Schwind
Original Assignee
Gtm Gassmann Testing And Metrology Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L25/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G23/00—Auxiliary devices for weighing apparatus
    • G01G23/01—Testing or calibrating of weighing apparatus
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • G01G3/14—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of electrical resistance
    • G01G3/1414—Arrangements for correcting or for compensating for unwanted effects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2268—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects

Definitions

  • the invention relates to a method for force measurement with a force measuring device, which is an off-center
  • Deformation can be measured by means of a deformation measuring device, wherein a predeterminable on a first lever arm
  • Such force measuring devices which are described for example in DE 39 27 475 C2, are used inter alia for the calibration of force sensors and for the calibration of
  • the mounted lever is attached to the first, usually longer lever arm a weight whose weight is known as accurately as possible. At the second, usually more than 5 to 10 times shorter lever arm via a force transducer, the force-transmitting with the second
  • Lever arm is connected, a tensile or compressive force exerted on the second lever arm.
  • the lever is brought into a force measurement state.
  • the lever is balanced in order to achieve the force measurement state, so that the of the Compensating weight on the first lever arm and the forces exerted on the second lever arm via the force transducer moments and the sum total of all acting on the lever moments is as low as possible or zero.
  • the Compensating weight on the first lever arm and the forces exerted on the second lever arm via the force transducer moments and the sum total of all acting on the lever moments is as low as possible or zero.
  • Lever arm length can then be determined by the force transducer to achieve the Kraftmesshuss required tensile or compressive force with great accuracy and a
  • the axial force is that component of a force acting on the hinge spring force acting in the axial direction of the hinge spring on the hinge spring and no lateral deflection of the hinge spring causes, but only a tensile force on the
  • the measurement accuracy improved by about a factor of 10 and the measurement uncertainty can be reduced to a range of about 5xlCT 5 to 7xlCT 5 .
  • the axial force can be measured in a joint spring in a simple manner and without major design effort. Since only one share, preferably a small proportion of
  • Measurement uncertainty A very high accuracy is therefore not required for the measurement of the axial force, since their contribution to the overall measurement uncertainty is very low.
  • Lever arm length recorded and taken into account for the evaluation.
  • Force measurement state exerted tensile or compressive force is adjusted. While without taking into account the axial force of the desired force measurement state assumes that all the forces acting on the lever moments in the sum of zero, can be in the knowledge of the axial force exerted on the second lever arm via the force transducer tensile or compressive force
  • Articulated spring acts on the longer lever arm. Since in a force measurement state in which the forces acting on the lever moments should compensate as possible, acting on the short lever arm axial force accordingly the inverse aspect ratio of the two lever arms is greater than on the long lever arm, a larger axial force can be measured with a lower measurement uncertainty in this case on the short lever arm. For this reason, it may also be advantageous that the one
  • a compensation tension force or pressure force is determined and, in the case of an electronic one
  • Process step carried out a calibration of the force measuring device and thereby determined values for an additionally required Kompensationszug- or -druckkraft determined and stored in a memory device retrievable. If force measurements with the force measuring device are carried out after completion of this calibration, then
  • the invention also relates to a method for calibrating a force measuring device with a two-armed lever mounted eccentrically pivotable. According to the invention
  • Uncertainty of the force measuring device are calibrated one after the other and then repeatedly arranged a different number of calibrated force transducers parallel to each other on the second lever arm and measured by specifying the associated Kraftmessschreibs to determine for different loads each required for the compensation correction value. This procedure can also be called
  • Measurement uncertainty of the force measuring device with Increasing load or axial force would increase over a wide measuring range can be improved without a complex comparison with already-calibrated force measuring devices or with force transducers
  • the invention also relates to a device for
  • Joint spring a spring bar with a horizontal and perpendicular to the lever arm aligned first
  • Deformation measuring device is arranged, and spaced therefrom an axial force measuring device is arranged on the hinge spring.
  • the pivot point in the hinge spring is limited to the rejuvenation area, whereby the effect of the load-related shortening of the effective lever arm length and the associated
  • Axial force measuring device of this rejuvenation area will be a mutual influence between the
  • the hinge spring a horizontally and parallel to the lever arm aligned second
  • Axialkraftmess liked is arranged.
  • hinge springs can be produced inexpensively and with little effort from a spring bar. According to an advantageous embodiment of
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device for force measurement, which has an off-center pivotally mounted two-armed lever
  • Fig. 2 is a hinge spring with two tapering areas, the deformation by means of several
  • Deformation measuring equipment is measurable
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a diagram of an experimentally determined measurement uncertainty without or with an electronic correction as a function of the measured axial force
  • FIG. 4 is a schematic representation of a force transducer which can be calibrated in the force measuring device shown by way of example in FIG. 1, and FIG
  • Fig. 5 is a schematic representation of an arrangement of three force transducers, which are arranged side by side and can be loaded simultaneously and uniformly with a compressive force via a connecting element.
  • FIG. 1 schematically
  • Force measuring device 1 has a two-armed lever 2 which is pivotally mounted on an eccentrically arranged first hinge spring 3. At a longer first lever arm 4 is located at the outer end 5, a second flexible joint spring 6. On the second hinge spring 6 a plurality of interconnected weights 7 are attached. The weight pieces 7 exert on the second hinge spring 6 a first moment on the pivotally mounted lever 2.
  • a loading frame 10 is fixed via a third hinge spring 9, which is vertically displaceable in a base frame 11.
  • a cross member 12 is also guided vertically displaceable.
  • a force transducer 13 is also guided vertically displaceable.
  • Compressive force are exerted, wherein on the load cell 13 and the load frame 10, a second moment is generated, which acts on the lever 2 and the by the
  • Joint springs 3, 6 and 9 can determine the amount of force exerted on the force transducer 13 compressive force and calibrate the force transducer 13 in this way or calibrate.
  • the three hinge springs 3, 6 and 9 each have a first tapering region 14, the horizontally and perpendicular to the lever 2, and the
  • each lever arm 4, 8 is aligned.
  • this first tapering region 14 are each a plurality of strain gauges 15 which are interconnected via an evaluation circuit, not shown, such that a via the hinge springs 3, 6 and 9 on the lever. 2
  • the third hinge spring 9 arranged on the second lever arm 8 has a second tapering region 16, which is aligned parallel to the second lever arm 8 or to the lever 2.
  • the second tapering region 16 are also strain gauges 17, which enforced by a suitable, not shown evaluation circuit by the force acting on the third hinge spring 9 axial force
  • the third hinge spring 9 is shown enlarged in Fig. 2 for illustrative purposes.
  • the axial force acting on the third joint spring is measured during a measuring process and experimentally during a preceding calibration process
  • Axialkraftkorrektur invention can be based on. If the measuring device in the
  • Force measurement referred to, for example, caused by an unavoidable lever deflection or by a crosstalk of the axial forces on the bending moments of the hinge springs 3, 6, 9.
  • the force F to be measured with the force measuring device 1 results as the sum of individual contributions, the first contribution consisting exclusively of precisely measurable variables such as the air density p a and the mass density p m . So far, it has been assumed in the methods known from the prior art that the total sum of the bending forces acting on the joint springs 3, 6, 9, must be adjusted to zero and must be attempted by constructive measures, the
  • the method can only be used when using joint springs whose bending moments are detected, and not e.g. when using pans and cutting
  • the electronic correction value F cor r can be represented by a polynomial of higher order and calculated from the measured axial force. This is the measurement error the axial force only with a very small proportion as
  • FIG. 3 schematically shows, as a solid line 18, an experimentally determined relative measurement uncertainty of the measuring device 1 shown in FIG. 1 as a function of the axial force exerted via the third joint spring 9.
  • the relative measurement uncertainty increases to a little more than 3xl0 ⁇ 4 up to the maximum applied axial force of 1000 kN.
  • a plurality of identical force sensors 13, one of which is shown by way of example in FIG. 4, are in the dead load range of the force measuring device 1 or in a measuring range with the smallest possible
  • Loading frame 10 exerts pressure applied.
  • the Force measuring device 1 is brought by a suitable displacement of the traverse 12 in the force measurement state and determines the correction torque for the relevant axial force.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Kraftmessung mit einer Kraftmessvorrichtung (1), die einen außermittig schwenkbar gelagerten zweiarmigen Hebel (2) aufweist, wobei an jedem Hebelarm (4, 8) jeweils ein Lastangriffsgelenk angeordnet ist, das als biegsame Gelenkfeder (3, 6, 9) ausgestaltet ist, deren Verformung mittels Verformungsmesseinrichtungen messbar ist, wobei auf einen ersten Hebelarm (4) eine vorgebbare Belastung einwirkt und durch Ausübung einer Zug- oder Druckkraft auf einen zweiten Hebelarm (8) der Hebel (2) in einen Kraftmesszustand gebracht und die hierfür erforderliche Zug- oder Druckkraft ermittelt wird, wird in mindestens einer Gelenkfeder (3, 6, 9) eine auf diese Gelenkfeder (3, 6, 9) einwirkende Axialkraft erfasst und ein vorgebbarer Anteil der ermittelten Axialkraft für eine Vorgabe des Kraftmesszustands berücksichtigt. In Abhängigkeit von der ermittelten Axialkraft wird eine Kompensationszug- oder -druckkraft ermittelt und bei einer elektronisch gesteuerten oder geregelten Vorgabe des Kraftmesszustands zusätzlich berücksichtigt. In einem vorausgehenden Verfahrensschritt wird eine Kalibration der Kraftmessvorrichtung (1) durchgeführt und dabei ermittelte Werte werden für eine zusätzlich erforderliche Kompensationszug- oder -druckkraft ermittelt und in einer Speichereinrichtung abrufbar gespeichert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Kraftmessung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraftmessung mit einer Kraftmessvorrichtung, die einen außermittig
schwenkbar gelagerten zweiarmigen Hebel aufweist, wobei an jedem Hebelarm jeweils ein Lastangriffsgelenk angeordnet ist, das als biegsame Gelenkfeder ausgestaltet ist, deren
Verformung mittels einer Verformungsmesseinrichtung messbar ist, wobei auf einen ersten Hebelarm eine vorgebbare
Belastung einwirkt und durch Ausübung einer Zug- oder
Druckkraft auf einen zweiten Hebelarm der Hebel in einen Kraftmesszustand gebracht und die hierfür erforderliche Zug- oder Druckkraft ermittelt wird.
Derartige Kraftmessvorrichtungen, die beispielsweise in DE 39 27 475 C2 beschrieben sind, werden unter anderem zur Kalibration von Kraftaufnehmern und zur Eichung von
Wägezellen verwendet. An dem außermittig schwenkbar
gelagerten Hebel wird an dem ersten, üblicherweise längeren Hebelarm ein Gewicht befestigt, dessen Gewichtskraft möglichst genau bekannt ist. An dem zweiten, üblicherweise mehr als 5 bis 10 mal kürzeren Hebelarm wird über einen Kraftaufnehmer , der kraftübertragend mit dem zweiten
Hebelarm verbunden ist, eine Zug- oder Druckkraft auf den zweiten Hebelarm ausgeübt. Durch die über den
Kraftaufnehmer ausgeübte Zug- oder Druckkraft wird der Hebel in einen Kraftmesszustand gebracht. In der Praxis wird dabei zum Erreichen des Kraftmesszustands in der Regel der Hebel ausbalanciert, so dass sich die von der Gewichtskraft auf den ersten Hebelarm und die über den Kraftaufnehmer auf den zweiten Hebelarm ausgeübten Momente kompensieren und die Gesamtsumme aller an dem Hebel angreifenden Momente möglichst gering bzw. Null ist. In Abhängigkeit von der als bekannt vorausgesetzten
Hebelarmlänge kann dann die über den Kraftaufnehmer zum Erreichen des Kraftmesszustands erforderliche Zug- oder Druckkraft mit großer Genauigkeit ermittelt und eine
Kalibration, Eichung oder Justierung des Kraftaufnehmers oder der Wägezelle durchgeführt werden.
Es ist aus der Praxis bereits bekannt, dass mit zunehmender Belastung der Hebelarme insbesondere der längere Hebelarm etwas verformt bzw. durchgebogen wird, so dass eine
Verkürzung der effektiven Hebelarmlänge eintritt. Da die effektive Hebelarmlänge in die Ermittlung der zum Erreichen des Kraftmesszustands erforderlichen, bzw. erzeugten und aufgewendeten Zug- oder Druckkräfte eingeht, führt eine nicht in angemessener Weise berücksichtigte Durchbiegung des Hebelarms zu einem systematischen Messfehler, der die Genauigkeit der Messungen begrenzt. Um die durch eine
Durchbiegung des Hebelarms verursachte Messunsicherheit zu verringern ist es aus der Praxis bekannt, dass
beispielsweise die Drehpunkte der Gelenkfedern auf
unterschiedliche Höhen justiert werden und eine Veränderung der Drehpunkte mechanisch kompensiert oder erfasst und für die Auswertung berücksichtigt wird. Der hierfür
erforderliche Aufwand ist jedoch beachtlich. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass mit zunehmender
Belastung die auf die Gelenkfedern ausgeübte Axialkraft, die möglichst keinen Einfluss auf die Messergebnisse haben sollte, oftmals auf die Verformungsmesseinrichtungen überspricht bzw. deren Messergebnis beeinflusst, stört oder überlagert, so dass scheinbar Momente auf den Hebel
ausgeübt werden, die wiederum das Messergebnis bzw. die bestmögliche Genauigkeit der Messergebnisse beeinträchtigt.
Da die vorangehend beschriebenen Störeinflüsse oftmals eine nicht-lineare Abhängigkeit von der auf den Hebel ausgeübten Belastung aufweisen, ist ein erheblicher Aufwand
erforderlich, um diesen störenden Einfluss zu minimieren und die Genauigkeit zu verbessern. In der Praxis wird auch mit großem Aufwand bei derartigen Kraftmessvorrichtungen eine Messunsicherheit in der Größenordnung von etwa 5xlCT4 erreicht. Es wäre wünschenswert, wenn die Messunsicherheit weiter verringert werden könnte.
Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, mit einem möglichst einfachen Verfahren die Messunsicherheit zu reduzieren und die Genauigkeit einer Kraftmessung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass in einer Gelenkfeder eine auf diese Gelenkfeder einwirkende
Axialkraft ermittelt und ein vorgebbarer Anteil der
ermittelten Axialkraft für die Vorgabe des
Kraftmesszustands berücksichtigt wird.
Als Axialkraft wird dabei diejenige Komponente einer auf die Gelenkfeder einwirkenden Kraft bezeichnet, die in der axialen Richtung der Gelenkfeder auf die Gelenkfeder einwirkt und keine seitliche Auslenkung der Gelenkfeder bewirkt, sondern lediglich eine Zugkraft auf die
Gelenkfeder ausübt. Es hat sich gezeigt, dass durch eine Korrektur, die in Kenntnis bzw. in Abhängigkeit der
tatsächlich an einem Hebelarm bzw. an der entsprechenden Gelenkfeder angreifenden Axialkraft durchgeführt wird, die Messgenauigkeit um etwa einen Faktor 10 verbessert und die Messunsicherheit auf einen Bereich von etwa 5xlCT5 bis 7xlCT5 reduziert werden kann. Die Axialkraft kann in einer Gelenkfeder in einfacher Weise und ohne größeren konstruktiven Aufwand gemessen werden. Da nur ein Anteil, vorzugsweise ein kleiner Anteil der
ermittelten Axialkraft für die Vorgabe des
Kraftmesszustands berücksichtigt wird, geht die
Messunsicherheit bei der Ermittlung der Axialkraft nur zu einem entsprechend geringen Anteil in die gesamte
Messunsicherheit ein. Eine sehr große Genauigkeit ist deshalb für die Messung der Axialkraft nicht erforderlich, da deren Beitrag für die gesamte Messsunsicherheit sehr gering ist .
Durch die Ermittlung der auf den Hebel bzw. der jeweils auf die Hebelarme einwirkenden Axialkraft können in einfacher Weise die durch die Axialkraft verursachten Störeinflüsse, die auf eine Durchbiegung des Hebelarms sowie auf ein
Übersprechen bei der Messung der durch die angreifenden Momente bedingten Verformung der Gelenkfedern zurückgeführt werden können, in einfacher Weise kompensiert bzw.
korrigiert werden. Eine genaue Kenntnis der einzelnen
Auswirkungen der angreifenden Axialkräfte, die ohne eine entsprechende Korrektur die Messunsicherheit vergrößern bzw. letztendlich dominieren würden, ist nicht erforderlich. Ebenso sind keine konstruktiv aufwändigen Kompensierungs- oder Korrekturverfahren erforderlich, bei denen beispielsweise die Durchbiegung eines Hebelarms oder eine Verlagerung der Drehpunkte der Gelenkfedern bzw. eine daraus resultierende Verkürzung der effektiven
Hebelarmlänge erfasst und für die Auswertung berücksichtigt wird .
Dabei ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der
ermittelten Axialkraft die für die Vorgabe des
Kraftmesszustands ausgeübte Zug- oder Druckkraft angepasst wird. Während ohne eine Berücksichtigung der Axialkraft der angestrebte Kraftmesszustand voraussetzt, dass alle auf den Hebel einwirkenden Momente in der Summe Null ergeben, kann in Kenntnis der Axialkraft die über den Kraftaufnehmer auf den zweiten Hebelarm ausgeübte Zug- oder Druckkraft
verändert werden, um die durch die Axialkraft verursachte Verkürzung der effektiven Hebelarmlänge auf diese Weise zu kompensieren. Diese Kompensierung kann bereits während der Messung erfolgen, so dass nach Abschluss der Messungen keine umfangreiche Korrektur und Auswertung der Messdaten erforderlich ist.
Es hat sich gezeigt, dass auf Grund des größeren Einflusses des längeren Hebelarms es zweckmäßig sein kann, dass diejenige Axialkraft ermittelt und für die Vorgabe des Kraftmesszustands berücksichtigt wird, die auf die
Gelenkfeder an dem längeren Hebelarm einwirkt. Da bei einem Kraftmesszustand, bei dem die an dem Hebel angreifenden Momente sich möglichst ausgleichen sollen, die an dem kurzen Hebelarm angreifende Axialkraft entsprechend dem umgekehrten Längenverhältnis der beiden Hebelarme größer als an dem langen Hebelarm ist, kann in diesem Fall an dem kurzen Hebelarm eine größere Axialkraft mit einer geringeren Messunsicherheit gemessen werden. Aus diesem Grund kann es auch vorteilhaft sein, dass diejenige
Axialkraft ermittelt und für die Vorgabe des
Kraftmesszustands berücksichtigt wird, die auf die
Gelenkfeder an dem kürzeren Hebelarm einwirkt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Axialkraft eine Kompensationszug- oder -druckkraft ermittelt und bei einer elektronisch
gesteuerten oder geregelten Vorgabe des Kraftmesszustands zusätzlich berücksichtigt wird. Da die Vorgabe des
Kraftmesszustands während eines Messvorgangs regelmäßig elektronisch gesteuert bzw. geregelt wird und die
Axialkraft in einfacher Weise und kostengünstig
elektronisch bzw. digital erfasst oder in entsprechende elektronische Signale umgewandelt werden kann, lässt sich eine in Abhängigkeit von der gemessenen Axialkraft
durchgeführte Korrektur der Kraftmessung in sehr einfacher Weise realisieren. Insbesondere können bereits in Betrieb befindliche Kraftmessvorrichtungen mit einem äußerst geringen konstruktiven Aufwand nachgerüstet werden, so dass durch die Ermittlung der Axialkraft und die Durchführung einer in Abhängigkeit von der ermittelten Axialkraft erforderlich werdenden Korrektur die Messunsicherheit erheblich bzw. bis etwa um einen Faktor 10 verringert werden kann. Zweckmäßigerweise werden in einem vorausgehenden
Verfahrensschritt eine Kalibration der Kraftmessvorrichtung durchgeführt und dabei ermittelte Werte für eine zusätzlich erforderliche Kompensationszug- oder -druckkraft ermittelt und in einer Speichereinrichtung abrufbar gespeichert. Wenn nach Abschluss dieser Kalibration Kraftmessungen mit der Kraftmessvorrichtung durchgeführt werden, so kann in
Kenntnis der auf einen Hebelarm wirkenden Axialkraft ein zugeordneter Wert für die Kompensationszug- oder - druckkraft abgerufen und für die Vorgabe des
Kraftmesszustands berücksichtigt werden. Eine zeitliche Verzögerung bei der Auswertung der Messergebniss kann dadurch ausgeschlossen werden. Es wird auch kein
zusätzlicher Aufwand während der Durchführung einer
Kraftmessung erforderlich.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kalibration einer Kraftmessvorrichtung mit einem außermittig schwenkbar gelagerten zweiarmigen Hebel. Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass zur Kompensation einer belastungsbedingten Verkürzung der Hebelarmlänge mehrere Kraftaufnehmer in einem Belastungsbereich mit einer möglichst geringen
Messunsicherheit der Kraftmessvorrichtung nacheinander kalibriert werden und anschließend mehrfach jeweils eine unterschiedliche Anzahl von kalibrierten Kraftaufnehmern parallel zueinander an dem zweiten Hebelarm angeordnet und durch Vorgabe des zugeordneten Kraftmesszustands vermessen werden, um für unterschiedliche Belastungen jeweils einen für die Kompensation erforderlichen Korrekturwert zu ermitteln. Dieses Verfahren kann auch als
„Selbstkalibration" bezeichnet werden, da die
Messunsicherheit der Kraftmessvorrichtung, die mit zunehmender Belastung bzw. Axialkraft ansteigen würde, über einen großen Messbereich verbessert werden kann, ohne dass ein aufwändiger Fremdvergleich mit bereits kalibrierten Kraftmessvorrichtungen oder mit Kraftaufnehmern
erforderlich wird, die über den gesamten Messbereich bereits kalibriert wurden.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur
Durchführung des vorangehend beschriebenen Verfahrens zur Kraftmessung, die einen außermittig schwenkbar gelagerten zweiarmigen Hebel aufweist, wobei an jedem Hebelarm jeweils ein Lastangriffsgelenk angeordnet ist, das als biegsame Gelenkfeder ausgestaltet ist, deren Verformung mittels einer Verformungsmesseinrichtung messbar ist. Um die
Messgenauigkeit einer derartigen Kraftmessvorrichtung zu verbessern ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die
Gelenkfeder einen Federstab mit einem horizontal und senkrecht zum Hebelarm ausgerichteten ersten
Verjüngungsbereich aufweist, in dem eine
Verformungsmesseinrichtung angeordnet ist, und beabstandet hierzu eine Axialkraftmesseinrichtung an der Gelenkfeder angeordnet ist. Durch den senkrecht zum Hebelarm
ausgerichteten Verjüngungsbereich wird der Drehpunkt in der Gelenkfeder auf den Verjüngungsbereich beschränkt, wodurch die Auswirkung der belastungsbedingen Verkürzung der effektiven Hebelarmlänge und der damit einhergehenden
Verlagerung des Drehpunkts besser bekannt sind und dem zu Folge auch eine geringe Auswirkung auf die Messunsicherheit haben können. Durch die beabstandete Anordnung der
Axialkraftmesseinrichtung von diesem Verjüngungsbereich wird ein wechselseitiger Einfluss zwischen der
Verformungsmesseinrichtung in dem ersten Verjüngungsbereich und der Axialkraftmesseinrichtung, die beabstandet hierzu angeordnet ist, weitgehend ausgeschlossen.
Um die Genauigkeit der Axialkraftmessung zu verbessern ist vorgesehen, dass die Gelenkfeder einen horizontal und parallel zum Hebelarm ausgerichteten zweiten
Verjüngungsbereich aufweist, in dem die
Axialkraftmesseinrichtung angeordnet ist. Durch eine geeignete Ausgestaltung der jeweiligen Verjüngungsbereiche kann erreicht werden, dass sowohl die durch die jeweilige Belastung erzeugten Drehmomente als auch die in der
Gelenkfeder angreifende Axialkraft weitgehend unabhängig voneinander und mit großer Genauigkeit gemessen werden können. Eine aufwändige Auswertung der jeweiligen
Messsignale und insbesondere aufwändige Korrekturen oder Kompensationsauswertungen sind nicht erforderlich.
Derartige Gelenkfedern lassen sich kostengünstig und mit geringem Aufwand aus einem Federstab herstellen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einer elektronischen Steuereinrichtung und eine
Speichereinrichtung zur Speicherung von Kompensationszug- und -druckkraftwerten aufweist. Die in Abhängigkeit von der jeweils gemessenen Axialkraft erforderliche Korrektur kann über die elektronische Steuereinrichtung in Echtzeit und ohne merkliche Verzögerung bei der Durchführung eines Kraftmessvorgangs erfolgen. Bei einer Benutzung einer derartigen Kraftmessvorrichtung und für die Durchführung des vorangehend beschriebenen Verfahrens sind keine
besonderen Kenntnisse und keine zusätzlichen Maßnahmen notwendig . Nachfolgend werden Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Kraftmessung, die einen außermittig schwenkbar gelagerten zweiarmigen Hebel aufweist, Fig. 2 eine Gelenkfeder mit zwei Verjüngungsbereichen, deren Verformung mittels mehrerer
Verformungsmesseinrichtungen messbar ist,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Diagramms einer experimentell ermittelten Messunsicherheit ohne bzw. mit einer elektronischen Korrektur in Abhängigkeit von der gemessenen Axialkraft,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Kraftaufnehmers, der in der in Fig. 1 exemplarisch abgebildeten Vorrichtung zur Kraftmessung kalibriert werden kann, und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Anordnung von drei Kraftaufnehmern, die nebeneinander angeordnet und über ein Verbindungselement gleichzeitig und gleichmäßig mit einer Druckkraft belastet werden können.
Eine in Fig. 1 schematisch dargestellte
Kraftmessvorrichtung 1 weist einen zweiarmigen Hebel 2 auf, der an einer außermittig angeordneten ersten Gelenkfeder 3 schwenkbar gelagert ist. An einem längeren ersten Hebelarm 4 befindet sich an dessen äußerem Ende 5 eine zweite biegsame Gelenkfeder 6. An der zweiten Gelenkfeder 6 sind mehrere miteinander verbundene Gewichtsstücke 7 befestigt. Die Gewichtsstücke 7 üben über die zweite Gelenkfeder 6 ein erstes Moment auf den schwenkbar gelagerten Hebel 2 aus.
An einem kürzeren zweiten Hebelarm 8 ist über eine dritte Gelenkfeder 9 ein Belastungsrahmen 10 befestigt, der vertikal in einem Grundrahmen 11 verlagerbar ist. In dem Grundrahmen 11 ist eine Traverse 12 ebenfalls vertikal verlagerbar geführt. Zwischen dem Belastungsrahmen 10 und der Traverse 12 befindet sich ein Kraftaufnehmer 13. Über die Traverse 12 kann auf den Kraftaufnehmer 13 eine
Druckkraft ausgeübt werden, wobei über den Kraftaufnehmer 13 und den Belastungsrahmen 10 ein zweites Moment erzeugt wird, das auf den Hebel 2 einwirkt und dem durch die
Gewichtsstücke 7 auf den ersten Hebelarm 4 einwirkenden ersten Moment entgegenwirkt.
Durch eine geeignete Verlagerung der Traverse 12 kann auf den Kraftaufnehmer 13 exakt diejenige Druckkraft ausgeübt werden, die erforderlich ist, so dass die auf den Hebel 2 einwirkenden Momente in der Summe Null werden. Über die bekannte Gewichtskraft der Gewichtsstücke 7 und die
Kenntnis der geometrischen Verhältnisse des ersten
Hebelarms 4 und des zweiten Hebelarms 8 bzw. der drei
Gelenkfedern 3, 6 und 9 lässt sich der Betrag der auf den Kraftaufnehmer 13 ausgeübten Druckkraft ermitteln und der Kraftaufnehmer 13 auf diese Weise kalibrieren oder eichen. Um den Drehpunkt der Gelenkfedern 3, 6 und 9 möglichst präzise vorgeben zu können, weisen die drei Gelenkfedern 3, 6 und 9 jeweils einen ersten Verjüngungsbereich 14 auf, der horizontal und senkrecht zu dem Hebel 2, bzw. dem
zugeordneten Hebelarm 4, 8 ausgerichtet ist. In diesem ersten Verjüngungsbereich 14 befinden sich jeweils mehrere Dehnungsmessstreifen 15, die über eine nicht dargestellte Auswertungsschaltung so miteinander verschaltet sind, dass ein über die Gelenkfedern 3, 6 und 9 auf den Hebel 2
ausgeübtes Biegemoment gemessen werden kann, dass zu einer entsprechenden Verformung der betreffenden Gelenkfeder 3, 6 oder 9 führt .
Um die Genauigkeit bei der Durchführung derartiger
Kraftmessungen zu verbessern ist erfindungsgemäß
vorgesehen, dass an mindestens einer der drei Gelenkfedern 3, 6, 9 die über die betreffende Gelenkfeder 3, 6 oder 9 auf den Hebel 2 übertragene Axialkraft gemessen wird. Bei zunehmender Axialkraft verformt sich auf Grund der auf den Hebel 2 ausgeübten Biegemomente der Hebel 2, so dass sich die effektive Länge des ersten Hebelarms 4 und des zweiten Hebelarms 8 verändert und die in den drei Gelenkfedern 3, 6 und 9 gemessene Verformung nicht mehr den tatsächlich auf den Hebel 2 übertragenen Biegemomenten entspricht.
Um die Axialkraft messen zu können weist die an dem zweiten Hebelarm 8 angeordnete dritte Gelenkfeder 9 einen zweiten Verjüngungsbereich 16 auf, der parallel zu dem zweiten Hebelarm 8 bzw. zu dem Hebel 2 ausgerichtet ist. In dem zweiten Verjüngungsbereich 16 befinden sich ebenfalls Dehnungsmessstreifen 17, die über eine geeignete, nicht dargestellte Auswerteschaltung eine durch die auf die dritte Gelenkfeder 9 einwirkende Axialkraft erzwungene
Verformung der dritten Gelenkfeder erfassen und dadurch die Axialkraft messen können. Die dritte Gelenkfeder 9 ist in Fig. 2 zur Veranschaulichung vergrößert dargestellt.
Um die Axialkraft abhangige Korrektur vorzunehmen, wird während eines Messvorgangs die auf die dritte Gelenkfeder einwirkende Axialkraft gemessen und ein experimentell während eines vorausgegangenen Kalibriervorgangs
ermittelter Anteil der Axialkraft für die Vorgabe des Kraftmesszustands berücksichtigt. Dies wird in einfacher Weise dadurch erreicht, dass die auf den Hebel 2
einwirkenden Biegemomente nicht mehr in der Summe auf Null geregelt bzw. durch eine entsprechende Verlagerung der Traverse 12 und einer dadurch auf den Kraftaufnehmer 13 ausgeübten Druckkraft vorgegeben werden, sondern ein zusätzliches axialkraftabhängiges Korrekturmoment
hinzugenommen und die Gesamtsumme der Biegemomente und des Korrekturmoments minimiert wird.
Anhand der nachfolgenden Gleichungen und Überlegungen soll ein Ansatz veranschaulicht werden, der der
erfindungsgemäßen Axialkraftkorrektur zu Grunde gelegt werden kann. Sofern sich die Messvorrichtung im
Gleichgewicht befindet und bewegungslos verharrt und weiterhin als geschlossenes System betrachtet werden kann, stehen alle angreifenden Momente im Gleichgewicht und summieren sich zu einem Gesamtmoment von Null:
Figure imgf000015_0001
wobei m die Masse der Gewichtsstücke 7, g die lokal wirkende Schwerebeschleunigung, pa die Luftdichte und die Massedichte bezeichnet, wobei Ii die Länge des ersten Hebelarms 4 und I2 die Länge des zweiten Hebelarms 8 bezeichnet, wobei Mb die Summe der auf die Gelenkfedern 3, 6, 9 einwirkenden Biegemomente bezeichnet und wobei mit F die auf den zweiten Hebelarm 8 ausgeübte Zug- oder
Druckkraft und AF einen systematischen Fehler für die
Kraftmessung bezeichnet, der beispielsweise durch eine unvermeidbare Hebeldurchbiegung oder durch ein Übersprechen der Axialkräfte auf die Biegemomente der Gelenkfedern 3, 6, 9 verursacht wird.
Wird diese Gleichung umgestellt und nach der
interessierenden Kraft F aufgelöst, ergibt sich der
nachfolgende Zusammenhang:
Figure imgf000016_0001
Die mit der Kraftmesseinrichtung 1 zu messende Kraft F ergibt sich als Summe einzelner Beiträge, wobei der erste Beitrag ausschließlich aus präzise messbaren Größen wie beispielsweise der Luftdichte pa und der Massedichte pm besteht. Bislang wurde bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren jeweils davon ausgegangen, dass die Gesamtsumme der an den Gelenkfedern 3, 6, 9, angreifenden Biegemomente zu Null eingeregelt werden muss und durch konstruktive Maßnahmen versucht werden muss, den
systematischen Messfehler AF möglichst gering werden zu lassen . Mit dem erfindungsgemäßen Ansatz wird statt dessen
elektronisch eine Korrekturkraft Fkorr ermittelt und in die Ausgleichsregelung der Biegemomente derart eingekoppelt, so dass eine geänderte Gesamtsumme der Biegemomente M'b, die das durch die Korrekturkraft Fkorr erzeugte Korrekturmoment Mfcorr = Ffcorr ' I2 beinhaltet, erfasst und zu Null geregelt wird. Für die geänderte Gesamtsumme der Biegemomente M'b gilt demzufolge: M'b = Mb + Mkorr = Mb + Fkorr · 12
Wenn die Korrekturkraft Fkorr so gewählt wird, dass die Korrekturkraft Fkorr näherungsweise dem systematischen
Fehler AF entspricht, gleichen sich die mit der
eingekoppelten Korrekturkraft eingeregelte geänderte
Gesamtsumme der Biegemomente M'b und der systematische Fehler AF weitgehend aus, so dass gilt:
M' b / 12 = -AF.
In praktischer Hinsicht wird in dem Korrekturverfahren genau eine solche Verformung der Gelenkfedern verursacht, dass das Moment zur Verformung der Gelenkfedern dem
festgestellten systematischen Kraftfehler entspricht.
Daraus resultiert, dass das Verfahren nur bei Verwendung von Gelenkfedern, deren Biegemomente erfasst werden, und nicht z.B. bei Verwendung von Pfannen und Schneiden
anwendbar ist. Der elektronische Korrekturwert Fkorr lässt sich mittels einem Polynom höherer Ordnung darstellen und aus der gemessenen Axialkraft berechnen. Dabei geht der Messfehler der Axialkraft nur mit einem sehr geringen Anteil als
Beitrag zur Messunsicherheit ein.
In Fig. 3 ist schematisch als durchgezogene Linie 18 eine experimentell ermittelte relative Messunsicherheit der in Fig. 1 dargestellten Messvorrichtung 1 in Abhängigkeit von der über die dritte Gelenkfeder 9 ausgeübten Axialkraft abgebildet. Die relative Messunsicherheit steigt bis zu der maximal ausgeübten Axialkraft von 1000 kN auf etwas mehr als 3xl0~4 an. Wird bei Messungen mit der
Kraftmessvorrichtung 1 die vorangehend beschriebene
Axialkraftkorrektur durchgeführt, so bleibt die nach der Korrektur ermittelte und als gestrichelte Linie 19
dargestellte relative Messunsicherheit im Wesentlichen konstant und auf einem Wert kleiner 5xl0~5. Die vorangehend beschriebene Axialkraftkorrektur bewirkt dem zu Folge eine ganz erhebliche Verringerung der Messunsicherheit.
Um die in Abhängigkeit von der jeweils angreifenden
Axialkraft erforderliche Axialkraftkorrektur zu bestimmen, kann eine Selbstkalibrierung der Messvorrichtung 1
durchgeführt werden. Mehrere gleichartige Kraftaufnehmer 13, von denen einer exemplarisch in Fig. 4 dargestellt ist, werden im Totlastbereich der Kraftmesseinrichtung 1 bzw. in einem Messbereich mit einer möglichst kleinen
Messunsicherheit kalibriert. Im Anschluss daran werden sukzessive mehr Kraftaufnehmer 13 nebeneinander in dem Belastungsrahmen 10 angeordnet und über ein in Fig. 5 exemplarisch abgebildetes Verbindungselement 20 so
miteinander verbunden, dass auf jeden Kraftaufnehmer 13 ein gleich großer Anteil der über die Traverse 12 auf den
Belastungsrahmen 10 ausgeübten Druckkraft aufnimmt. Die Kraftmessvorrichtung 1 wird durch eine geeignete Verlagerung der Traverse 12 in den Kraftmesszustand gebracht und das Korrekturmoment für die betreffende Axialkraft ermittelt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Kraftmessung mit einer
Kraftmessvorrichtung (1), die einen außermittig schwenkbar gelagerten zweiarmigen Hebel (2) aufweist, wobei an jedem Hebelarm (4, 8) jeweils ein Lastangriffsgelenk angeordnet ist, das als biegsame Gelenkfeder (6, 9) ausgestaltet ist, deren Verformung mittels Verformungsmesseinrichtungen messbar ist, wobei auf einen ersten Hebelarm (4) eine vorgebbare Belastung einwirkt und durch Ausübung einer Zug- oder Druckkraft auf einen zweiten Hebelarm (8) der Hebel (2) in einen Kraftmesszustand gebracht und die hierfür erforderliche Zug- oder Druckkraft ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Gelenkfeder (3, 6, 9) eine auf diese Gelenkfeder (3, 6, 9) einwirkende
Axialkraft erfasst und ein vorgebbarer Anteil der
ermittelten Axialkraft für eine Vorgabe des
Kraftmesszustands berücksichtigt wird, wobei in
Abhängigkeit von der ermittelten Axialkraft die zur Vorgabe des Kraftmesszustands ausgeübte Zug- oder Druckkraft angepasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Axialkraft ermittelt und für die Vorgabe des Kraftmesszustands berücksichtigt wird, die auf die
Gelenkfeder (6) an dem längeren (4) Hebelarm einwirkt.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Axialkraft eine Kompensationszug- oder
-druckkraft ermittelt und bei einer elektronisch
gesteuerten oder geregelten Vorgabe des Kraftmesszustands zusätzlich berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorausgehenden
Verfahrensschritt eine Kalibration der Kraftmessvorrichtung (1) durchgeführt und dabei ermittelte Werte für eine zusätzlich erforderliche Kompensationszug- oder -druckkraft ermittelt und in einer Speichereinrichtung abrufbar
gespeichert werden.
5. Verfahren zur Kalibration einer Kraftmessvorrichtung mit einem außermittig schwenkbar gelagerten zweiarmigen Hebel, wobei an jedem Hebelarm jeweils ein Lastangriffsgelenk angeordnet ist, das als biegsame Gelenkfeder ausgestaltet ist, deren Verformung mittels Verformungsmesseinrichtungen messbar ist und wobei an mindestens einer Gelenkfeder eine auf die Gelenkfeder einwirkende Axialkraft erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation einer
belastungsbedingten Verkürzung der Hebelarmlänge mehrere Kraftaufnehmer (13) in einem Belastungsbereich mit einer möglichst geringen Messunsicherheit der
Kraftmessvorrichtung (1) kalibriert werden und anschließend mehrfach jeweils eine unterschiedliche Anzahl von
kalibrierten Kraftaufnehmern (13) parallel zueinander an dem zweiten Hebelarm (8) angeordnet und gemessen werden, um für mehrere unterschiedliche Belastungen jeweils einen für die Kompensation erforderlichen Korrekturwert zu ermitteln.
6. Vorrichtung zur Kraftmessung mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die einen außermittig
schwenkbar gelagerten zweiarmigen Hebel aufweist, wobei an jedem Hebelarm jeweils ein Lastangriffsgelenk angeordnet ist, das als biegsame Gelenkfeder ausgestaltet ist, deren Verformung mittels einer Verformungsmesseinrichtung messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkfeder (3, 6, 9) einen Federstab mit einem horizontal und senkrecht zum Hebelarm (4, 8) ausgerichteten ersten Verjüngungsbereich (14) aufweist, in dem eine Verformungsmesseinrichtung angeordnet ist, und beabstandet hierzu eine
Axialkraftmesseinrichtung an der Gelenkfeder (3, 6, 9) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkfeder (3, 6, 9) einen parallel zum Hebelarm (4, 8) ausgerichteten zweiten Verjüngungsbereich (16) aufweist, in dem die Axialkraftmesseinrichtung angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine elektronische Steuereinrichtung und eine Speichereinrichtung zur
Speicherung von Kompensationszug- und -druckkraftwerten aufweist .
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