Kraftmessdose mit flachem, elastischem Messglied
Die Erfindung betrifft eine Kraftmessdose mit flachem, elastischem Messglied.
Man hat bereits flache Kraftmessdosen mit trichterförmigem Lastmess glied und darauf angebrachten Dehnungsmessstreifen vorgeschlagen. Bei diesen Messdosen wird die Last auf das Messglied von oben her mittels Kugeln eingeleitet. Die Erfindung betrachtet dies als einen Nachteil. Sie löst die Aufgabe, die Kraft nur von unten über hierzu ausgebildete Glieder einzuführen, die gleichzeitig dem Überlastungs- schutz dienen. Kraftmessdosen mit einem Überla- stungsschutz auszurüsten, ist vielfach bekannt. Jedoch geht die Erfindung den neuen Weg, eine flache Kraftmessdose mit flächenhaftem Messglied mechanisch gegen Überlastung sowie gegen Zurückprallen bei Stossbelastung zu sichern.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Kraftmessdose erfindungsgemäss aus einem flachen, elastischen Messglied und darauf angebrachten Dehnungsstreifen, wobei das Messglied in Umfangsrichtung abwechselnd auf der Unterlage abgestützt ist und von der zu messenden Kraft beaufschlagt wird. Die Erfindung besteht darin, dass das Messglied mehrere nur nach einer Seite weisende und mit ihm ein Stück bildende Füsse aufweist.
Bevorzugt ist das Messglied der Kraftmessdose in aus anderem Zusammenhang bekanntgewordener Ausbildung ringförmig. Es sind dann vorzugsweise die Füsse radial mit dem zentrisch angebrachten Lasttragglied durch eine Spinne verbunden. Diese Hauptfüsse stützen sich vorteilhaft dauernd auf der Unterlage ab. Es ist ausserdem zweckmässig, Nebenfüsse anzuordnen, welche kürzer ausgebildet sind als die Hauptfüsse, derart, dass sich die Nebenfüsse erst bei einer bestimmten Uberlast auf die Unterlage abstützen.
Diese Kraftmessdose kann modellähnlich in vielen Grössen hergestellt werden. Sie lässt sich billig bauen, widersteht unerwünschten Drehmomenten und gleicht exzentrische Lastwirkungen aus.
Die erfindungsgemässe Kraftmessdose lässt sich aus einem einzigen Metallstück herstellen. Sie besitzt daher eine geringe mechanische Hysterese.
Die Kraftmessdose ist vorteilhaft so ausgebaut, dass sie formschlüssig den Messweg des Lastmessgliedes und des Lasttragegliedes begrenzt. Sie enthält zweckmässig grosse glatte Flächen zur Anbringung der Messstreifen für sowohl Zug- als auch Druckkräfte.
Alle diese Messstreifen können auf einer einzigen Oberfläche angebracht werden. Wenn dieses geschieht, so erlaubt die Raumerfüllung der neuen Kraftmessdose, alle Messstreifen leicht gemeinsam anzubringen und zu schalten.
Ausserdem kann bei der Kraftmessdose eine positive Überlastungssicherung und eine Sicherung gegen Rückprall bei Stossbelastung erreicht werden.
Das ganze Messglied kann aus einem einzigen Metallstück herausgearbeitet werden, wodurch die unerwünschten Hysteresenbeiwerte der Kraftmessdose vermindert werden.
Umgekehrt kann die Verformbarkeit des Lastmessgliedes dadurch auf einen Höchstwert gebracht werden, dass die Ansetzstellen der Füsse mit Vertiefungen versehen werden, so dass das Glied sich stärker und gleichmässiger verformen kann.
Zweckmässig gleicht eine Abrundung des Scheitels des Lastaufnahmegliedes die exzentrische Lastauf nahme auls. Wird das elastische Lastmessglied bis an die Grenze seiner elastischen Verformung verbogen, so setzen sich die Füsse auf den Boden der Dose auf und verhindern eine weitere Verformung des Gliedes.
Die Messstreifen oder andere Lastmessglieder werden bevorzugt auf der oberen Oberfläche des flachen, elastischen Ringes angebracht. Jedoch ist es auch möglich, sie auf den oberen und/oder unteren Oberflächen der radialen Füsse anschliessend an die Spinne anzubringen.
Die Messstreifen sind auf dem Oberring am zweckmässigsten unmittelbar oberhalb jedes der abwärts und der radial gerichteten Füsse angebracht und ebenso auf der Unterseite. Auf diese Weise werden Druck- und Zugkräfte in benachbartem Abstand der Ringoberfläche gemessen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden folgend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Schaubild eines ersten Ausführungsbeispieles der Messdose nach der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Messdose nach Fig. 1.
Fig. 3 ist im linken Teil eine Seitenansicht nach Fig. 2 und im rechten Teil ein Schnitt, entsprechend dem Pfeil 3 rechts in Fig. 2.
Fig. 4 ist eine Vorderansicht nach Fig. 2, entsprechend dem Pfeil 4 links in Fig. 2; der rechte Teil von Fig. 4 ist ein Schnitt nach dem Pfeil 4 rechts in Fig. 2.
Fig. 5 ist die Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung teilweise im Mittenschnitt.
Fig. 6 ist ein Querschnitt durch eine in ein Gehäuse eingebaute Messdose.
Fig. 7 ist eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, eines dritten Ausführungsbeispieles einer Messdose nach der Erfindung für den Sonderfall der Spannungsbeanspruchung durch die Last.
Im allgemeinen ist aus den Fig. 1 bis 4 eine Messdose zu erkennen, deren ringförmiges Lastmessglied 20 eine Anzahl Füsse 21 hat, die, abwärts gerichtet, den Ring 20 abstützen. Die Füsse 21 sind an einem zweiten Ring 22 befestigt, der als Grundplatte der Messdose dient. Ein Zylinder 30 wird als Lasttrageglied verwendet. Das Oberende 31 des Zylinders 30 ist abgerundet, um Lasten auszugleichen, die aussermittig auf das Lasttrageglied 30 aufgesetzt werden. Wie am besten aus den Fig. 3 und 4 zu erkennen ist, ist das Unterende des Lasttragegliedes 30 bei 32 konisch verjüngt, um zu verhindern, dass es an einen Teil der Grundplatte anstösst, wenn grosse Seitenlasten auf das Glied 30 aufgesetzt werden, ehe die Messdose voll ausgelastet ist. Das Lasttrageglied 30 ist am Ring 20 befestigt oder an ihn angekuppelt mittels einer Anzahl Radialfüssen 41.
Diese Verbindungen verlaufen unterhalb des Ringes 20 im Abstand zwischen den abwärts gerichteten Füssen 21.
Diese Füsse 21 und die Radialfüsse 41 haben Rillen oder sonstige Ausnehmungen 50 von kleinem Halbmesser dort, wo sie unterhalb des Ringes 20 an diesen anschliessen. Der Ring 20 hat glatte Oberflächenkeile 60 zur Anbringung von Zugmessstreifen oberhalb der Anschlussstellen der Füsse 21 und 41.
Wie man am besten in den Fig. 3 und 4 erkennt, ist ein kleiner Zwischenraum 42 zwischen den Radialfüssen 41 und dem Grundlrinfg 22 vorgesehen. Ebenso ist ein kleiner Spalt 33 zwischen dem Unterende des Lasttragegliedes 30 und einer Bodenplatte vorgesehen, welche unterhalb des Grundringes 22 angeordnet ist. Diese Spalten sind vorgesehen, um eine senkrechte Bewegung des Gliedes 30 möglich zu machen, wenn auf den Kopf 31 ein Druck ausgeübt wird. Es kann wünschenswert sein, den Spalt 33 zwischen Lasttrageglied 30 und der Grundplatte unter dem Grundring 22 kleiner zu machen, als den Spalt 42 zwischen den Radialfüssen 41 und dem Grundring 22.
Der Vorteil dieser Massnahme wäre, dass das Lasttrageglied 30 sich etwas früher abstützt als die Radialfüsse 41, und dass daher das Glied 30 hauptsächlich die Uberlastungskräfte aufnimmt und dadurch eine Verformung des Federringes 20 verhindert, ehe die Radialfüsse 41 sich auf dem Grundring 22 abgestützt haben.
Wenn eine Last senkrecht auf den Lastkopf 31 aufgesetzt wird, so leitet das Lasttrageglied 30 mittels der Spinne 40 diese axial wirkende Last durch die Radialfüsse 41 auf den Lastmessring 20. Eine Last, die auf den Kopf 31 drückt, beansprucht unter Vermittlung der Radialfüsse 41 die benachbarten Oberflächen 60 auf Druck, die benachbarten Abschnitte 60 auf der entgegengesetzten oberen Oberfläche des Ringes 20 oberhalb der abwärts gerichteten Füsse 21 werden entsprechend auf Zug beansprucht. Die Messstreifen 61 (Fig. 2) können dann an einen gemeinsamen Messkreis angeschlossen werden, der nicht dargestellt ist, der unter Strom dann eine elektrische Grösse auswirft, welche verhältnisgleich der Last ist, die auf den Kopf 31 wirkt.
Zwar beziehen sich die beiden in der Beschreibung erläuterten Beispiele auf die Messung von Drucklast, jedoch ist verständlich, dass bei Zugbeanspruchung des Gliedes 30 das elastische Messglied 22 in derselben Weise anspricht, wofür dann am einfachsten Lastmessring 20 und Grundring 22 gegeneinander ausgetauscht werden.
Die Verwendung von federndem Material für das Lastmessglied 20 mit seinen zusammenwirkenden senkrechten Füssen 21 und Radialfüssen 41 für die Spinne 40 und mit den Ausnehmungen 50 auf der Unterfläche des Oberringes 20 liefert Anbringungsstellen höchster Verformungsbeanspruchung für die Messstreifen. Wenn ausserdem die Last senkrecht angreift, so wird die Verformung über jedem Fuss gleichförmig sein, und die Messstreifen, die gleichmässig oberhalb der Füsse 21 und 41 zentriert sind, werden alle denselben Verformungswert anzeigen.
Die aneinander anschliessenden Teile des Oberringes 20 liefern positive und negative Verformungswerte abhängig von einer Last, die auf das Tragglied 30 wirkt. Das Zusammenwirken des abgerundeten Lastkopfes 31 und der Kupplungswirkung der Spinne 40 vermindert unerwünschte Nebenkräfte, wenn die Auflast einen Drehmoment ausüben sollte.
Wie besonders deutlich in der Draufsicht der Fig. 2 und den Querschnitten der Fig. 3 - und 4 zu erkennen ist, kann die Messdose aus einem einzigen Stück geformt oder bearbeitet sein, wodurch unerwünschte mechanische Hysteresewirkungen vermieden werden. Wenn gewünscht, können alle Messstreifen 61 auf dieselbe Oberfläche aufgebracht oder darauf geätzt werden. Alle Messstreifen 61 können also gleichzeitig auf die Oberfläche 60 aufgebracht werden.
Wenn bei einer solchen gemeinsamen Aufbringung die Messstreifen 61 nicht genau zentrisch oberhalb jedes Radialfusses 41 oder senkrechten Fusses 21 angebracht sind, so wird dadurch die Messanzeige der Verformung bei einer Brückenschaltung nicht nennenswert beeinflusst, weil die Versetzung gegenüber der Mitte bei jedem Messstreifen 61 dieselbe sein wird und sich die einzelnen Fehler in der Brückenschaltung ausgleichen. Wenn die Messstreifen so angebracht werden, wie dies Fig. 2 zeigt, ist es einfacher, alle Streifen auf einmal anzubringen. Die Abmessung der Messdose hat nur einen geringen Einfluss auf die lineare federnde Verformung des elastischen Ringes 20 und auf die lineare Anzeige des Messweges, den die Schaltung der Messstreifen 61 anzeigt.
Wenn dies erwünscht sein sollte, kann man auch auf der Spinne 40 und den anschliessenden oberen und unteren Oberflächen der Radialfüsse 41 Messstreifen anbringen. Die Gesamtgrösse der Oberfläche entspricht in diesem Fall der Oberfläche 60 in Fig. 1.
Die Hälfte der auf diesen Radialfüssen 41 angebrachten Messstreifen würde eine Druckkraft anzeigen, die andere Hälfte eine Zugkraft.
In Fig. 5 ist eine Messdose einer anderen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im ganzen ähnelt diese Messdose der Ausbildungsform, die in den Fig. 1 bis 4 gezeigt ist mit dem Unterschied, dass der Bodenring 22 keine formfeste Verbindung mit den abwärts gerichteten Füssen 21 aufweist und das Lasttrageglied 30 kürzer ist, so dass die abwärts gerichteten Füsse 21 sich auf jede Art Grundplatte 70 abstützen können, welche kreisförmig, quadratisch oder von jeder anderen gewünschten Gestalt sein kann. Die einzige Anforderung an die Grundplatte 70 ist, dass sie eine ebene Abstützung für jedes abwärts gerichtete Bein 21 bildet, und dass dazwischen Auflagen für die Radialfüsse 41 und das Lasttrageglied 30 vorhanden sind, wenn die Messdose nach Fig. 5 überlastet ist.
Die Messdose nach Fig. 5 ist nicht ein selbständiges einstückiges Gerät wie Fig. 1; jedoch lässt sich die Bauart nach Fig. 5 leichter als einheitlicher Gusskörper herstellen, wenn dies gewünscht wird. Wenn auch in der bisherigen Beschreibung zum Ausdruck gebracht worden ist, dass die Messdose einstückig gegossen oder bearbeitet werden kann, so ist es natürlich auch möglich, an das Lastmessglied 20 die abwärts gerichteten Füsse 21 und die Radialfüsse 41 anzuschweissen oder in anderer Weise mit dem Ring zu verbinden.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer Druckmessdose 100 in einem Gehäuse. Das Lasttrageglied 30 und der übrige federnde Teil der Messdose, ausgebildet nach den Fig. 1 bis 4, ist in dem Gehäuse gestrichelt angedeutet. Die Wände 103 des Gehäuses können z. B. ein zylindrisches nahtloses Stahlrohr sein mit einem erweiterten lichten Querschnitt 105 zur Aufnahme des Gehäusebodens 104. Dieser Boden 104 kann an der Wand 103 durch Verschraubung in den aufgeweiteten Teil 105 befestigt sein, oder der Boden 104 kann an der Anschlussfläche 106 zwischen Wand 103 und Boden 104 angeschweisst oder gelötet sein.
Der Boden 104 des Gehäuses hat in der Mitte eine Durchbrechung 107. Ein Fortsatz 80 des Lasttragegliedes 30 kann durch die Öffnung 107 des Bodens 104 ragen und z. B. durch Verschraubung mit dem Lasttrageglied 30 verbunden sein. Ausdrücklich sei betont, dass die Verbindung des Verlängerungsgliedes 80 mit dem Lasttrageglied 30 nichts mit der positiven Anschlagsicherung gegen Üb erl ast des Lasttragegliedes 30 auf den Boden 104 zu tun hat. Eine untere Abschlussmembran 102 und eine obere Abschlussmembran 101 können das Innere der eingekapselten Messdose gegen die Aussenluft abschliessen.
Diese Membranen bilden jedoch keinen Teil der Erfindung.
Es wurde gefunden, dass schlagartig aufgesetzte Lasten den Nullpunkt des elastischen Gliedes in der Richtung der Lastauflage verschieben. Wenn die Messdose einen Überlastungsschutz in Gestalt eines mechanischen Anschlags hat, wie dies bezüglich der Fig. 1 bis 5 beschrieben worden ist, so kann der Rückstoss von diesem mechanischen Anschlag eine Verschiebung des Nullpunktes in der entgegengesetzten Richtung hervorrufen. Wenn die Stosswerte zunehmen, so wird die lastseitige Anzeige der Messstreifen über eine Brückenschaltung mit Rücksicht auf die Überlastsicherung des elastischen Gliedes der Messdose nicht sehr beeinflusst. Die Anzeige in der Rückprallrichtung kann jedoch anwachsen und zu einer erheblichen Nullpunktverschiebung in der umgekehrten Richtung führen, wenn bezüglich dieses Fehlers keine Abhilfe geschaffen wird.
Fig. 6 lässt erkennen, wie diese Rückprallsicherung ausgebildet ist. Das Lasttrageglied 30 trägt auf seiner Verlängerung 8( > einen Flansch 81, dessen Oberfläche 83 an die Gegenfläche des Bodens 104 des Gehäuses nach Fig. 6 anschlägt und dadurch eine mechanische Sicherung gegen Rückprall und die damit zusammenhängende Verformung des Lastmessgliedes bietet, wodurch wiederum die Nullpunktverschiebung unterbunden wird. Das Verlängerungsglied 80 und daher auch der Flansch 81 und die Anschlagfläche 83 sind verstellbar (verschraubbar) gegenüber dem Lasttrageglied 30.
Die zur Messung von Drücken bestimmte Messdose nach Fig. 6 kann in eine Universalmessdose umgewandelt werden, die sowohl Druck- als auch Zugkräfte misst. Hierzu brauchen nur die Löcher in das Lasttrageglied 30 und in die Oberfläche 82 des Fortsatzes 80 eingearbeitet zu werden. Z. B. kann man Gewindeanschlüsse in dem Oberende des Last tragegliedes 30 anbringen, um die Messdose zu befestigen; und ein Lastankupplungsglied kann mittels eines Schraubanschlusses bei 82 in den Fortsatz 80 des Lasttragegliedes 30 eingesetzt werden, so dass eine Lastspannung eine Verformung und Anzeige der Messdose wie beschrieben hervorruft. Der Überlastungsschutz sowohl gegen direkte und Rückprall überlastung ist gleichmässig wirksam, wenn die Messdose für die Druck- oder für die Zugmessung benutzt wird.
Fig. 7 ist eine Seitenansicht teilweise im Schnitt einer dritten Ausführungsform einer Kraftmessdose, die hauptsächlich für die Spannungsmessung brauchbar ist. Da die Ausbildung der Lagerung des federnden elastischen Lastmessgliedes mit der bisher erläuterten übereinstimmt, wird darauf nicht näher eingegangen. Die Messdose nach Fig. 7 enthält einen Ring 120 mit zahkeichen daran anschliessenden Fü ssen 121, die den Ring 120 abstützen. Die Füsse 121 können an einem zweiten Ring 122 befestigt sein, der als Grundplatte für die Messdose dient und als Mittel, um das federnde elastische Glied der Dose in einem Gehäuse zu befestigen, wenn dies gewünscht wird.
Eine hohlzylindrische Mittelsäule 130 dient zur Lastaufnahme. Das Oberende dieses Gliedes 130 enthält die Aufbohrung 131 zur Aufnahme einer Sicherungsmutter. Das Unterende des zylindrischen Lasttragegliedes 130 weist die Verjüngung 132 auf, um zu verhindern, dass das Glied 130 unter Last irgendwo anschlägt; besonders dann, wenn grosse Seitenlasten auf das Glied aufgebracht werden, ehe der Messweg der Messdose ausgenutzt ist. Das Unterende des hohlzylindrischen Lasttragegliedes 130 enthält ferner eine untere Bohrung zur Aufnahme eines im folgenden näher beschriebenen Spannungsansatzes.
Das Lasttrageglied 130 ist an den Ring 120 mittels einer Vielzahl von Radialfüssen 141 angeschlossen. Diese sind in gleichen Abständen unterhalb des Ringes 120 zwischen den senkrechten Füssen 121 angebracht. Die senkrechten Füsse 121 und die Radialfüsse 141 haben Ausnehmungen 150 von kleinem Radius in der Nähe ihrer Ansatzstellen unter der Oberfläche des Ringes 120. Auf der Oberfläche des Ringes 120 sind Flächen für die Anbringung von zahlreichen Messstreifen angebracht, ebenso können solche an den Radialfüssen und an den senkrechten Füssen 121 bzw. 141 angebracht sein, wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben.
Ein Spalt 142 ist zwischen den Radialfüssen 141 und dem Grundring 122 vorgesehen. Ebenso ist ein Spalt 133 zwischen dem Unterende des Lasttragegliedes 130 und der Grundplatte bzw. dem Boden des Gehäuses vorgesehen, in welchen die Messdose eingebaut wird. Diese Spalte dient besonders als Überlastungssicherung, vor allem dann, wenn die Messdose auf Spannung bzw. Dehnung beansprucht wird. Der Spalt 133 kann nach Wahl schmaler sein als die Spalte 142. Werden diese verschiedenen Abmessungen gewählt, so wird erreicht, dass das Lastaufnahmeglied 130 sich etwas eher aufsetzt als die Radialfüsse 141. Auf diese Weise wird die nachteilige Wirkung einer Überlastung des Federringes 120 abgefangen, ehe die Radialfüsse 141 dieses Ringes sich auf den Grundring 122 abstützen.
Wenn eine Last axial zum Lasttrageglied 130 angreift, so wird diese durch die Radialfüsse 141 weitergeleitet, welche am Lasttrageglied 130 befestigt sind. Dann wird die Last weiter auf den Ring 120 geleitet. Eine Belastung des Lasttragegliedes 130 wird sich auf die Radialfüsse 141 als Druck auswirken.
Diese Kraft wird dann als Zugbeanspruchung auf das federnde Lastmessglied weitergeleitet.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Messdose besteht darin, sie soweit wie möglich einstückig auszubilden, andernfalls die Teile mittels Schweissoder Lötverbindungen aneinanderzuschliessen und eine rotationssymmetrische Ausführung aller Bauteile zu bevorzugen. Auf diese Weise wird die beschriebene Messdose leicht einer Massenfertigung zugänglich. Alle Bauteile lassen sich drehend bearbeiten.
Dies gilt für die eigentliche Messdose sowie für die Bestandteile des sie umgebenden Gehäuses einschliesslich der Membranen. Die Membranen werden zweckmässig aus Metall gestanzt und die Rillen eingedrückt.
Load cell with flat, elastic measuring element
The invention relates to a load cell with a flat, elastic measuring element.
Flat load cells with a funnel-shaped load measurement element and strain gauges attached to it have already been proposed. With these load cells, the load is applied to the measuring element from above by means of balls. The invention regards this as a disadvantage. It solves the task of introducing the force only from below via links designed for this purpose, which also serve to protect against overload. Equipping load cells with overload protection is widely known. However, the invention takes the new route of mechanically securing a flat load cell with a flat measuring element against overloading and against rebounding in the event of a shock load.
To solve this problem, the load cell according to the invention consists of a flat, elastic measuring element and stretch marks attached to it, the measuring element being alternately supported in the circumferential direction on the base and being acted upon by the force to be measured. The invention consists in the fact that the measuring element has a plurality of feet pointing only to one side and forming a piece with it.
The measuring element of the load cell is preferably ring-shaped in a design known from another context. The feet are then preferably connected radially to the centrally attached load bearing member by a spider. These main feet are advantageously permanently supported on the base. It is also expedient to arrange secondary feet which are shorter than the main feet in such a way that the secondary feet are only supported on the base when there is a certain overload.
Similar to a model, this load cell can be produced in many sizes. It can be built cheaply, withstands undesired torques and compensates for eccentric load effects.
The load cell according to the invention can be produced from a single piece of metal. It therefore has a low mechanical hysteresis.
The load cell is advantageously designed in such a way that it positively limits the measuring path of the load measuring element and the load bearing element. It conveniently contains large, smooth surfaces for attaching the measuring strips for both tensile and compressive forces.
All of these gauges can be placed on a single surface. When this happens, the space filling of the new load cell allows all measuring strips to be easily attached and switched together.
In addition, positive overload protection and protection against rebound in the event of a shock load can be achieved with the load cell.
The entire measuring element can be machined from a single piece of metal, which reduces the undesired hysteresis coefficients of the load cell.
Conversely, the deformability of the load measuring element can be brought to a maximum value by providing the attachment points of the feet with indentations so that the element can deform more strongly and more evenly.
Appropriately, a rounding of the apex of the load-bearing member equals the eccentric load-bearing auls. If the elastic load measuring element is bent to the limit of its elastic deformation, the feet will sit on the bottom of the can and prevent further deformation of the element.
The measuring strips or other load measuring members are preferably attached to the upper surface of the flat, elastic ring. However, it is also possible to attach them to the upper and / or lower surfaces of the radial feet adjacent to the spider.
The measuring strips are most conveniently attached to the top ring immediately above each of the downward and radially directed feet and also on the underside. In this way, compressive and tensile forces are measured at an adjacent distance from the ring surface.
Embodiments of the invention are explained in more detail below in connection with the drawing.
Fig. 1 is a diagram of a first embodiment of the load cell according to the invention.
FIG. 2 is a top view of the load cell of FIG. 1.
FIG. 3 is a side view according to FIG. 2 in the left part and a section in the right part, corresponding to the arrow 3 on the right in FIG. 2.
FIG. 4 is a front view according to FIG. 2, corresponding to arrow 4 on the left in FIG. 2; the right part of FIG. 4 is a section along the arrow 4 on the right in FIG. 2.
Fig. 5 is a side view, partly in center section, of another embodiment of the invention.
6 is a cross section through a load cell built into a housing.
7 is a side view, partially in section, of a third exemplary embodiment of a load cell according to the invention for the special case of voltage stress due to the load.
In general, a load cell can be seen in FIGS. 1 to 4, the ring-shaped load measuring element 20 of which has a number of feet 21 which, directed downwards, support the ring 20. The feet 21 are attached to a second ring 22, which serves as the base plate of the load cell. A cylinder 30 is used as a load bearing member. The upper end 31 of the cylinder 30 is rounded in order to compensate for loads which are placed eccentrically on the load bearing member 30. As best seen in Figs. 3 and 4, the lower end of the load bearing member 30 is tapered at 32 to prevent it from hitting a portion of the base plate when large side loads are placed on the member 30 before the Load cell is fully utilized. The load bearing member 30 is attached to the ring 20 or coupled to it by means of a number of radial feet 41.
These connections run below the ring 20 at a distance between the downwardly directed feet 21.
These feet 21 and the radial feet 41 have grooves or other recesses 50 of small radius where they adjoin the ring 20 below the latter. The ring 20 has smooth surface wedges 60 for attaching tension measuring strips above the connection points of the feet 21 and 41.
As can best be seen in FIGS. 3 and 4, a small space 42 is provided between the radial feet 41 and the base ring 22. A small gap 33 is also provided between the lower end of the load bearing member 30 and a base plate which is arranged below the base ring 22. These gaps are provided to enable the member 30 to move vertically when pressure is applied to the head 31. It may be desirable to make the gap 33 between the load bearing member 30 and the base plate under the base ring 22 smaller than the gap 42 between the radial feet 41 and the base ring 22.
The advantage of this measure would be that the load bearing member 30 is supported a little earlier than the radial feet 41, and that the member 30 therefore mainly absorbs the overload forces and thus prevents deformation of the spring ring 20 before the radial feet 41 have supported themselves on the base ring 22.
When a load is placed vertically on the load head 31, the load bearing member 30 conducts this axially acting load by means of the spider 40 through the radial feet 41 onto the load measuring ring 20. A load that presses on the head 31 claims the intermediary of the radial feet 41 adjacent surfaces 60 in compression, the adjacent portions 60 on the opposite upper surface of the ring 20 above the downwardly directed feet 21 are correspondingly subjected to tension. The measuring strips 61 (FIG. 2) can then be connected to a common measuring circuit, which is not shown, and which, when energized, then emits an electrical quantity that is proportional to the load that acts on the head 31.
Although the two examples explained in the description relate to the measurement of compressive load, it is understandable that when the member 30 is subjected to tensile stress, the elastic measuring member 22 responds in the same way, for which the simplest thing is to replace the load measuring ring 20 and the base ring 22.
The use of resilient material for the load measuring element 20 with its cooperating vertical feet 21 and radial feet 41 for the spider 40 and with the recesses 50 on the lower surface of the top ring 20 provides points of attachment of the highest deformation stress for the measuring strips. Also, if the load is perpendicular, the deformation will be uniform across each foot, and the gauges that are evenly centered above the feet 21 and 41 will all show the same amount of deformation.
The adjoining parts of the top ring 20 provide positive and negative deformation values depending on a load that acts on the support member 30. The interaction of the rounded load head 31 and the coupling action of the spider 40 reduces undesirable secondary forces if the load should exert a torque.
As can be seen particularly clearly in the top view of FIG. 2 and the cross-sections of FIGS. 3 - and 4, the load cell can be formed or machined from a single piece, as a result of which undesired mechanical hysteresis effects are avoided. If desired, all of the gauge strips 61 can be applied or etched to the same surface. All measuring strips 61 can therefore be applied to the surface 60 at the same time.
If, with such a joint application, the measuring strips 61 are not attached exactly centrally above each radial foot 41 or vertical foot 21, the measurement display of the deformation in the case of a bridge circuit is not significantly affected because the offset from the center will be the same for each measuring strip 61 and compensate for the individual errors in the bridge circuit. If the measuring strips are attached as shown in Figure 2, it is easier to attach all the strips at once. The dimensions of the measuring cell have only a slight influence on the linear, resilient deformation of the elastic ring 20 and on the linear display of the measuring path that the circuit of the measuring strips 61 shows.
If this should be desired, measuring strips can also be attached to the spider 40 and the adjoining upper and lower surfaces of the radial feet 41. The total size of the surface in this case corresponds to surface 60 in FIG. 1.
Half of the measuring strips attached to these radial feet 41 would indicate a compressive force, the other half a tensile force.
In Fig. 5, a load cell of another embodiment of the invention is shown. On the whole, this load cell is similar to the embodiment shown in FIGS. 1 to 4 with the difference that the bottom ring 22 does not have a rigid connection with the downwardly directed feet 21 and the load bearing member 30 is shorter so that the downwardly directed feet 21 can be supported on any type of base plate 70, which can be circular, square or any other desired shape. The only requirement for the base plate 70 is that it forms a level support for each downwardly directed leg 21, and that there are supports in between for the radial feet 41 and the load bearing member 30 when the load cell according to FIG. 5 is overloaded.
The load cell of Figure 5 is not a self-contained, one-piece device like Figure 1; however, the structure of Figure 5 can be more easily manufactured as a unitary cast body if so desired. Even if it has been stated in the previous description that the load cell can be cast or machined in one piece, it is of course also possible to weld the downwardly directed feet 21 and the radial feet 41 to the load measuring element 20 or in some other way with the ring connect to.
Fig. 6 shows a cross section of a pressure load cell 100 in a housing. The load bearing member 30 and the rest of the resilient part of the load cell, designed according to FIGS. 1 to 4, are indicated by dashed lines in the housing. The walls 103 of the housing can e.g. B. be a cylindrical seamless steel tube with an expanded clear cross-section 105 for receiving the housing bottom 104. This bottom 104 can be attached to the wall 103 by screwing into the widened part 105, or the bottom 104 can be attached to the connection surface 106 between wall 103 and Bottom 104 be welded or soldered.
The bottom 104 of the housing has an opening 107 in the middle. An extension 80 of the load bearing member 30 can protrude through the opening 107 of the bottom 104 and z. B. be connected to the load bearing member 30 by screwing. It should be expressly emphasized that the connection of the extension member 80 to the load-bearing member 30 has nothing to do with the positive stop protection against overloading of the load-carrying member 30 on the floor 104. A lower sealing membrane 102 and an upper sealing membrane 101 can seal off the interior of the encapsulated measuring cell from the outside air.
However, these membranes do not form part of the invention.
It was found that suddenly applied loads shift the zero point of the elastic member in the direction of the load support. If the load cell has overload protection in the form of a mechanical stop, as has been described with reference to FIGS. 1 to 5, the recoil from this mechanical stop can cause the zero point to be shifted in the opposite direction. If the shock values increase, the load-side display of the measuring strips via a bridge circuit with regard to the overload protection of the elastic member of the load cell is not much influenced. However, the display in the rebound direction can increase and lead to a significant zero point shift in the opposite direction if no remedy is found for this error.
6 shows how this rebound protection is designed. The load bearing member 30 carries on its extension 8 (> a flange 81, the surface 83 of which strikes the opposite surface of the bottom 104 of the housing according to FIG The extension member 80 and therefore also the flange 81 and the stop surface 83 are adjustable (screwable) with respect to the load bearing member 30.
The load cell according to FIG. 6 intended for measuring pressures can be converted into a universal load cell which measures both compressive and tensile forces. For this purpose, only the holes need to be worked into the load bearing member 30 and into the surface 82 of the extension 80. For example, threaded connections can be made in the top of load bearing member 30 to secure the load cell; and a load coupling member can be inserted into the extension 80 of the load bearing member 30 by means of a screw connection at 82, so that a load voltage causes a deformation and display of the load cell as described. The overload protection against direct and rebound overload is equally effective when the load cell is used for pressure or tension measurement.
Fig. 7 is a side view, partly in section, of a third embodiment of a load cell useful primarily for measuring tension. Since the design of the mounting of the resilient elastic load measuring element is the same as that explained so far, it will not be discussed in more detail. The load cell according to FIG. 7 contains a ring 120 with numerous feet 121 which support the ring 120. The feet 121 can be attached to a second ring 122 which serves as a base plate for the load cell and as a means to secure the resilient resilient member of the cell in a housing, if so desired.
A hollow cylindrical center column 130 is used to absorb the load. The upper end of this link 130 contains the counter bore 131 for receiving a lock nut. The lower end of the cylindrical load bearing member 130 has the taper 132 to prevent the member 130 from hitting anywhere under load; especially when large side loads are applied to the link before the measuring path of the load cell is used up. The lower end of the hollow cylindrical load bearing member 130 also contains a lower bore for receiving a stress approach described in more detail below.
The load bearing member 130 is connected to the ring 120 by means of a multiplicity of radial feet 141. These are attached at equal intervals below the ring 120 between the vertical feet 121. The vertical feet 121 and the radial feet 141 have recesses 150 of a small radius in the vicinity of their attachment points below the surface of the ring 120. On the surface of the ring 120 there are surfaces for the attachment of numerous measuring strips, as well as those on the radial feet and on be attached to the vertical feet 121 and 141, as described in connection with FIG.
A gap 142 is provided between the radial feet 141 and the base ring 122. Likewise, a gap 133 is provided between the lower end of the load bearing member 130 and the base plate or the bottom of the housing, in which the load cell is installed. This gap is especially used as an overload protection, especially when the load cell is stressed or stretched. The gap 133 can optionally be narrower than the gap 142. If these different dimensions are selected, it is achieved that the load-bearing member 130 sits down a little earlier than the radial feet 141. In this way, the disadvantageous effect of overloading the spring ring 120 is absorbed, before the radial feet 141 of this ring are supported on the base ring 122.
If a load acts axially on the load-bearing member 130, it is passed on through the radial feet 141 which are fastened to the load-bearing member 130. Then the load is passed on to the ring 120. A load on the load bearing member 130 will act on the radial feet 141 as pressure.
This force is then passed on to the resilient load measuring element as a tensile load.
A particularly advantageous embodiment of the load cell is to make it as one-piece as possible, otherwise the parts are connected to one another by means of welded or soldered connections and a rotationally symmetrical design of all components is preferred. In this way, the load cell described is easily accessible for mass production. All components can be machined while rotating.
This applies to the actual load cell as well as to the components of the housing surrounding it, including the membranes. The membranes are conveniently punched from metal and the grooves are pressed in.