DE3141767A1

DE3141767A1 - Kraftwandler

Info

Publication number: DE3141767A1
Application number: DE19813141767
Authority: DE
Inventors: David Edward Warley West Midlands Smith
Original assignee: W&T Avery Ltd
Current assignee: Avery Weigh Tronix Ltd
Priority date: 1980-10-22
Filing date: 1981-10-21
Publication date: 1982-07-08
Also published as: GB2087085B; AU7631081A; GB2087085A; ZA817044B

Description

Kraftwandler

Die Erfindung befaßt sich mit der Kraftmessung und insbesondere mit Verbesserungen bei Kraftwandlern (Meßwertumformern), bei denen die angewendete Kraft zwischen einer Vielzahl von
Meßelementen aufgeteilt werden kann, in der "Weise, daß eine verbesserte Genauigkeitkeit erreicht
werden kann und/oder die Meßelemente wahlweise ' benutzt werden können, um beispielsweise eine
Mehrbereichs-Skala zu schaffen.

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftwandler (Meßwertumformer) sind N Meßabschnitte in Kaskadenart
zusammengeordnet, wobei der N-te Abschnitt mit einem Kraftempfänger verbunden ist, an dem die zu messende Kraft angewendet wird, und daß der M-te Abschnitt (wobei M kleiner ist als N) mit dem Kraftempfänger über einen Kraftübertragungsweg gekoppelt ist, der durch die verbleibenden Abschnitte aus N-M gebildet ist und/oder mit j dem Kraftempfänger koppelbar ist durch einen

! zweiten Kraftübertragungsweg, der als by-pass ■

zu den verbleibenden Abschnitten aus N-M ge-25 führt ist, wenn die angewendete Kraft den vor

hergehenden Abschnitt über einen bestimmten Grad hinaus beansprucht.

Die Erfindung kann insbesondere bei Meßabschnitten angewendet werden, die im Ansprechen auf die Anwendung einer Kraft einer Biegebeanspruchung unterworfen werden, und bei einer typischen

Ausführungsform der Erfindung können die Meßabschnitte je einen auslegerartigen Biegebalken enthalten, der mit einem oder mehreren Dehnungsmeßstreifen versehen ist, um einen elektrischen Meßwert der Biegebeanspruchung zu schaffen, die durch die angewendete Kraft in den Balken induziert wird. Bei einer solchen Anordnunq kann jeder Meßabschnitt einem entsprechenden Teil des Gesamtmeßbereiches des Kraftwandlers zugeordnet sein und die Schaltung kann vorgesehen sein für eine wahlweise Aufbereitung der Ausgangsinformationen der Meßabschnitte, so daß für eine gegebene angewendete Kraft die Ausgangsinformation des zugehörigen Abschnittes verwendet wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Meßabschnitte gruppenweise derart angeordnet, daß, wenn der P-te Meßabschnitt auf die angewendete Kraft anspricht, wenigstens der (P - 1) -te Abschnitt ebenfalls Biegebeanspruchungen unterworfen wird, so daß seine Ausgangsinformation gleichzeitig mit der Ausgangsinformation des P-te Abschnittes zunimmt. Auf diese Weise kann ein glatter Übergang vom P-ten Abschnitt zum (P - 1) -ten Abschnitt erzeugt werden, wenn der erstere sich der Grenze seines Biegungsausschlages nähert.

Es ist beabsichtigt, daß in den meisten Anwendungsfällen die Steifigkeit der Meßabschnitte vom N-ten bis zum ersten Abschnitt propressiv zunimmt.

Die Erfindung sei im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Schemadarstellung einer ersten

Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Kraftwandlers;

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Verj anschaulichung des Verhältnisses

; zwischen der elektrischen Ausgangs-

; information und der angewendeten Be-

lastung bei einem-Wandler gemäß Fig.1;

j 10

Fig. 3 eine Schemadarstellung einer modi

fizierten Ausführungsform des in Fig.1 gezeigten Wandlers;

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die sich

auf die elektrische Ausgangsinformation für die angewendete Last bezieht, entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3;

20

Fig. 5 eine Schemadarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers;

Fig. 6 eine Schemadarstellung von einem noch

anderen Ausführungsbeispiel.

Der Wandler gemäß Fig. 1 enthält ein erstes Paar von mit vertikalem Abstand und parallel angeordneten Biegungsstreifen 10, 12, die je an ihrem einen Ende mit einer festen Abstützung 14 starr verbunden sind; im Falle einer Waage können sie an der Basis der Maschine montiert sein. Die Biegungsstreifen 10, 12

erstrecken sich nach Auslegeart von der Abstützung 14, und ihre entgegengesetzten Enden sind in Parallelogrammart durch ein sich in vertikaler Richtung erstreckendes Querelement 16 vereinigt, von dem ein zweites Paar von mit vertikalem Abstand und parallel angeordneten Biegungsstreifen 18, 20 sich nach Auslegeart erstreckt. Die freien Enden der Biegungsstreifen 18, 20 sind starr verbunden mit einem Kraftempfänger (Kraftaufnahmeelement) 22 in Form eines vertikalen Querelements, das im Falle einer Waage die Waagschale oder Plattform tragen kann.

Die zu messende Kraft (bzw. Last) F wird auf den Kraftempfänger 22 angewendet, und es ist so zu verstehen, daß die Biegungsstreifen 10, 12, 18, 20 dadurch Biegebeanspruchungen ausgesetzt werden. Der obere Biegungsstreifen 10, 18 jedes Paares ist mit einem oder mehreren elektrischen Widerstands-Dehnungsmeßstreifen 24, 26 an der Ober- und/oder Unterseite versehen, wodurch eine elektrische Messung der Biegebeanspruchungen und daher der zu erzielenden angewendeten Kraft ermöglicht wird, z.B. durch Verwendung der Dehnungsmeßstreifen in einer Wheatstone'sehen Brückenschaltung oder dergleichen.. Zwei separate Ausgangsinformationen bzw. Ausgangssignale können erzielt werden, und zwar eine bzw. eines von jedem Satz Dehnungsmeßstreifen 24, 26, wobei Fig.2 ein typisches Ansprechen der Dehnungsmeßstreifen 24, 26 in einer Situation veranschaulicht, in der die Biegungsstreifen 18, 20 weniger steif sind als die Streifen 10, 12, d.h. die Biegungsstreifen

3H1767

ί 1 können so ausgebildet sein, daß ein Paar ein

j größeres Ausgangssignal liefert als das andere.

ι Die Ausgangssignale von jedem Paar Biegungsstrei-

! 5 fen können beispielsweise in der Weise verwendet

j werden, daß das Ausgangssignal vom Meßstreifen 26

I über einen Anfangsteil des Lastbereiches benutzt

i wird, d.h. bis zu einem vorgewählten Belastungs-

I niveau, während das Ausgangssignal der Meßstreifen

10 24 über dieses Niveau hinaus benutzt wird. Es

I ist vorstellbar, daß die Ausgangssignale in

; Kombination benutzt werden können, beispielsweise

i zwischen bestimmten Grenzen innerhalb des Lastbe-

: reiches.

I 15

Es läßt sich erkennen, daß die beiden Paare von

Biegungsstreifen 10, 12 und 18, 20 an der Abstützung 14 tatsächlich gruppenweise angeordnet sind und daß diese Ausbildung und Anordnung

20 zwei Meßabschnitte schafft, wodurch es dem

Wandler ermöglicht wird, eine Doppelkapazitätseinrichtung und/oder eine größere Genauigkeit zu erreichen, die z.B. am unteren Ende des Lastbereiches erzielt werden kann. In diesem Zusammen-

25 hang kann das größere elektrische Ausgangssignal

von den Meßstreifen 26 am unteren Ende des Bereiches verwendet werden, wo das Ausgangssignal der Meß-

I streifen 24 vergleichsweise klein sein kann.

30 Obwohl- wie oben beschrieben - die Biegungsstreifen so ausgeführt sind, daß für eine gegebene Last das Ausgangssignal vom Paar der Streifen 18, 20 das größere ist, ist es beabsichtigt, daß es unter

■ ·^:· 3U1767

manchen Umständen für die Ausgangssignale wünschenswert sein kann, daß sie im wesentlichen gleich sind oder daß das Ausgangssignal der Streifen 10, 12 das größere ist. Auf diese Weise können die Streifen 10, 12 die gleiche oder eine geringere Steifigkeit haben als die Streifen 18, 20. Während außerdem die Streifen 18, 20 so veranschaulicht sind, daß sie außerhalb der Streifen 10, 12 liegen, kann die Anordnung auch davon abweichen, d.h. die Streifen 18, 20 können innerhalb'der oder in ineinandergreifendem Verhältnis (Parallelschaltung) zu den Streifen 10, 12 angeordnet sein, wobei in solchen Fällen der Kraftempfänger 22 in geeigneter Weise angepaßt ist. Weiterhin ist es so zu verstehen, daß die Erfindung weder auf die Verwendung von Biegungsstreifen (andere Biegungsformen sind möglich) noch auf die Verwendung von Biegungselement-Paaren begrenzt ist.

Fig. 3 veranschaulicht eine Modifikation der Anordung gemäß Fig. 1, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Ablenkung eines Paares von Biegungselementen zu begrenzen, um auf diese Weise deren Überbelastung zu verhindern. Es werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um gleiche Teile in den Fig. 1 und 3 zu bezeichnen. In dieser Ausführungsform enthalten die genannten Mittel ein Widerlager 126, das, wenn die weniger steifen Biegungselemente 18, 20 einem bestimmten Ablenkungsgrad unterworfen worden sind, mit dem Kraftempfänger 22 in Eingriff kommt und einen zweiten Weg für eine Kraftübertragung zu den Biegungselementen 10,12 schafft. Auf diese Weise wirkt zunächst die Kraft F auf die Biegungselemente

-tr-

10, 12 lediglich durch Vermittlung der Biegungselemente 18, 20; wenn aber die Leerbewegung aufgenommen worden ist und der Kraftempfänger mit dem Widerlager 126-in Eingriff kommt, wird die Kraft.

auf die Biegungselemente in erster Linie durch das Widerlager übertragen, wodurch eine weitere Ablenkung der Biegeelemente aufgehoben oder zu-. mindest auf ein Minimum herabgesetzt wird.

IQ Bei dieser Ausführung ist das Widerlager 126 in Form einer Anschlagschiene, die an ihrem einen Ende mit dem Querelement 16 starr verbunden ist und sich nach Auslegeart durch Öffnungen in der Abstützung 14 und im Kraftempfänger 22 erstreckt.

Um die Wirkungen exzentrischer Lasten auf ein Minimum herabzusetzten, wenn die Anschlagschiene 126 in den Betriebszustand gelangt, ist letztere vorzugsweise so positioniert, daß ihre Achse in derselben vertikalen Ebene liegt wie die horizontalen Mittellinien der Biegungselemente 10, 12, 18, 20.

Fig. 4 zeigt die Änderung des elektrischen Ausgangssignales der Dehnungsmeßstreifen 24, 26 mit einer Last für die Ausführungsform gemäß Fig. 3. Es läßt sich erkennen, daß, wenn der Kraftempfänger 22 mit der Anschlagschiene 126 in Eingriff kommt, das Ausgangssignal von den Meßstreifen 26 ausnivelliert. Wegen der Natur der mechanischen Anschlaganordnung kann in der Praxis die Last, bei der das Ausnivellieren auftritt, nicht genau wiederholbar sein, und in Fig. 4 zeigen die Phantomlinien solche Änderungen

* an, wie sie in der Praxis auftreten können« Dies ist jedoch kein Nachteil, da die Ausgangssignale von den Meßstreifen 24, 26 in der Weise verarbeitet werden können, daß der Ausgang von den Meßstreifen 24 zur Anwendung kommt, z.B. bei dem Lastpunkt a, bevor irgendeine Ausnivellierung des anderen Ausgangssignales stattfinden kann.

Fig. 5 veranschaulicht eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers, bei dem wiederum zwei Meßabschnitt verwendet werden. Bei dieser Ausführung wird ein Meßabschnitt durch parallele, einen vertikalen Abstand aufweisende Biegungsstreifen 30, 32 gebildet, mit denen der Kraft-

I^ empfänger 34 verbunden ist. Der zweite Meßabschnitt enthält eine Wandlergestaltung der Type, wie sie in der älteren britischen Patentanmeldung Nr. 79 06 621 (derselben Anmelderin) offenbart ist, auf die wegen weiterer Einzelheiten bezug genommen : wird. Der zweite Meßabschnitt ist starr angeordnet zwischen einer festen Abstützung 36 und einem Querelement 38, durch das die Biegungselemente bzw, Biegungsstreifen 30, 32 starr vereinigt sind. Wie bei den Ausführungen gemäß den Fig. 1 und 3 sind.

die beiden Meßabschnitte gruppenweise zusammengeordnet.

Kurz gesagt enthält der zweite Meßabschnitt insbesondere einen im wesentlichen U-förmigen Teil 40, der zwei Biegungsstreifen 42, 44 enthält, die mit Dehnungsmeßstrexfen versehen sind. Diese Biegungsstreifen 42, 44 erstrecken sich in vertikaler

Richtung, und ein Paar von mit vertikalem Abstand angeordneten, horizontalen Biegungsstreifen 46, 48 (die gewöhnlich ohne Meßstreifen sein werden) sind vorgesehen, um- einen Parallelogrammaufbau mit der Abstützung 36 und dem Querelement 38 zu bilden, wodurch letzteres gezwungen wird, sich im wesentlichen in vertikaler Richtung zu bewegen, wenn es einer Belastung ausgesetzt wird. Wenn das Querelement durch die Last abgelenkt wird, dann lenken die Streifen 42 _r 44 seitlich nach der einen Seite aus, um ein Maß der angewandten Kraft zu erhalten, die von den zugehörigen Meßstreifen zu erzielen ist. Nach einer allgemeinen Regel wird die Anordnung und Ausbildung der Streifen 42, 44 derart sein, daß sie eine wesentlich größere Steifigkeit besitzen als die Biegungsstreifen 30, 32. Auf diese Weise kann das Ausgangssignal von den Biegungsstreifen 30, 32 für Kräfte am unteren Endbereich benutzt werden, während das Ausgangssignal der Biegungsstreifen 42, 44 bei höheren Lasten verwendet werden kann.

Wie in Fig. 3 ist auch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 mit Mitteln zur Verhinderung einer Überlast der Biegungsstreifen 30, 32 mit niedriger Steifigkeit versehen. In diesem Falle enthalten die Mittel einen starr mit dem Querelement 38 verbundenen Bügel 50 und einen Anschlagzapfen 52, der mit dem Bügel 50 in Eingriff kommt, wenn die Biegungsstreifen 30, 32 einem bestimmten Ablenkungsgrad unterworfen worden sind.

3U1-767

χ Wie in den Fig. 1, 3 und 5 gezeigt ist, enthält jeder Wandler zwei kaskadenartige Meßabschnitte, die nach Gruppenart zusammengeordnet sind, so daß die auf den Kraftempfänger anzuwendende Kraft auf den ersten Meßabschnitt durch Vermittlung des zweiten Meßabschnittes übertragen wird, und im Falle der Fig. 3 und 5 direkt auf den ersten Meßabschnitt (über die Widerlager/Leerbewegungs-Anordnung), wenn der zweite Meßabschnitt über einen bestimmten Grad hinaus beansprucht worden ist. Bei einer Modifikation können mehr als zwei Meßabschnitt vorhanden sein, und ganz allgemein gesehen können N Meßabschnitt gruppenweise verbunden sein, wobei der N-te mit dem Kraftempfänger verbunden ist, während der M-te Abschnitt (wobei M kleiner ist als N) mit dem Kraftempfänger durch Zwischenschaltung der übrigen N-M Abschnitt verbunden ist. In einer solchen Anordnung können Überlast/Leerbewegungs-Einrichtungen zwischen jedem aufeinanderfolgenden Paar von Meßabschnitten vorgesehen sein, so daß, wenn der P-te Abschnitt (wobei P gleich ist zu 2 zu N) sich seiner überlastgrenze nähert, ein neuer Kraftübertragungsweg vom Kraftempfänger zu dem (P - 1)-ten Abschnitt geschaffen wird, wodurch tatsächlich eine bypass-Führung zum P-ten Abschnitt erfolgt.

Jeder solcher Meßabschnitt kann exakt bemessen bzw. geeicht werden, und eine Schaltung kann vorgesehen werden zur wahlweisen Verarbeitung der

3H1767

Ausgangssignale von den Meßabschnitten entsprechend der Meßgröße der angewandten Kraft, so daß z.B. der Ausgang (Aüsgangssignal) vom P-ten Abschnitt nur dann benutzt wird, wenn der vorhergehende Abschnitt begonnen hat, sich dem Punkt zu nähern, oder den Punkt erreicht hat, bei dem er - in bypass-Form durch die Überlasteinrichtung überbrückt wird, und nur so lange, bis der P-te Abschnitt selbst begonnen hat, sich seinem zugehörigen bypass-Punkt zu nähern oder diesen erreicht hat.

In einer weiteren Modifikation, die unter Bezugnahme auf die Schemadarstellung in Fig. 6 verständlich wird, können die Meßabschnitte, anstatt gruppenartig gekoppelt zu sein, unabhängig voneinander, an einer festen Abstützung in Kaskadenform angeordnet sein, wobei ein Abschnitt 62 direkt mit dem Kraftempfänger 64 verbunden ist und ein Abschnitt oder mehrere Abschnitte 66, 68 ... für eine Kraftmessung aktiv gemacht wird bzw. aktiv gemacht werden, wenn der vorhergehende Abschnitt bis zu einem ausreichenden Ausmaß abgelenkt worden ist, um eine Leerbewegung dazwischen aufzunehmen, z.B. mittels eines Widerlagers 70. In einer solchen Anordnung kann jedes nachfolgende Biegungselement steifer sein als das vorhergehende, wobei das Biegungselement 62 am wenigsten steif ist.

Leerseite

Claims

"· - /^:· 3U1767

Patentansprüche:

Kraftwandler,
dadurch gekennzeichnet,

daß N Meßabschnitte nach Kaskadenart zusammen-

geordnet sind, wobei der N-te Abschnitt mit einem Kraftempfänger verbunden ist, an dem die zu messende Kraft angewendet wird, und daß der M-te Abschnitt (wobei M kleiner ist als N) mit dem Kraftempfänger über einen

Kraftübertragungsweg gekoppelt ist, der durch die verbleibenden Abschnitte aus N-M gebildet ist und/oder mit dem Kraftempfänger koppelbar ist durch einen zweiten Kraftübertragungsweg, der als bypass zu den verbleiben

den Abschnitten aus N-M geführt wird, wenn die angewendete Kraft den vorhergehenden Abschnitt über einen bestimmten Grad hinaus beansprucht.
2. Kraftwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßabschnitte gruppenweise derart zusammengeordnet sind, daß, wenn der P-te Abschnitt auf die angewendete Kraft anspricht, wenigstens der(P - 1)-te Abschnitt

ebenfalls Biegebeanspruchungen unterworfen wird, so daß seine Ausgangsinformation gleichzeitig mit der Ausgangsinformation des P-ten Abschnittes zunimmt.
3. Kraftwandler, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftempfänger mit einer Abstützung durch

Zwischenschaltung von wenigstens zwei gruppenweise verbundenen Meßabschnitten verbunden ist und daß Mittel vorhanden sind, durch die der Kraftempfänger automatisch mit einer Stelle

j .5 zwischen benachbarten Meßabschnitten koppelbar ist, wenn die angewandte Kraft einen vorbe-

' stimmten Wert übersteigt, so daß eine Be-

anspruchung des Meßabschnittes oder der Meß-

; abschnitte, die zuströmseitig von dieser Stelle

; 10 angeordnet sind, begrenzt wird, insbesondere

ι zwischen der genannten Stelle und dem Kraft

empfänger .
4. Kraftwandler nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Überwachung der Ausgangssignale

der Meßabschnitte und zur Anwendung der Ausgangssignale wenigstens eines zuströmseitigen Meßabschnittes, wenn die angewendete Kraft unter

ι dem vorbestimmten Wert oder nahe diesem Wert

liegt, wobei Ausgangssignale wenigstens eines

abströmseitigen Meßabschnittes benutzt werden, wenn die angewendete Kraft oberhalb des vorbestimmten Wertes oder in der Nähe dieses Wertes liegt.

25
5. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßabschnitte in übereinanderliegendem Verhältnis zueinander angeordnet sind.

30
6. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelungseinrichtung eine Leerbewegungskoppelung enthält,

die nur eine Koppelung zwischen dem Kraftempfänger und der genannten Stelle schafft, wenn der Kraftempfänger einer angewendeten Kraft ausgesetzt wird, die größer ist als der erwähnte vorbestimmte Wert.
7. Kraftwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelungseinrichtung ein Widerlagerelement enthält, das mit der genannten Stelle oder dem Kraftempfänger verbunden ist und das in eine öffnung hineinragt, die zum Kraftempfänger oder zu der genannten Stelle gehört, wodurch das Anschlagelement mit einer Grenzfläche der öffnung in Eingriff kommt, wenn die erwähnte Leerbewegung aufgenommen worden ist.
8. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit des oder jedes zuströmseitigen Meßabschnittes kleiner ist als die des oder jedes abström-

seitigen Meßabschnittes.
9. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßabschnitt wenigstens ein längliches Biegungselement enthält und daß die Biegungselemente nachfolgender Meßabschnitte mit ihren benachbarten Enden starr mit einem Zwischenelement vereinigt sind, wobei die genannte Koppelungseinrichtung so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie zwischen dem Kraftempfänger und dem Zwischenelement wirkt.