DE102008056714B4

DE102008056714B4 - Elektronische Waage

Info

Publication number: DE102008056714B4
Application number: DE102008056714A
Authority: DE
Inventors: Otto Kuhlmann; Tanja Mück; Gerald PETZOLD; Volker Relling
Original assignee: Sartorius Weighing Technology GmbH
Current assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2028-11-12
Also published as: WO2010054748A3; DE102008056714A1; WO2010054748A2

Abstract

Elektronische Waage mit einer Grundplatte, mit einer Wägeplattform und mit sechs Dehnungsmessstreifen-Kraftaufnehmern, die einerseits mit der Grundplatte und andererseits mit der Wägeplattform verbunden sind, wobei drei Kraftaufnehmer so angeordnet sind, dass sie vertikale Kräfte messen und drei Kraftaufnehmer so angeordnet sind, dass sie horizontale Kräfte messen, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Kraftaufnehmer zur Messung einer vertikalen Kraft und ein Kraftaufnehmer zur Messung einer horizontalen Kraft zu einer Kraftmessbaugruppe (5) zusammengefasst sind, dass diese Kraftmessbaugruppe (5) im Wesentlichen die Form einer vertikalen Platte hat und dass die Dehnungsmessstreifen (16, 19) auf einer Schmalseite der Platte aufgebracht sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Waage mit einer Grundplatte, mit einer Wägeplattform und mit sechs Dehnungsmessstreifen-Kraftaufnehmern, die einerseits mit der Grundplatte und andererseits mit der Wägeplattform verbunden sind, wobei drei Kraftaufnehmer so angeordnet sind, dass sie vertikale Kräfte messen und drei Kraftaufnehmer so angeordnet sind, dass sie horizontale Kräfte messen.
Eine Waage dieser Art ist z. B: aus der DE – OS 1 912 574 bekannt. Dort wird diese Waage zur Messung von Kräften und Momenten, die an Windkanalmodellen angreifen, benutzt. Selbstverständlich kann eine solche Waage auch zur Gewichts-/Massenbestimmung eingesetzt werden.
Die in der DE – OS 1 912 574 beschriebene Waage benötigt jedoch einen erheblichen Herstellaufwand, z. B. für die Montage der sechs Kraftaufnehmer und für das Aufkleben der Dehnungsmessstreifen auf die benutzten ringförmigen Kraftaufnehmer.
Weiterhin ist aus der US 5,490,427 A ein sechsachsiger Lagensensor bekannt, für den die aufgezeigten Nachteile analog gelten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Herstellaufwand einer solchen Waage deutlich zu verringern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass jeweils ein Kraftaufnehmer zur Messung einer vertikalen Kraft und ein Kraftaufnehmer zur Messung einer horizontalen Kraft zu einer Kraftmessbaugruppe zusammengefasst sind, dass diese Kraftmessbaugruppe im Wesentlichen die Form einer vertikalen Platte hat und dass die Dehnungsmessstreifen auf einer Schmalseite der Platte aufgebracht sind.
Durch die Zusammenfassung von je zwei Kraftaufnehmern halbiert sich die Anzahl der zu montierenden Baugruppen. Durch die plattenförmige Bauweise der Kraftmessbaugruppen lassen sich diese einfach herstellen; beispielsweise ist eine gleichzeitige Fertigung mehrerer Kraftmessbaugruppen mittels Drahterosion möglich. Das Aufbringen der Dehnungsmessstreifen auf der ebenen Schmalseite der Platte ist deutlich einfacher als das Aufbringen auf einer gekrümmten Fläche. Bei einer gleichzeitigen Fertigung der Kraftmessbaugruppen ist sowohl die Formgebung durch Drahterosion als auch das Aufbringen der Dehnungsmessstreifen jeweils gleichzeitig in einem Halter möglich, sodass in einem Fertigungsdurchlauf eine Vielzahl von Kraftmessbaugruppen hergestellt werden kann. Werden die Dehnungsmessstreifen in einer vorteilhaften Ausgestaltung in einem Dünnschichtverfahren (z. B. Sputtern) hergestellt und aufgebracht, so lässt sich hier die gleichzeitige Fertigung ebenfalls einsetzen.
Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen haben den weiteren Vorteil, dass sich auf diese Weise sehr hochohmige Dehnungsmessstreifen herstellen lassen. Dadurch sinkt der Stromverbrauch der Waage. Dies ist besonders bei batteriebetriebenen Waagen vorteilhaft, da so die Betriebsdauer pro Batteriesatz steigt. Mit Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen lässt sich außerdem eine sehr gute Feuchteunempfindlichkeit erreichen.
Wird diese Waage mit drei vertikalen und drei horizontalen Kraftaufnehmern zur Gewichts-/Massenbestimmung benutzt und ist sie richtig zum Schwerefeld der Erde ausgerichtet, so sind die Signale der drei horizontalen Kraftaufnehmer null. Ist die Waage jedoch nicht richtig zum Schwerefeld der Erde ausgerichtet (Schrägstellung der Waage), so ergeben sich von null verschiedene Signale der horizontalen Kraftaufnehmer. (Die Kraftaufnehmer werden im Text weiterhin als horizontale bzw. vertikale Kraftaufnehmer bezeichnet, auch wenn sie bei schräg stehender Waage etwas von der horizontalen bzw. vertikalen Richtung abweichen.) Aus den Signalen der horizontalen Kraftaufnehmer kann dann in der Elektronik der Waage die Größe der Schrägstellung berechnet werden und damit das Summensignal der drei vertikalen Kraftaufnehmer so korrigiert werden, dass auch bei Schrägstellung der Waage das richtige Gewicht bzw. die richtige Masse angezeigt wird. Ein Nivellieren der Waage ist also nicht notwendig. – Dadurch ist die erfindungsgemäße Waage mit Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen besonders für den Einsatz als mobile Waage geeignet, da sie kein Nivellieren erfordert und gut für den Batteriebetrieb geeignet ist und damit kein Netzkabel erfordert.
Auch der Ecklastabgleich der erfindungsgemäßen Waage ist sehr einfach: Verschiedene Empfindlichkeiten der drei vertikalen Kraftaufnehmer, die zu Ecklastfehlern – also zu verschiedener Waagenanzeige je nach Ort der Last auf der Wägeplattform – führen, werden einfach in der Elektronik der Waage durch Korrekturfaktoren beim Summieren der Einzelsignale der drei vertikalen Kraftaufnehmer ausgeglichen. Die Größe der Korrekturfaktoren wird nach der Montage einmalig ermittelt und in der Elektronik der Waage abgespeichert.
Um ein Übersprechen der vertikalen und der horizontalen Kraftkomponenten innerhalb der Kraftmessbaugruppe zu verhindern, weist diese zweckmäßigerweise einen horizontalen Stab und einen vertikalen Stab zur Krafteinleitung in den zugehörigen Kraftaufnehmer und zur Entkopplung auf. Durch die Bauweise der Kraftmessbaugruppe als Platte lassen sich diese beiden Stäbe leicht durch Schlitze herstellen.
Die Kraftmessbaugruppe kann z. B. einstückig aus einem Blech hergestellt werden. Die groben Konturen können z. B. durch Stanzen hergestellt werden, während die feinen Konturen der eigentlichen Federelemente vorteilhafterweise durch Drahterodieren, Laserschneiden oder ähnliche Verfahren mit hoher Maßhaltigkeit und mit feinem Schnitt hergestellt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Bereiche um die Federelemente getrennt hergestellt und mit dem Rest der Kraftmessbaugruppe verschweißt oder verklebt. In diesem Fall können die Bereiche um die Federelemente aus einem hochwertigen Federmaterial bestehen, während der Rest der Kraftmessbaugruppe aus einem preiswerteren und/oder einfacher zu bearbeitenden Material besteht.
Die drei Kraftmessbaugruppen werden vorteilhafterweise in Aufsicht gesehen in einem Winkel von je 120° gegeneinander versetzt in die Waage eingebaut. Dies kann z. B. an den Seiten eines gleichseitigen Dreiecks erfolgen oder um je 120° versetzt an der Peripherie eines Kreises oder an jeder zweiten Seite eines gleichseitigen Sechsecks (Bienenwabe). Dadurch werden alle horizontalen Kraftkomponenten erfasst, es wird eine gleichmäßige Kraftverteilung erreicht und es tritt keine Überbestimmtheit auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Kraftmessbaugruppe Überlastanschläge gegen zu große vertikale und/oder horizontale Kräfte auf. Dadurch ist eine Sicherung gegen Überlast in allen Richtungen in die Kraftmessbaugruppen integriert und muss nicht extern ergänzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht der Waage in einer ersten beispielhaften Ausgestaltung,
2 eine Seitenansicht der Kraftmessbaugruppe in einer ersten Ausgestaltung,
3 eine Seitenansicht der Kraftmessbaugruppe in einer zweiten Ausgestaltung,
4 eine perspektivische Ansicht der Waage in einer zweiten Ausgestaltung und
5 eine perspektivische Ansicht der Waage in einer dritten Ausgestaltung.
Von der Waage sind in 1 nur die für die Erfindung wesentlichen Teile dargestellt; sie besteht aus einer aus drei Streben 1 zusammengesetzten dreieckförmigen Grundplatte 2, einem ebenfalls aus drei Streben 3 zusammengesetzten Wägeplattform-Unterbau 4 und drei Kraftmessbaugruppen 5. Die Grundplatte 2 ist im Allgemeinen nach unten durch ein – nicht dargestelltes – Bodenblech abgeschlossen und steht auf drei – nicht erkennbaren – Füßen. Der Wägeplattform-Unterbau 4 trägt an den Bohrungen 6 über – nicht dargestellte – Pufferelemente die Waagschale, die der Übersichtlichkeit halber ebenfalls nicht dargestellt ist. Waagschale und Wägeplattform-Unterform 4 bilden die Wägeplattform. Die Waagschale ist dabei in bekannter Weise seitlich neben dem Wägeplattform-Unterbau und den Streben 1 soweit heruntergezogen, dass sie zusammen mit der Grundplatte 2 und dem Bodenblech ein allseitig umschließendes Gehäuse bildet.
Die Kraftmessbaugruppen 5 sind seitlich an die Streben 1 der Grundplatte 2 und an die Streben 3 des Wägeplattform-Unterbaus 4 angeschraubt (Schrauben 7); sie sind in den 2 und 3 in zwei Ausgestaltungen vergrößert dargestellt.
Die Kraftmessbaugruppe 5 weist Löcher 10 zum Festschrauben an den Streben 1 und Löcher 11 zum Festschrauben an den Streben 3 auf. Die Schlitze 12 und 13 dienen dazu, von den Schrauben 7 in die Kraftmessbaugruppe eingebrachte Verspannungen vom restlichen Teil der Kraftmessbaugruppe fernzuhalten. Die von der Kraftmessbaugruppe aufgenommene vertikale Kraft wird von dem Stab 14 auf das eigentlichen Federelement 15 übertragen. Die Dehnungsmessstreifen an der Schmalseite der plattenförmigen Kraftmessbaugruppe sind mit 16 bezeichnet. Die von der Kraftmessbaugruppe aufgenommene horizontale Kraft wird in gleicher Weise durch einen Stab 17 auf das Federelement 18 übertragen und durch die Dehnungsmessstreifen 19 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die beiden Stäbe 14 und 17 dienen zusätzlich der Entkopplung der vertikalen und der horizontalen Kräfte: Wirkt z. B. eine vertikale Kraft auf die Kraftmessbaugruppe ein, so gibt das Federelement 15 ja geringfügig nach. Diese geringe vertikale Absenkung wird durch den Stab 17 nur abgeschwächt als Verbiegung auf das Federelement 18 für die horizontalen Kräfte übertragen. Außerdem bewirkt diese Verbiegung in den beiden Dehnungsmessstreifen 19 gleichsinnige Änderungen, während eine horizontalen Kraft zu einer S-förmigen Verbiegung des Federelementes 18 führt und damit zu einem Differenzsignal. – Entsprechendes gilt für die horizontale Kraft.
Weiter erkennt man an der Kraftmessbaugruppe 5 Überlastanschläge 20, die zu große Kräfte direkt, also unter Umgehung der Federelemente 15 bzw. 18, von den Streben 3 auf die Streben 1 übertragen. Der Weg, um den sich die Federelemente 15 bzw. 18 maximal verbiegen können, ist dabei gleich der Dicke des Schlitzes 21.
Die Kraftmessbaugruppe 5 in 2 ist einstückig z. B. aus einem Blech hergestellt. Die inneren Konturen können dabei z. B. alle durch Drahterodieren oder durch Laserschneiden erzeugt werden. Es ist jedoch auch möglich, die Löcher und die breiten Schlitze z. B. auszustanzen und nur die feinen Schlitze 21 durch Drahterodieren oder Laserschneiden herauszuarbeiten. Durch die gezeichnete Formgebung dient die T-förmige Ausnehmung als gemeinsames Startloch für das Drahterodieren, sodass der Draht nur einmal eingefädelt werden muss. – Auf diese Weise kann die Kraftmessbaugruppe sehr preisgünstig hergestellt werden.
In 3 ist die Kraftmessbaugruppe 5 aus vier Einzelteilen zusammengesetzt: die beiden Federbereiche 22 und 23 und die beiden Verbindungsbereiche 24 und 25. Durch diese Bauweise können die einzelnen Teile nicht nur verschieden bearbeitet werden, sondern auch aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Die Federbereiche 22 und 23, die übrigens im Allgemeinen identisch sind, können aus einem guten Federmaterial hergestellt sein. Durch die geringe Größe dieser Teile wirken sich ein höherer Materialpreis und/oder ein höherer Bearbeitungsaufwand nicht so gravierend aus. Auch für die Herstellung der Dehnungsmessstreifen in einem Dünnschichtprozess sind kleine Teile vorteilhaft. Trotz der Notwendigkeit, die Einzelteile zu verbinden, z. B. durch Schweißen oder Kleben, können die Herstellkosten niedriger sein als bei einstückiger Herstellung.
In 1 sind die drei Kraftmessbaugruppen in den Ecken eines Dreieckes angeordnet. Selbstverständlich sind auch anderer Anordnungen möglich, ohne die Funktionsweise zu verändern. Z. B. können die drei Kraftmessbaugruppen in der Mitte der drei Seiten angeordnet sein.
Die Grundplatte und der Wägeplattform-Unterbau können z. B. auch die Form eines regelmäßigen Sechseckes besitzen und die drei Kraftmessbaugruppen sind an jeder zweiten Seite dieses Sechseckes befestigt. Dies ist in 4 gezeigt. Die Grundplatte 32 und der Wägeplattform-Unterbau 34 haben beide die Form eines regelmäßigen Sechseckes. Die Kraftmessbaugruppen 5 sind an jeder zweiten Seite des Sechseckes befestigt. – Selbstverständlich muss das Sechseck nicht gleichseitig sein, wie in 4 gezeichnet; die drei Seiten, an denen die Kraftmessbaugruppen 5 befestigt sind, können länger oder kürzer sein als die drei Seiten ohne Kraftmessbaugruppe.
In einer dritten Ausgestaltung, wie sie in 5 gezeigt ist, sind die Grundplatte 42 und der Wägeplattform-Unterbau 44 kreisförmig und die drei Kraftmessbaugruppen 5 sind an drei ebenen Flächen, die um 120° gegeneinander versetzt sind, angeschraubt.
Die beiden Ausgestaltungen gemäß 4 und 5 eignen sich besonders gut für eine Waage mit runder Wägeplattform.
In allen Ausgestaltungen können die Grundplatte und der Wägeplattform-Unterbau vorteilhafterweise aus einem Profil, z. B. einem Strangpressprofil, durch Ablängen hergestellt werden. In der kreisförmigen Ausgestaltung können die Grundplatte und der Wägeplattform-Unterbau aus einfachen Rohrabschnitten bestehen, bei denen man die drei ebenen Flächen zum Anschrauben der Kraftmessbaugruppe durch Abfräsen herstellt.
Die einzelnen Dehnungsmessstreifen eines Federelementes werden üblicherweise in einer Halb- oder Vollbrücke verschaltet, deren Ausgangssignal verstärkt und digitalisiert wird. Die digitale Auswertung der vertikalen und der horizontalen Kraftsignale ist allgemein bekannt, sodass sie nicht im Einzelnen erläutert werden muss; vorteilhafte Ausgestaltungen wurden schon beschrieben.
Bezugszeichenliste

1: Strebe der Grundplatte
2: Grundplatte
3: Strebe des Wägeplattform-Unterbaues
4: Wägeplattform-Unterbau
5: Kraftmessbaugruppe
6: Bohrung
7: Schraube
10: Loch
11: Loch
12: Schlitz
13: Schlitz
14: Stab
15: Federelement
16: Dehnungsmessstreifen
17: Stab
18: Federelement
19: Dehnungsmessstreifen
20: Überlastanschlag
21: Schlitz
22: Federbereich
23: Federbereich
24: Verbindungsbereich
25: Verbindungsbereich
32: Grundplatte
34: Wägeplattform-Unterbau
42: Grundplatte
44: Wägeplattform-Unterbau

Claims

Elektronische Waage mit einer Grundplatte, mit einer Wägeplattform und mit sechs Dehnungsmessstreifen-Kraftaufnehmern, die einerseits mit der Grundplatte und andererseits mit der Wägeplattform verbunden sind, wobei drei Kraftaufnehmer so angeordnet sind, dass sie vertikale Kräfte messen und drei Kraftaufnehmer so angeordnet sind, dass sie horizontale Kräfte messen, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Kraftaufnehmer zur Messung einer vertikalen Kraft und ein Kraftaufnehmer zur Messung einer horizontalen Kraft zu einer Kraftmessbaugruppe (5) zusammengefasst sind, dass diese Kraftmessbaugruppe (5) im Wesentlichen die Form einer vertikalen Platte hat und dass die Dehnungsmessstreifen (16, 19) auf einer Schmalseite der Platte aufgebracht sind.
Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (16, 19) in einem Dünnschichtverfahren aufgebracht sind.
Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessbaugruppe (5) einen horizontalen Stab (17) und einen vertikalen Stab (14) zur Entkopplung der horizontalen und der vertikalen Kraftkomponente aufweist.
Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessbaugruppe (5) wenigstens teilweise durch Drahterodieren hergestellt ist.
Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessbaugruppe (5) aus zwei Federbereichen (22, 23) und mindestens einem Verbindungsbereich (24, 25) zusammengesetzt ist.
Waage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federbereiche (22, 23) und der/die Verbindungsbereich(e) (24, 25) miteinander verschweißt sind.
Waage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federbereiche (22, 23) und der/die Verbindungsbereich(e) (24, 25) miteinander verklebt sind.
Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessbaugruppe (5) Überlastanschläge (20) gegen zu große vertikale und/oder horizontale Kräfte aufweist.
Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kraftmessbaugruppen (5) (in Aufsicht gesehen) unter einem Winkel von je 120° versetzt eingebaut sind.
Waage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (2) und der Wägeplattform-Unterbau (4) die Form eines gleichseitigen Dreiecks haben.
Waage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (32) und der Wägeplattform-Unterbau (34) die Form eines regelmäßigen Sechsecks haben.
Waage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (42) und der Wägeplattform-Unterbau (44) kreisförmig sind.
Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Auswerteelektronik die vertikale Gesamtkraft aus der Summe der vertikalen Kraftkomponenten der Kraftmessbaugruppen (5) errechenbar ist, wobei unterschiedliche Empfindlichkeiten der Kraftmessbaugruppen (5) durch in der Auswerteelektronik gespeicherte Korrekturfaktoren ausgleichbar sind.
Waage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteelektronik aufgrund der gemessenen horizontalen Kraftkomponenten die Schrägstellung der Waage errechenbar ist.
Waage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss der Schrägstellung der Waage auf die Umrechnung der Gesamtkraft in die auf der Wägeplattform befindliche Masse in der Auswerteelektronik korrigierbar ist.