LU83065A1 - MEASURING CELL FOR A STRING MEASURING DEVICE - Google Patents
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Description
Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)Mettler Instrumente AG, Greifensee (Switzerland)
Messzelle für ein SaitenmessgerätMeasuring cell for a string measuring device
Die Erfindung betrifft eine Messzelle für ein Saitenmessgerät zur Kraft-, Druck- oder Wegmessung, umfassend eine Messsaite mit zugehörigen Einspannelementen sowie Anregungselemente für transversale Saitenschwingungen.The invention relates to a measuring cell for a string measuring device for force, pressure or displacement measurement, comprising a measuring string with associated clamping elements and excitation elements for transverse string vibrations.
5 Bei derartigen Messzellen ist jeweils eine Mehrzahl von sich teilweise widersprechenden Forderungen und Bedingungen zu beachten. Jedenfalls dann, wenn es um Präzisionsmessgeräte mit entsprechend hohen Anforderungen an die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen 10 geht, sind diese Forderungen regelmässig nur teilweise, in Form von Kompromissen als Resultat von Optimierungsbetrachtungen, erfüllbar. Von zentraler Bedeutung sind dabei die Saite selbst und die ihr unmittelbar zugeordneten Bauelemente wie beispielsweise Knotenmassen 15 und Einspannungs- und/oder Koppelglieder. Auf wesentliche Eigenschaften der Messzelle, wie hohe Schwinggüte (stabile Schwingungen), grosser Signalhub oder geringe Empfindlichkeit gegenüber Temperatur- und anderen Stör- - 2 - einflüssen, haben Material und Geometrie der einzelnen Elemente sowie die Art und Weise ihrer Kombination einen bestimmenden Einfluss. Der bestmöglichen Ausnützung an sich gegebener Möglichkeiten stehen dabei neben 5 physikalischen Gegebenheiten oft Fertigungsprobleme und/ oder Kostenüberlegungen entgegen.5 In the case of such measuring cells, a number of contradicting requirements and conditions must be observed. In any case, when it comes to precision measuring devices with correspondingly high demands on the accuracy and reproducibility of the measurements 10, these requirements can regularly only be partially met, in the form of compromises as a result of optimization considerations. The string itself and the components directly associated with it, such as node masses 15 and clamping and / or coupling elements, are of central importance. The material and geometry of the individual elements and the way in which they are combined have a decisive influence on essential properties of the measuring cell, such as high vibration quality (stable vibrations), large signal swing or low sensitivity to temperature and other interference. In addition to 5 physical conditions, there are often manufacturing problems and / or cost considerations opposing the best possible use of the possibilities.
Aus der schweizerischen Patentschrift 533 299 ist eine Messsaite bekannt geworden, die, aus einem Stück gefertigt, auch anschliessende - gleichzeitig als Knoten-10 massen fungierende - Einspannelemente, ferner Aufhän-gungsglieder (als Koppelelemente zur Kraftübertragung) und schliesslich Biegegelenke umfasst. Diese bekannte Baugruppe ermöglicht eine sehr gute Entkopplung zwischen der Saite und einerseits dem Gehäuse, anderer-15 seits dem Lastaufnehmer, und damit eine hohe Schwinggüte. Auch ist die Reproduzierbarkeit bei der Herstellung gut. Erkauft werden diese Vorteile durch eine relativ komplizierte und teure Fertigung; ausserdem ist es häufig nachteilig, wenn die ganze Baugruppe aus dem-20 selben Material besteht, schon wegen des unverhältnismässig grossen Materialbedarfs, der bei teurem Saiten-material durchaus ins Gewicht fällt. Auch sind für Saiten an sich besonders geeignete Materialien oft hinsichtlich ihrer Möglichkeiten zur Ver- bzw. Bearbeitung 1 25 sehr problematisch.From the Swiss patent 533 299 a measuring string has become known which, made from one piece, also includes subsequent clamping elements - which also act as knot 10 masses - as well as suspension elements (as coupling elements for power transmission) and finally flexible joints. This known assembly enables a very good decoupling between the string and on the one hand the housing, on the other hand the load receiver, and thus a high vibration quality. The reproducibility in production is also good. These advantages are bought through a relatively complicated and expensive production; In addition, it is often disadvantageous if the entire assembly consists of the same material, if only because of the disproportionately large amount of material that is important in the case of expensive string material. Also materials that are particularly suitable for strings are often very problematic with regard to their possibilities for processing or processing.
In einem weiteren bekannten Saitenmessgerät (deutsche Offenlegungsschrift 25 18 294) werden nicht nur die Einspannelemente, sondern auch die Knotenmassen an die Saite geklemmt. Alternativ werden letztere auch mit der 30 Saite verlötet oder verschweisst. All diese bekannten Methoden haben beachtliche Nachteile hinsichtlich des Herstellungsaufwandes und/oder in ihrer Auswirkung auf die Qualität der Messzelle, z.B. hinsichtlich der - 3 -In another known string measuring device (German laid-open specification 25 18 294) not only the clamping elements but also the knot masses are clamped to the string. Alternatively, the latter can also be soldered or welded to the 30 string. All of these known methods have considerable disadvantages in terms of manufacturing costs and / or their effect on the quality of the measuring cell, e.g. regarding the - 3 -
Schwinggüte und/oder der Langzeitstabilität und/oder der Beanspruchbarkeit (Klemmstellen sind Schwachstellen, Lötstellen wirken dämpfend auf die Schwingungen).Vibration quality and / or long-term stability and / or durability (clamping points are weak points, solder joints dampen the vibrations).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Mess-5 zelle der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, wel-, che eine rationelle Herstellbarkeit mit hoher Qualität verbindet, welche ferner eine weitgehende Freiheit in der Wahl des Saitenmaterials ermöglicht, also auch die Verwendung teuren, hochwertigen Materials erlaubt, ohne 10 dass damit nennenswerte Mehrkosten verbunden wären und ohne deswegen von den bekannten, nachteiligen Methoden jedenfalls bei der Zusammenfügung der Saite selbst und der Knoten Gebrauch machen zu müssen.It was an object of the present invention to provide a measuring cell of the type mentioned at the outset, which combines rational manufacture with high quality, which furthermore allows extensive freedom in the choice of the string material, and therefore also the use of expensive, high-quality material allowed without significant additional costs and therefore without having to make use of the known, disadvantageous methods in any case when assembling the string itself and the knot.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass 15 die Saite angegossene Knoten aufweist. Damit ist bereits eine weitgehende Verbesserung im Sinne der Erfindung erreichbar. Diese Verbesserung wird noch deutlicher, wenn die Saite ferner angegossene Einspannelemente aufweist.According to the invention, this object is achieved in that the string has cast-on knots. A major improvement within the meaning of the invention can thus already be achieved. This improvement becomes even clearer if the string also has cast-on clamping elements.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind zweckmässiger-20 weise an eines der Einspannelemente die Anregungselemente angegossen.In a further development of the invention, the excitation elements are expediently cast onto one of the clamping elements.
Schliesslich können in Weiterführung des Erfindungsge-' dankens ferner Aufhängungselemente angegossen sein. Da mit ergibt sich eine integrale Baugruppe, welche im we-25 sentlichen in einem Arbeitsgang herstellbar ist.Finally, in continuation of the inventive concept, suspension elements can also be cast on. This results in an integral assembly, which can essentially be produced in one work step.
Meist ist es erwünscht bzw. notwendig, weitergehende Massnahmen zur Entkopplung der Saite zu treffen oder die Saite vorzuspannen. Für diese Fälle sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass zwischen Einspann- und 30 Aufhängungselement ein Federelement angeordnet ist. Vorzugsweise ist dabei das Federelement ebenfalls angegos- ♦ - 4 - sen, wenn auch grundsätzlich andere Lösungen praktikabel sind, so z.B. das nachträgliche Zwischenschalten einer Metallfeder.It is usually desirable or necessary to take further measures to decouple the string or to pretension the string. For these cases, a development of the invention provides that a spring element is arranged between the clamping element and the suspension element. Preferably, the spring element is also cast on ♦ - 4 - sen, although basically other solutions are practicable, e.g. the subsequent interposition of a metal spring.
Zur Zeit wird eine Ausbildung bevorzugt, bei welcher 5 die Saite aus einer Metallegierung besteht. Dabei ist ‘ es besonders vorteilhaft, wenn die Saite aus amorphemAn embodiment is currently preferred in which the string consists of a metal alloy. It is particularly advantageous if the string is made of amorphous
Metall besteht. Diese Materialgruppe weist im Hinblick auf die eingangs genannten Anforderungen an die Saite sehr günstige Eigenschaften auf, und die gemäss der Er-10 findung ermöglichte sehr elegante Kombination von Saite einerseits und angegossenem Zubehör andererseits erlaubt einen sparsamen Verbrauch dieses relativ teueren Materials.Metal. This group of materials has very favorable properties with regard to the requirements mentioned at the beginning of the string, and the very elegant combination of string on the one hand and molded accessories on the other hand enables economical use of this relatively expensive material.
Grundsätzlich sind verschiedene Materialpaarungen Saite/ 15 Zubehör möglich, beispielsweise die Kombination unterschiedlicher Metallegierungen. Bevorzugt wird zur Zeit eine Ausführungsform, bei der die angegossenen Elemente aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen.In principle, different material combinations of strings / 15 accessories are possible, for example the combination of different metal alloys. An embodiment is currently preferred in which the cast-on elements consist of glass fiber reinforced plastic.
Eine bevorzugte Ausführungsform mit definierten Schwin-20 gungsrichtungen ergibt sich, wenn die Saite einen rechteckigen Querschnitt hat.A preferred embodiment with defined directions of oscillation results if the string has a rectangular cross section.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der nicht massstäb-lichen Zeichnung im folgenden näher erläutert. In der etwas vergrössernden Darstellung der Zeichnung ist 25 Figur 1 eine Seitenansicht, undAn exemplary embodiment is explained in more detail below with reference to the drawing, which is not to scale. In the somewhat enlarged representation of the drawing, FIG. 1 is a side view, and
Figur 2 ein Längsschnitt entlang der Linie II - II in Figur 1 einer gemäss der Erfindung gestalteten Saitenmesszelle.FIG. 2 shows a longitudinal section along the line II-II in FIG. 1 of a string measuring cell designed according to the invention.
Eine flache Saite 10 mit rechteckigem Querschnitt ist an 30 ihren beiden Enden in je ein Einspannelement 12 bzw. 14 eingelassen. Das Einspannelement 12 hat die Form eines U.A flat string 10 with a rectangular cross-section is let in at both ends in a clamping element 12 or 14. The clamping element 12 has the shape of a U.
- 5 -- 5 -
An seinen beiden Enden sind, einander gegenüberliegend angeordnet, zwei Anregungselemente 16 in Form von Dauermagneten eingelassen. Zwischen den beiden Einspannelementen 12 und 14 sowie im freien Innenraum des U ist an 5 die Saite 10 je eine Knotenmasse 18 angegossen. Die Enden der Baugruppe werden gebildet von je einem Aufhänge-‘ oder Koppelelement 20, in denen je eine Bohrung 22 zurArranged opposite one another at its two ends are two excitation elements 16 in the form of permanent magnets. Between the two clamping elements 12 and 14 and in the free interior of the U, the string 10 is cast onto a knot mass 18. The ends of the assembly are each formed by a suspension 'or coupling element 20, in each of which a bore 22 for
Aufnahme eines Bolzens, einer Schraube oder eines ähnlichen Bauteils für die Montage der Baugruppe vorgese-• 10 hen ist. Die Aufhängeelemente 20 dienen zur Kraftübertragung, wobei das eine mit dem ortsfesten Teil des Gerätes, das andere mit dem Lastaufnehmer verbunden wird. Zwischen Aufhängeelement 20 und Einspannelement 12 bzw.Inclusion of a bolt, a screw or a similar component for the assembly of the assembly is provided. The suspension elements 20 are used for power transmission, one being connected to the fixed part of the device, the other to the load receiver. Between suspension element 20 and clamping element 12 or
14 ist je ein Federelement 24 vorgesehen, wobei letztere 15 als Hohlprofil ausgebildet sind und zur Schwingungsmäs-sigen Entkopplung der Saite 10 dienen.14, a spring element 24 is provided, the latter 15 being designed as a hollow profile and used for decoupling the string 10.
Eine verbesserte Haftung der Saite an den Koppeln und Knoten kann durch geeignete Formgebung der Saite erreicht werden. Dies kann mittels Ausschnitten, Löchern oder 20 durch Verbiegen der Saite (Verankerung 26) oder durch eine Aufrauhung der Oberfläche, wie dies mit z.B. Sandstrahlen erreicht werden kann, erfolgen.Improved adhesion of the string to the paddocks and knots can be achieved by suitable shaping of the string. This can be done by means of cutouts, holes or 20 by bending the string (anchor 26) or by roughening the surface, as is done e.g. Sandblasting can be achieved.
Die Baugruppe kann über ihre ganze Länge dieselbe Dicke 4 aufweisen (vgl. Figur 2). Dabei bestehen die Elemente 25 12 - 20 - 24 bzw. 14 - 20 - 24 durchgehend aus Kunst stoff und sind über die eingelassene Saite 10, deren Knoten 18 aus demselben Kunststoff bestehen, zu einer integralen Baugruppe miteinander verbunden. Eine solche Baugruppe kann mittels bekannter Giesstechniken sehr 30 massgenau hergestellt werden, gegebenenfalls auch gleichzeitig in einer Mehrzahl von Stücken.The assembly can have the same thickness 4 over its entire length (see FIG. 2). The elements 25 12 - 20 - 24 and 14 - 20 - 24 consist of plastic and are connected to each other via the recessed string 10, the knots 18 are made of the same plastic, to form an integral assembly. Such an assembly can be manufactured to exact dimensions using known casting techniques, if necessary also simultaneously in a plurality of pieces.
Als Gressstoffe kommen im vorliegenden Fall besonders - 6 -In the present case, the following particulates are particularly useful - 6 -
Materialien mit folgenden Eigenschaften infrage: - Schmelzpunkt merklich tiefer als derjenige des Saitenmaterials - leichte Giessbarkeit 5 ' - Schrumpfung beim Abkühlen (zur besseren Haftung an der Saite) - MassStabilität nach dem Aushärten und Erkalten sowie unter Last - Hydrophobie 10 - hohe Reissfestigkeit - hoher Elastizitätsmodul - hoher elektrischer Widerstand - kleiner Ausdehungskoeffizient mit der Temperatur Glasfaserverstärktes Polyphenylensulfid, wie es bei- 15 spielsweise unter dem Namen "Ryton 4" erhältlich ist, erfüllt die meisten der genannten Forderungen in nahe-zu idealer Weise.Materials with the following properties in question: - Melting point noticeably lower than that of the string material - Easy to cast 5 '- Shrinkage when cooling (for better adhesion to the string) - Dimensional stability after hardening and cooling as well as under load - Hydrophobicity 10 - high tensile strength - high modulus of elasticity - high electrical resistance - small expansion coefficient with the temperature Glass fiber reinforced polyphenylene sulfide, as it is available for example under the name "Ryton 4", fulfills most of the requirements mentioned in an almost ideal way.
Für das Saitenmaterial sind im wesentlichen die folgenden Kriterien massgebend: 20 - Hohe Reissfestigkeit - gute Korrosionsfestigkeit - geringe Hysterese nach Dehnung - kleiner Ausdehnungskoeffizient mit der Temperatur Ferner soll die Saite häufig eine hohe Wechselfestig- 25 keit und eine geringe Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls von der Temperatur aufweisen und antimagnetisch sein. Eine Materialgruppe, welche diese Bedingungen weitgehend erfüllt, sind geeignete Legierungen aus der Familie der amorphen Metalle (auch metallische Gläser 30 genannt). Hier kommen beispielsweise infrage Eisen-Bor-Legierungen der Zusammensetzung Fe80B20' ferner solche, die mit etwas Chrom oder einem anderen Uebergangsele-ment legiert sind. Letztere ermöglichen die Einstellung - 7 - eines besonders niedrigen Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls.The following criteria are essential for the string material: 20 - high tensile strength - good corrosion resistance - low hysteresis after stretching - small coefficient of expansion with temperature. Furthermore, the string should often have high fatigue strength and little dependence of the elastic modulus on temperature and be non-magnetic. A group of materials which largely meets these conditions are suitable alloys from the family of the amorphous metals (also called metallic glasses 30). For example, iron-boron alloys with the composition Fe80B20 'are also suitable here, which are alloyed with a little chromium or another transition element. The latter make it possible to set a particularly low temperature coefficient of the elastic modulus.
Im Rahmen der Erfindung sind mancherlei Variationen möglich. So können beispielsweise statt der Permanent-5 magnete 16 auch Magnetspulen in das Einspannelement 12 eingelassen sein. Auch die Dimensionen sind in einem weiten Rahmen wählbar; so wurden beispielsweise Saiten von wenigen Millimetern Breite und mit einer Dicke von nur einigen Hundertsteln eines Millimerters eingesetzt. 10 Gerade auch im Hinblick auf solch kleine Dimensionen ist die durch die Erfindung ermöglichte exakte und reproduzierbare Positionierung der Knoten, aber auch der Anregungselemente von besonderem Vorteil. Im übrigen sei nochmals erwähnt, dass zwar bei der Ausführung der 15 Erfindung in der Art des Ausführungsbeispiels, also bei der Herstellung als quasi integrierte Messzelle mit Saite, Knoten, Einspann- und Aufhängungselementen die Vorteile der Erfindung besonders deutlich werden, dass aber auch Teilkombinationen bereits einen merklichen 20 Fortschritt mit sich bringen (z.B. wenn nur die Saite mit angegossenen Knoten Anwendung findet).Various variations are possible within the scope of the invention. For example, instead of permanent magnets 16, magnetic coils can also be inserted into the clamping element 12. The dimensions can also be selected within a wide range; for example, strings a few millimeters wide and only a few hundredths of a millimeter thick were used. 10 Especially with regard to such small dimensions, the precise and reproducible positioning of the nodes, but also of the excitation elements, made possible by the invention is of particular advantage. For the rest, it should be mentioned once again that while the embodiment of the invention in the manner of the exemplary embodiment, that is to say when it is produced as a quasi-integrated measuring cell with a string, knot, clamping and suspension elements, the advantages of the invention become particularly clear, but also partial combinations bring noticeable progress (for example, if only the string with cast knots is used).
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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1981
- 1981-01-16 LU LU83065A patent/LU83065A1/en unknown
Cited By (1)
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| NL8103481A (en) * | 1980-12-16 | 1982-07-16 | Mettler Instrumente Ag | MEASURING CELL FOR A SNAP MEASURING DEVICE. |
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