Kraftmessdose
Die Erfindung betrifft eine Kraftmessdose. Es ist schon vorgeschlagen worden, eine Kraft mittels einer Kraftmessdose dadurch zu messen, dass man die Kraft gegen ein in der Messdose vorhandenes stabiles Kräfteverhältnis zur Wirkung bringt, welches durch zwei gegeneinander wirkende Kraftkomponentenpaare hervorgerufen wird, die durch zwei annähernd konstante Kraftresultierende verursacht werden. Dabei wird vom Prinzip ausgegangen, durch Änderung der Richtung von Kräften eine Änderung ihrer Grösse und auf diese Weise eine Einstellung des der zu messenden Kraft entgegenwirkenden Kräfteverhältnisses zu bewirken.
Die Erfindung stellt eine Weiterbildung einer Kraftmessdose der genannten Art dar und bezweckt die Schaffung noch stabilerer Verhältnisse bezüglich der in der Kraftmessdose der zu messenden Kraft entgegenwirkenden Kräfte. Dies wird dadurch erreicht, dass das in der Messdose vorhandene stabile Kräfteverhältnis durch Kraftresultierende hervorgerufen wird, die ihrerseits durch Kraftkomponenten verursacht werden. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die Mittelstellung des Krafteinleitungshebels bei der bereits vorgeschlagenen Ausführung, die durch das Verhältnis der beiden Kraftkomponentenpaare gegeneinander bestimmt wird, bei geringen Richtungs- oder Längenänderungen der Verbindungsteile eine geringfügige Anderung erfährt, was bei höchsten Genauigkeitsanforderungen eventuell nicht tragbar ist.
Eine stabile Mittelstellung ist besonders dann wichtig, wenn die Kraftmessdosen als Messwertgeber zur Steuerung der Grösse einer Kraft oder eines Momentes zur Erreichung eines bestimmten Grössenverhältnisses zu einer anderen Kraft oder einem anderen Moment verwendet werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn bei der Lastausgleichsvorrichtung einer Waage das Ausgleichsgewicht in seiner Grösse oder Stellung entsprechend der Lastkraft ver ändert werden, d. h. entsprechend der auf die Kraftmessdose übertragenen Differenzkraft ausgesteuert werden soll.
Wird hierbei der Mittelstellung des Krafteinieitungshebels ein bestimmtes Verhältnis zwischen Lastkraft und Lastausgleichskraft zugeordnet, beispielsweise das Gleichgewichtsverhältnis, so muss diese Stellung besonders stabil sein, um diejenigen Kräfte, die eine Abweichung von dieser Stellung verursachen, über die Grösse der Abweichung genau erfassen zu können. Ähnliche Verhältnisse liegen bei Kraftmessungen vor, bei denen sich die Richtung der zu messenden Kraft umkehren kann. Auch hier ist die Grösse der zu messenden Kraft immer als Abweichung von der Mittelstellung des Krafteinleitungshebels zu erfassen. Durch die erfindungsgemässe Ausführungsform wird eine besonders stabile Mittelstellung erreicht.
Die Kraftkomponenten können von einem Gewicht einer Feder oder auf ähnliche an sich bekannte Weise verursacht werden. Die durch die zu messende Kraft hervorgerufene Verstellung des Krafteinleitungshebels bewirkt über die Anderung der Richtung der Kraftkomponenten eine Änderung der Grösse der durch diese verursachten Kraftresultierenden und damit des durch diese bewirkten Momentes, welches der zu messenden Kraft entgegenwirkt.
Es ist vorteilhaft, die Verbindungsteile so anzuordnen, dass in Mittelstellung des Krafteinleitungshebels alle Kraftkomponenten durch dessen Drehachse verlaufen. In diesem Fall werden alle Komponentenmomente zu Null, und es wird eine absolut stabile Mittelstellung erreicht.
Zur Übertragung der Kraftkomponenten sind als Verbindungsteile zweckmässig Stahlbänder, Drähte oder dergleichen oder gelenkig gelagerte Glieder zu verwenden, die einerseits ortsfest unter Krafteinwir kung gehalten sind und auf der anderen Seite auf den Krafteinleitungshebel einwirken.
Zur Kompensation der zu messenden Kraft können die Wirkungsrichtungen der Kraftkomponenten durch verstellbare Anschläge, Schneiden, Kurvenstücke oder verspannte elastische Glieder in Abhängigkeit von der Verstellung des Krafteinleitungshebels verstellt werden. Sieht man für die Verstellung der Kraftkomponenten Kurvenstücke, verspannte elastische Glieder oder aber mehrere nacheinander zur Wirkung kommende Anschläge oder Schneiden vor, so verschiebt sich bei zunehmender Auslenkung des Krafteinleitungshebels auch der Angriffspunkt der Kraftresultierenden an den Verbindungsteilen.
Dadurch wird es möglich, einer bestimmten zu messenden Kraft und der durch diese bewirkten bestimmten Winkelstellung des Krafteinleitungshebels einen bestimmten Angriffspunkt der Resultierenden und damit einen bestimmten Berührungspunkt zwischen den Verbindungsteilen und dem betreffenden Verstellglied zuzuordnen. Mit Vorteil ist daher vorgesehen, die Berührungspunkte als elektrische Kontakte auszubilden, die zur Signalgabe oder zu Steuerungszwecken bei bestimmter Grösse der zu messenden Kraft herangezogen werden können. Diese Möglichkeit besteht zusätzlich zur direkten Erfassung der Verstellung des Krafteinieitungshebels und damit der zu dieser in bestimmtem Verhältnis stehenden Grösse der zu messenden Kraft.
Nimmt der Abstand des Kraftangriffspunktes von der Drehachse mit zunehmender Verstellung des Krafteinieitungshebels zu, so tritt bei der entsprechenden Verstellung der Kraftkomponenten nicht nur eine Anderung ihrer Wirkungsrichtung und damit verbunden eine Vergrösserung der Kraftresultierenden ein, sondern es ergibt sich durch die Vergrösserung des Angriffshebelarmes zusätzlich noch eine weitere Vergrösserung des Momentes, wodurch sich exponentiale Verhältnisse zwischen der Verstellung des Krafteinleitungshebels und der zu messenden Kraft einstellen.
Die Verstellung des Krafteinleitungshebels kann durch die zu messende Kraft in an sich bekannter Weise mittels Messwandlern über Änderung des elektrischen Widerstandes, des Stromes, der Spannung, der Frequenz, der Kapazität oder der Induktivität in elektrische Messwerte umgesetzt werden.
In den Zeichnungen sind schematische Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Kraftmessdose mit Dehnungsmessstreifen und Vorspannung durch Gewicht,
Fig. 2 eine Kraftmessdose mit Messkondensatoren und direkter Federvorspannung sowie Kontaktanschlägen,
Fig. 3 eine Kraftmessdose mit induktiven Gebern, indirekter Federvorspannung und verspannten, elastischen Gliedern zur Überleitung der Kraftresultierenden.
In Fig. 1 ist ein Krafteinleitungshebel 1 auf einem Halter 2 ortsfest gelagert. Uber ein Stahlband 4, das durch eine Feder 5 gespannt wird, wird von einem Bügel 6 die zu messende Kraft auf den Krafteinleitungshebel 1 übertragen. Am Krafteinleitungshebel 1 befindet sich ein Zapfen 7 und ein federndes Teil 8, auf dem beiderseitig Dehnungsmessstreifen 9 aufgebracht sind. Das Teil 8 ragt mit seinem Ende zwischen zwei Rollen 10 an einem Hebel 11, wodurch es spielfrei gehalten wird. An den Zapfen der Rollen 10 sind zwei Stahlbänder 13, 14 befestigt, die rechts und links an dem Zapfen 7 anliegen und an der Lagerschneide 15 des Hebels 1 derart befestigt sind, dass sie die Kräfte durch die Drehachse leiten.
Der Hebel 11 ist mittels Lager 17 ortsfest gelagert und trägt ein verschiebliches Laufgewicht 18.
Durch Verschieben des Laufgewichtes 18 kann die Grösse der Vorspannung der Stahlbänder 13, 14 und damit der in ihnen wirkenden Kraftkomponenten eingestellt werden. Da durch die Kraftkomponenten die durch sie verursachten, auf den Zapfen 7 wirkenden Kraftresultierenden in ihrer Grösse bestimmt sind und durch die Grösse dieser Kraftresultierenden sich die der zu messenden Kraft entgegenwirkenden Momente ergeben, ist es möglich, durch Verschieben des Laufgewichtes 18 das Verhältnis zwischen zu messender Kraft und eingetretener Verstellung des Krafteinleitungshebels 1 und damit das Messverhältnis einzustellen.
Wirkt auf den Bügel 6 eine zu messende Kraft nach oben oder unten, so wird der Krafteinleitungshebel 1 verstellt, bis Gleichgewicht erreicht ist zwischen der zu messenden Kraft sowie der auf dem Zapfen 7 wirkenden Kraftresultierenden, die durch die Kraftkomponenten eines der Stahlbänder 13 oder 14 verursacht ist und dem Gegenmoment, das durch die Verformung des Teiles 8 sowie der Dehnungsmessstreifen 9 hervorgerufen wird. Die Grösse der Verstellung des Hebels 1, die dann zusammen mit der Stellung des Laufgewichtes 18 ein Mass für die Kraft am Bügel 6 ist, wird mittels der Dehnungsmessstreifen in einen elektrischen Messwert umgesetzt.
Wirkt keine Kraft auf den Bügel 6, so wird ein stabiles Gleichgewicht und damit eine beständige Mittelstellung des Krafteinleitungshebels 1 durch das Gegeneinanderwirken der beiden Kraftresultierenden, die von den Kraftkomponenten der Stahlbänder 13, 14 verursacht werden, hervorgerufen. Da diese Mittelstellung nur von der Richtung der Stahlbänder und damit der Richtung der Kraftkomponenten abhängig ist und da die Kraftkomponenten entsprechend der Ausrichtung der Stahlbänder durch die Drehachse des Hebels 1 gerichtet sind, können keine äusseren Kräfte oder material abhängige Faktoren wesentlichen Einfluss nehmen.
Anstelle des Bolzens 7 kann auch eine Schneide angeordnet sein, an der ein Stahlband über eine Pfanne angelenkt ist, so dass der durch das Gewicht
18 hervorgerufene Zug über dieses Stahband und das Schneidenlager auf den Krafteinleitungshebel 1 übertragen wird. Bei dieser Ausführung wirkt dann eine Kraftkomponente zwischen der Befestigungsstelle am Hebel 11 in Richtung auf das Schneidenlager und die andere Kraftkomponente im Hebel 1 selber vom Schneidenlager in Richtung gegen die Drehachse 15. Die durch die Kraftkomponenten verursachte Kraftresultierende wirkt dann direkt auf die Schneide, die anstelle des Zapfens 7 angebracht ist, wodurch in gleicher Weise, wie schon angegeben, eine stabile Mittellage erreicht wird.
Schraubt man bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung die Anschläge 21, 22 gegen den Stahldraht 23, so ergeben sich die gleichen Verhältnisse wie bei einer Schneidenlagerung an dieser Stelle. Der Draht 23 ist durch die Feder 24 gespannt und verläuft im oberen Teil durch die Drehachse 25, an der der Krafteinleitungshebel 20 ortsfest gelagert ist. An der Schneide 26 greift die zu messende Kraft an, die z. T. durch das Gegengewicht 27 ausgeglichen wird. An den Armen des Hebels 20 sind Kondensatorplatten 28, 29 angebracht, die zwischen ortsfesten Gegenplatten 30, 31 beweglich sind.
Durch den Abstand der Anschläge 21, 22, die auch als Kontakte ausgebildet sein können, ergeben sich zwei Messbereiche mit unterschiedlichen Rückstellkräften. Durch Anordnung mehrerer Anschläge übereinander, kann die Zahl der Messbereiche noch vergrössert werden. Da der Draht 23 durch die Drehachse 25 geführt ist, ruft die Verspannung durch die Feder 24 in der Mittelstellung kein wesentliches Rückstellmoment hervor. In diesem Bereich ist also höchste Empfindlichkeit, d. h. grösste Winkelverstellung des Hebels 20 bei kleinster zu messender Kraft vorhanden. Wird die Winkelverstellung des Hebels 20 so gross, dass der Anschlag 21 oder 22 den Draht berührt, so tritt über diesen als Kontakt ausgebildeten Anschlag Kontaktgabe und damit Anzeige, dass der empfindliche Bereich überschritten ist, ein.
Bei Zunahme der zu messenden Kraft drückt jetzt z. B. der Anschlag 21 gegen den Draht, wodurch eine Änderung der Richtung der durch die Feder 24 ver ursachen Kraftkomponenten eintritt. Dieses führt zu einer gegen Anschlag 21 gerichteten Kraftresultierenden und damit zu einem gegen die zu messende Kraft wirkenden Rückstellmoment, das mit Zunehmen der Verstellung des Krafteinleitungshebels 20 gleichfalls zunimmt.
Zur Messung der Verstellung werden Impulse gleicher Grösse über Gleichrichter auf die zwei Kondensatoren, bestehend aus Platten 28 und 30, sowie 29 und 31 gegeben. Bei Mittelstellung des Krafteinleitungshebels 20 wirkt die verzögerte Entladung der Kondensatoren in einer Brückenschaltung in bekannter Weise derart, dass bei gleicher Ladung keine Spannung durch die Brückendiagonale fliesst. Bei Verstellung des Hebels 20 tritt eine Verschiebung der Kondensatorplatten 28 und 29 ein und bewirkt unterschiedliche Kapazität der beiden Kondensatoren.
Bei der Brückenschaltung bewirkt die grössere Ladung des in Verstellrichtung liegenden Kondensators einen Spannungsanstieg in der Brückendiagonalen bei der verzögerten Entladung. Die in der Diagonalen auftretende Spannung ist dabei annähernd proportional der Verstellung des Hebels 20.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung ist der Krafteinleitungshebel 40 um eine Drehachse 41 ortsfest gelagert. Über das Gestänge 42 wird die zu messende Kraft eingeleitet. An der Verlängerung des Hebels 40 befinden sich die Kerne 43 zweier induktiver Geber 44, 45, und ein Schwert 46, das zwischen die Magnete 47 einer Wirbelstrombremse ragt. Am Hebel 40 ist ein Stahlband 48 derart befestigt, dass seine Längslinie durch die Drehachse 41 verläuft. Rechts und links vom Stahlband 48 sind elastische Schenkel 49, 50 angeordnet, die durch Schrauben 51 und 52 verspannt und dadurch zu Kurvenstücken geformt sind. Anstelle dieser Schenkel können auch starre Kurvenstücke angeordnet sein.
Das Stahlband 48 ist unten an einem ortsfest gelagerten Hebel 53 befestigt. Der Hebel 53 wird durch eine Feder 54 gegen das Stahlband 48 verspannt. Das Stahlband 48 kann auch durch die Drehachse 41 verlaufend oberhalb derselben ortsfest befestigt sein.
Bei Angriff einer Kraft am Gestänge 42 wird der Hebel 40 verstellt, wodurch sich das Stahlband 48 auf einen der Schenkel, z. B. auf Schenkel 49, legt, wodurch der Angriffspunkt der Kraftresultierenden verschoben wird. Gleichzeitig tritt eine Verschiebung des Stahlbandes 48 und damit eine Änderung der Richtung der Kraftkomponenten ein. Mit zunehmender Winkelverstellung des Hebels 40 durch die zu messende Kraft wird daher der Abstand zwischen der Drehachse 41 und dem Angriffspunkt der Kraftresultierenden auf Schenkel 49 und damit der Hebelarm, an dem die Kraftresultierende angreift, grösser. Durch die gleichzeitige Vergrösserung dieses Hebelarmes und der Grösse der Kraftresultierenden ergibt sich eine Vergrösserung der Rückstellkräfte im exponentialen Verhältnis zur Verstellbewegung.
Mit zunehmender Grösse der zu messenden Kraft wird daher die relative Winkelverstellung des Hebels 40 immer kleiner. Die Grösse der Winkelbewegung wird mittels der induktiven Geber 44, 45 erfasst und in elektrische Messwerte umgesetzt. Die Wirbelstrombremse 47 dient in bekannter Weise zur Verhinderung von Schwingungen.
In gleicher Weise wie die als Ausführungsbeispiele beschriebenen Messwandler können auch solche, bei denen die Verstellbewegung über Änderung des Stromes, der Frequenz o. ä. in elektrische Messwerte umgesetzt werden, Verwendung finden.
Anstelle der Stahlbänder können gelenkig gelagerte Glieder oder dergleichen vorgesehen werden.