DE19640854A1 - Force sensor with integrated hydraulic force/pressure conversion - Google Patents
Force sensor with integrated hydraulic force/pressure conversionInfo
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Abstract
Description
Das technische Gebiet der Erfindung ist im Rahmen der Meßtechnik ganz allgemein die Sensortechnik und dort im besonderen die Signalgewinnung von statischen und/oder dynamischen Kräften, die unter dem Einfluß innerer und/oder äußerer mechanischer Be anspruchungen auf und zwischen Komponenten (Bausteinen) von Maschinen, Vorrichtun gen, Konstruktionen des Bauingenieurwesens, naturgewachsenen geologischen Formatio nen, im Verkehrswesen, Produktion und Fertigung; bei der Gewichtsbestimmung (Wägetechnik) u.v.a.m. entstehen.The technical field of the invention is very general in the field of measurement technology Sensor technology and there in particular the signal acquisition of static and / or dynamic forces that under the influence of internal and / or external mechanical loading stresses on and between components (components) of machines, devices genes, constructions of civil engineering, natural geological formatio in transport, production and manufacturing; when determining weight (Weighing technology) and much more arise.
Kraftaufnehmer mit elektrischer Signalausgabe sowie ihre Sonderformen, die Wägezellen,
stehen heute in vielen Ausführungsvarianten, Bauformen, Meßbereichen und Wir
kungsprinzipien dem Anwender serienmäßig zur Verfügung. Bei der Bestimmung von Ge
wichtskräften Fg, wie sie z. B. von den Massen von Wägegütern oder von Gewichtsstücken
im Schwerefeld der Erde erzeugt werden, erreichen sie z. T. erstaunlich hohe Meßgenauig
keiten:
So werden von den Ausgangssignalen einiger Spitzenprodukte derartiger Kraftaufnehmer,
die vorzugsweise nach dem Dehnungsmeßstreifenprinzip arbeiten [1] in Temperaturgren
zen zwischen -10°C und +40°C Fehlergrenzen von teilweise weniger als 10-4 v.R. bei der
Kalibrierung von Gewichtskräften eingehalten!Force transducers with electrical signal output as well as their special shapes, the load cells, are available to the user as standard in many design variants, designs, measuring ranges and operating principles. In the determination of Ge weight forces F g , as z. B. generated by the masses of weighing goods or weights in the gravitational field of the earth, they reach z. T. amazingly high measuring accuracy:
For example, the output signals of some top products of such force transducers, which preferably work according to the strain gauge principle [1], comply with error limits of sometimes less than 10 -4 vR when calibrating weight forces within temperature limits between -10 ° C and + 40 ° C!
Sieht man einmal von piezoelektrischen Kraftaufnehmern ab - die sich aber auch nicht für quasistatische Kraftmessungen eignen - werden diese guten Meßeigenschaften durchweg mit dem Nachteil erkauft, daß die Meßfederkörper dieser Kraftaufnehmer relativ große Volumina besitzen und bei der Einwirkung ihrer jeweiligen Nennkräfte FN, für die sie im Einzelfall dimensioniert sind, um Nennwege SN ausgelenkt werden, die meist mehrere Zehntelmillimeter betragen.Apart from piezoelectric force transducers - which are also not suitable for quasi-static force measurements - these good measuring properties are all bought with the disadvantage that the measuring spring bodies of these force transducers have relatively large volumes and the action of their respective nominal forces F N , for which they are dimensioned in individual cases to be deflected by nominal paths S N , which are usually several tenths of a millimeter.
Dabei speichern sie in ihren Meßfedern eine elastische EnergieThey store elastic energy in their measuring springs
die bei der Messung dem Meßobjekt entzogen wird. Diese ist um so größer, je geringer die Längssteifigkeitwhich is removed from the measurement object during the measurement. The lower it is, the greater it is Longitudinal stiffness
ihrer Meßfederkörper dimensioniert ist.its measuring spring body is dimensioned.
Bei statischen GewichtskräftenWith static weight forces
FG = gloc·mG (3)F G = g loc.m G (3)
stört SN dieser Energieentzug von Wel die jeweiligen Meßobjekte nicht, weil sich bei Verla gerungen von Gewichtsmassen mG im Zehntelmillimeterbereich die lokale Erdbeschleuni gung gloc nicht meßbar verändert und die Abnahme der in ihnen gespeicherten potentiellen Energie bei diesen Meßobjekten meist in Kauf genommen werden kann.S N this deprivation of energy from W el does not interfere with the respective test objects because the local gravitational acceleration g loc does not change measurably in the case of displacements of weight masses m G in the tenths of a millimeter range and the decrease in the potential energy stored in them is usually accepted with these test objects can.
Werden jedoch Kraftaufnehmer mit derartig großen Nennwegen SN zur Messung z. B. von elastischen Verformungskräften FB eingesetzt, die Bauteile von Meßobjekten in Form me chanischer Aufbauten, Maschinen etc. dem Einfluß von mechanischen Beanspruchungen aus ihrer Umgebung entgegensetzen, so weisen die damit gewonnenen Kraftmeßergeb nisse FB relative MeßabweichungenHowever, force transducers with such large nominal paths S N for measuring z. B. used by elastic deformation forces F B , the components of measuring objects in the form of mechanical structures, machines, etc. to counter the influence of mechanical stresses from their environment, the force measurement results thus obtained show F B relative measurement deviations
auf, die oft hohe zweistellige Prozentwerte erreichen, weil die Bauteilsteifigkeit cB u. U. sehr viel größer ist als die Längssteifigkeit cF der Kraftaufnehmer.which often reach high double-digit percentages because the component stiffness c B u. U. is much greater than the longitudinal stiffness c F of the force transducer.
Noch wesentlich größere Meßverfälschungen sind u. U. in Kauf zu nehmen, wenn mit sol
chen Kraftaufnehmern in Meßobjekten auftretende dynamische, d. h. zeitlich veränderliche
Kraftverläufe zu erfassen sind:
Denn die Längssteifigkeit cF der Kraftaufnehmer bildet mit jeder Meßobjektbauteilmasse
mB, mit der sie nach dem Einbau der Aufnehmer mechanisch gekoppelt ist, ein zusätzli
ches, meist schwach gedämpftes, schwingungsfähiges System mit einer Eigenfrequenz
vonMuch larger measurement errors are u. U. to be accepted if dynamic, ie time-varying force profiles are to be recorded with such force transducers in measuring objects:
Because the longitudinal stiffness c F of the force transducer forms with each measuring object component mass m B , with which it is mechanically coupled after the transducer has been installed, an additional, mostly weakly damped, oscillatory system with a natural frequency of
in deren Nähe durch Resonanzerscheinungen der Frequenzgang des ungestörten Meßob jektes vielfach sogar um Faktoren verzerrt werden kann. in their vicinity the resonance of the frequency response of the undisturbed test object jektes can often be distorted by factors.
Derartige Fehlmessungen sind nur zu vermeiden, wenn cF so groß dimensioniert werden kann, daß die zusätzlichen Eigenresonanzen fo alle oberhalb des interessierenden Fre quenzbereiches des Meßobjektes liegen!Such incorrect measurements can only be avoided if c F can be dimensioned so large that the additional natural resonances f o are all above the frequency range of interest of the DUT!
Die vorstehenden Ausführungen haben gezeigt, daß die exzellenten Meßeigenschaften der meisten marktgängigen Kraftaufnehmer bei Gewichtskraftsbestimmungen völlig verlo ren gehen, wenn Messungen an Kraftquellen durchzuführen sind, deren potentieller und/ oder kinetischer Energieinhalt vergleichbar wird mit Wel nach (1). Abhilfe kann hier nur dann geschaffen werden, wenn es gelingt, Kraftaufnehmer bereitzustellen, deren Längs steifigkeit cF sehr viel größer als bisher üblich ist.The above statements have shown that the excellent measuring properties of most of the current force transducers in weight force determinations are completely lost if measurements are to be carried out on power sources whose potential and / or kinetic energy content is comparable to W el according to (1). This can only be remedied if it is possible to provide force transducers whose longitudinal stiffness c F is much greater than was previously the case.
Aus (1) läßt sich unmittelbar entnehmen, daß sichFrom (1) it can be seen immediately that
bei einem Kraftaufnehmer mit vorgegebener Nennkraft FN nur dann entsprechend vergrö ßern läßt, wenn es gelingt, die bei der Messung aufgenommene Energie Wel drastisch zu reduzieren!with a force transducer with a given nominal force F N can only be increased accordingly if the energy W el absorbed during the measurement can be drastically reduced!
Wie sich aber am besonders anschaulichen Beispiel einer über ihren Querschnitt A von einer konstanten Flächenkraft FF auf Stauchung beanspruchten zylindrischen Meßfeder (Fig. 5) leicht einsehen läßt, gilt dortHowever, it can be seen from the particularly illustrative example of a cylindrical measuring spring ( FIG. 5) that is subjected to compression by a constant surface force F F over its cross section A ( FIG. 5)
Diese Beziehung, die, wenn auch in etwas komplexerer Weise, für alle anderen elastisch beanspruchte Meßfederformen grundsätzlich Gültigkeit hat, weist auf drei unterschiedliche Maßnahmen hin, Wel zu reduzieren:This relationship, which is valid, albeit in a somewhat more complex way, for all other elastically stressed measuring spring shapes, indicates three different measures to reduce W el :
- 1. Verkleinerung der elastisch verformten Bauhöhe H (linearen Abmessungen) der Meßfeder;1. Reduction of the elastically deformed height H (linear dimensions) Measuring spring;
- 2. Verminderung des Maximalwertes F der Materialdehnungen εF, der das Meßfe dermaterial bei Einwirkung seiner Nennkraft FN auf den Kraftaufnehmer unterwor fen wird;2. Reduction of the maximum value F of the material expansions ε F , which the Meßfe dermaterial under the influence of its nominal force F N on the force transducer fen;
- 3. Verkleinern von FN durch eine mechanische Untersetzung, bevor sie als F « FN direkt auf eine Meßfeder mit kleinerer Nennkraft FF einwirken kann.3. Reduction of F N by means of a mechanical reduction before it can act directly as F «F N on a measuring spring with a smaller nominal force F F.
Maßnahme 1. kann sehr wirkungsvoll so lange genutzt werden, bis das Prinzip von Saint Venant so sehr verletzt wird, daß die vom Kraftaufnehmer gelieferten elektrischen Aus gangssignale im Rahmen der geforderten Meßgenauigkeit nicht mehr genügend unab hängig von der Art sind, mit der FF in die Meßfeder eingeleitet wird (punktförmig, flächen förmig etc.).Measure 1. can be used very effectively until the principle of Saint Venant is violated so much that the electrical output signals supplied by the force transducer are no longer sufficiently independent of the type with which F F in within the required measurement accuracy the measuring spring is introduced (punctiform, flat, etc.).
Eine weitere Begrenzung von H nach unten wird von den Abmessungen a der Meßfühlere lemente vorgegeben, die die Materialdehnungen εF direkt oder indirekt in elektrische Ausgangssignale umformen.A further limitation of H downwards is given by the dimensions a of the measuring element, which directly or indirectly transform the material expansions ε F into electrical output signals.
Werden dazu, wie in Bild 5 angedeutet, DMS eingesetzt, so ist deren Gitterlänge g aus schlaggebend. Diese aber kann, z. B. bei Anwendung mikromechanischer Fertigungsme thoden, heute schon auf Werte unter 1/10 Millimeter reduziert werden. If strain gauges are used for this, as indicated in Figure 5, their lattice length g is decisive. But this can, for. B. using micromechanical production methods, can already be reduced to values below 1/10 millimeter.
Maßnahme 2. führt dazu, daß die vom Kraftaufnehmer gelieferten elektrischen Ausgangs signale in ihrer Größe direkt proportional mit F abnehmen und so deren Signal-Rausch- Verhältnis verschlechtert wird. Hier sind aufgrund der Qualität der heutigen mikroelektroni schen Verstärker in der Praxis aber meist noch beträchtliche Reserven nutzbar, ehe von seiten der geforderten Meßgenauigkeit her weiteren Reduktionen von F eine Grenze gesetzt wird.Measure 2. has the result that the electrical output signals supplied by the force transducer decrease in size directly proportional to F and thus their signal-to-noise ratio is deteriorated. However, due to the quality of today's microelectronic amplifiers, considerable reserves can usually still be used in practice before further reductions in F are set on the part of the required measurement accuracy.
Maßnahme 3. schließlich ist theoretisch durch Anwendung der Hebelgesetze sehr einfach zu realisieren, indem FN zunächst auf das kurze Ende a eines in den Kraftaufnehmer inte grierten Hebels wirkt und eine Kraftmeßfeder an dessen langem Ende b nur noch mit der mit dem Hebelarmverhältnis a/b auf FF verminderten Kraft beansprucht. Über mehrgliedrige Balkenanordnungen könnten dabei ggf. sehr große Untersetzungen bewirkt werden. Kon struktive Lösungen dieser Art findet man heute bei Waagen, die kleinere Gewichtskräfte nach dem elektrodynamischen Prinzip messen.Measure 3. Finally, it is theoretically very easy to implement by applying the lever laws, in that F N first acts on the short end a of an integrated lever in the force transducer and a force measuring spring on its long end b only with that with the lever arm ratio a / b force reduced to F F. In this case, very large reductions could possibly be brought about via multi-element bar arrangements. Structural solutions of this kind can be found today in scales that measure smaller weights according to the electrodynamic principle.
Bei größeren Kräften FN < 1KN erfordern derartige Hebelwerke aber meist recht große bauliche Abmessungen, sind teuer in der Herstellung und weisen selber nur begrenzte Bauteilsteifigkeiten auf. Dadurch geht der Gewinn an Längssteifigkeit am Angriffspunkt von FN zum größten Teil verloren. Insbesondere dann, wenn die Hebelgelenke nicht von Schneiden- und Pfannen-, sondern von elastischen Biegegliedern gebildet werden.With larger forces F N <1K N, however , such lever mechanisms usually require quite large structural dimensions, are expensive to manufacture and themselves have only limited component rigidity. As a result, the gain in longitudinal stiffness at the point of application of F N is largely lost. Especially when the lever joints are not formed by cutting and socket members, but by elastic bending members.
Ein weiterer Nachteil von Hebelübersetzungen besteht darin, daß sie auf fadengerade Gelenkachsen angewiesen sind und sich nicht als rotatorische Konstruktionen ausführen lassen.Another disadvantage of lever ratios is that they are on straight lines Articulated axes are instructed and do not run as a rotary construction to let.
Erfindungsgemäß werden dagegen statt solcher Hebelwerke hydraulische Untersetzungen eingesetzt, die den Vorteil haben, sich besonders elegant in rotatorischer Form und dar über hinaus auch noch äußerst kompakt ausbilden zu lassen.In contrast, according to the invention, instead of such lever mechanisms, hydraulic reductions are used used, which have the advantage of being particularly elegant in a rotary form and in addition, to be trained extremely compact.
Dabei wirkt die zu messende Kraft Fm gemäß Bild 1 zunächst auf einen steifen Lastauf nahmekörper 1 (dort zusammengesetzt aus den Komponenten 1a, 1b und 1c), der durch geeignete Mittel geradegeführt wird, bevorzugt aber durch Ringmembranen 17 und 5, mit seiner wirksamen Fläche Aw auf ein hermetisch abgeschlossenes Flüssigkeitsvolumen 2 und erzeugt in diesem einen MeßdruckThereby acts the force to be measured F m as shown in Figure 1, first at a rigid load on acquisition body 1 (here composed of components 1 a, 1 b and 1 c), is currently being performed by any suitable means, but preferably by annular diaphragms 17 and 5, with its effective area A w to a hermetically sealed liquid volume 2 and generates a measuring pressure in it
Dieser Meßdruck könnte gemäß dem Erfindungsgedanken im Bedarfsfalle auf einen zweiten derartigen geradegeführten Kolben mit einer gegen Aw sehr kleinen wirksamen Fläche A₂ wirken und in diesem eine gegen Fm in ihrer Größe stark reduzierten KraftThis measuring pressure could act according to the inventive concept, if necessary, on a second such straight-guided piston with a very small effective area A₂ against A w and in this a force that is greatly reduced in size against F m
hervorrufen, die sich dann mit einem Kraftaufnehmer sehr niedriger Nennkraft messen lie ße. Derartige zylindrische Kraftuntersetzungen sind in der Technik als Differentialkolben bekannt und werden u. a. in hydraulischen Belastungsmaschinen eingesetzt.cause, which could then be measured with a force transducer of very low nominal force eat. Such cylindrical force reductions are known in the art as differential pistons known and u. a. used in hydraulic loading machines.
Nach einer Weiterführung des Erfindungsgedankens wird dieser zweite Umformschritt aber fortgelassen und statt dessen mit Hilfe eines Druckaufnehmers 4 der im ersten Über setzungsschritt gewonnene Meßdruck pm direkt in ein elektrisches Ausgangssignal umge formt. After a continuation of the inventive concept, this second shaping step is omitted and instead, with the help of a pressure transducer 4, the measuring pressure p m obtained in the first transfer step is directly converted into an electrical output signal.
Erfindungsgemäß wird hier bevorzugt auf Druckaufnehmer zurückgegriffen, die nach dem DMS-Prinzip arbeiten und eine Meßmembrane 6 besitzen, die vom Meßdruck pm elastisch so verformt wird, daß rotationssymmetrische Oberflächenzonen mit positiven und auch negativen Oberflächendehnungen ±εF entstehen.According to the invention, pressure transducers are preferably used here, which work according to the strain gauge principle and have a measuring membrane 6 which is elastically deformed by the measuring pressure p m in such a way that rotationally symmetrical surface zones with positive and also negative surface strains ± ε F arise.
Erfindungsgemäß haben diese Meßmembranen hier zur Druckseite hin eine ebene Ober fläche, auf der Gegenseite dagegen können sie z. B. abschnittsweise Kegelstrukturen auf weisen, in denen die Oberflächendehnungen ±εF auf diese Weise dem Betrag nach etwa gleich und weitgehend homogen sind.According to the invention, these measuring membranes have a flat upper surface on the pressure side, on the other hand, however, they can, for. B. in sections have conical structures in which the surface strains ± ε F are approximately the same in this way and largely homogeneous.
Erfindungsgemäß kommen beim heutigen Stand der Technik hier aber besonders vorteil haft auch mikromechanisch gefertigte Druckaufnehmer zum Einsatz, die durchwegs beid seitig ebene Membranen besitzen. Diese sind entweder aus metallischen Federmaterialien gefertigt und werden in Sputterverfahren mit DMS-Gittern aus metallischen Widerstands material bedeckt. Bei einer weiteren Aufnehmerart werden die Membranen monolithisch aus einem kristallinen Halbleitermaterial hergestellt, in das dann Halbleiter-DMS eindotiert werden.According to the present invention, however, are particularly advantageous in the current state of the art micromechanically manufactured pressure transducers are also used, which consistently do both have flat membranes on one side. These are either made of metallic spring materials are manufactured and are sputtered with strain gages made of metallic resistance material covered. Another type of transducer makes the membranes monolithic made of a crystalline semiconductor material, into which semiconductor strain gages are then doped will.
Derartige Druckaufnehmer sind in diesem Zusammenhang deswegen so vorteilhaft, weil sie sehr kleine Abmessungen und ArbeitsvoluminaSuch pressure transducers are so advantageous in this context because they have very small dimensions and working volumes
VA = Amembran·SHub (11)V A = A membraneS stroke (11)
von z. T. weniger als 0,1 mm³ aufweisen können! Die von solchen Druckaufnehmern bei Einwirkung des Nenndruckes gespeicherte elastische Energie beträgt mitfrom Z. T. can have less than 0.1 mm³! The from such pressure transducers Influence of the nominal pressure stored elastic energy amounts to
Diese Energiebeträge liegen um Größenordnungen unter dem Energiebedarf handelsübli cher Kraftaufnehmer.These amounts of energy are orders of magnitude below the energy requirements of the commercial market cher force transducer.
Kraftaufnehmer mit integrierten Kraft-Druck-Umformern sind an sich in der Technik schon seit vielen Jahren bekannt. Bei diesen steht aber nirgends das Ziel des Erreichens extrem hoher Längssteifigkeit cF und damit sehr kleiner Nennmeßwege SN der Meßkraft FN im Vordergrund; sondern daß sich das Umformverhältnis pm/Fm auch bei Volumenänderun gen der Druckflüssigkeit 2, z. B. durch Temperaturausdehnungen, möglichst wenig ändert.Force transducers with integrated force-pressure transducers have been known per se in technology for many years. Nowhere in these is the goal of achieving extremely high longitudinal stiffness c F and thus very small nominal measuring paths S N of measuring force F N in the foreground; but that the deformation ratio p m / F m even with volume changes gene of the pressure fluid 2 , z. B. changes as little as possible due to thermal expansion.
Denn in allen zur Verfügung stehenden Hersteller-Unterlagen werden für SN Werte zwi schen 0,2 mm bis über 1 mm angegeben, so wie diese auch für die vorbeschriebenen Kraftaufnehmer ohne Kraftuntersetzung typisch sind.Because in all available manufacturer's documents values for S N between 0.2 mm and over 1 mm are given, as they are also typical for the previously described force transducers without force reduction.
Derartige hydraulische Kraftaufnehmer wurden dagegen entwickelt wegen ihrer Fähigkeit, problemlos größeren horizontalen Auslenkungen der Lasteinleitung und sowie auch Schiefstellungen des Lastaufnahmekolbens folgen zu können, die auftreten, wenn sich mit ihrem Gewicht aufliegende Meßobjekte durch äußere Störeinflüsse relativ zum Untergrund (Widerlager) etwas verlagern, ohne daß dabei bei den Kraftaufnehmern nennenswerte Reaktionskräfte hervorgerufen werden oder unzulässige Genauigkeitseinbußen hinzuneh men sind. [2], [3), [4].Such hydraulic force transducers, however, were developed because of their ability to easily larger horizontal deflections of the load transfer and as well To be able to follow misalignments of the load-bearing piston that occur when dealing with objects under their weight due to external interference relative to the surface (Abutment) shift a little, without any noteworthy force transducers Reactive forces are caused or inadmissible losses in accuracy men are. [2], [3), [4].
In anderen Fällen, in denen z. B. durch Kugelführungen oder Ringmembranen ein horizon tales Auswandern der Lasteinleitungsposition verhindert wird, wird die gute Integrationsfä higkeit des Hydraulikvolumens über ungleichförmige Flächenkräfte und ! oder exzentrisch angreifende Meßkräfte genutzt. [3], [4]. In other cases, e.g. B. by ball guides or ring membranes a horizon tales emigration of the load application position is prevented, the good integration ability of the hydraulic volume via non-uniform surface forces and! or eccentric attacking measuring forces used. [3], [4].
Ein weiterer Grund dafür, bei derzeit marktgängigen Kraftaufnehmern dieser Art das hy draulische Übersetzungsprinzip anzuwenden, besteht schließlich noch in der Möglichkeit, für den Meßkolben mit seiner Lasteinleitung sowie die Hydraulikflüssigkeit hitzbeständiges Material zu verwenden und den am Meßort gebildeten Meßdruck über ein Kapillarrohr zu einem einige Meter außerhalb der Hitzezone entfernt installierten Druckaufnehmer zu übertragen. [2].Another reason why the hy applying drastic translation principle, there is still the possibility for the volumetric flask with its load introduction and the hydraulic fluid heat-resistant Use material and the measuring pressure formed at the measuring point via a capillary tube to a pressure transducer installed a few meters outside the heat zone transfer. [2].
Gemeinsames Kennzeichen aller hier angeführten Ausführungsarten ist, daß sie über ein relativ großes Hydraulikvolumen verfügen und ihre Membranabdichtungen (Rollmembra nen) nur minimale Längssteifigkeiten (Rückstellkräfte) aufweisen, mit dem Ziel, daß Volu menänderungen nur zu sehr kleinen Nullpunktabweichungen bei den Ausgangssignalen der Druckaufnehmer führen. Maßnahmen zur Kompensation von Volumenausdehnungen sind nirgends beschrieben.A common characteristic of all of the embodiments listed here is that they have a have a relatively large hydraulic volume and their membrane seals (Rollmembra NEN) have minimal longitudinal stiffness (restoring forces), with the aim that Volu changes only to very small zero point deviations in the output signals the pressure transducer. Measures to compensate for volume expansion are not described anywhere.
Die Erfindungsgedanken werden im nachfolgenden anhand der Bilder 1-4 erläutert. Dabei stellen dar:The ideas of the invention are explained below with reference to Figures 1-4. The following represent:
Bild 1: Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer mit obenliegenden Membranring 17 und üblicher Krafteinleitung über ein Kugeldruckstück 18. Figure 1: Cross section through a force transducer according to the invention with an overhead membrane ring 17 and the usual application of force via a ball thrust piece 18 .
Bild 2: Querschnitt durch einen Kraftaufnehmer wie in Bild 1, aber mit einer Krafteinleitung über eine ebene Trennfläche 12 zwischen oberem Lasteinleitungselement 1a und Druck stück 13. Figure 2: Cross section through a force transducer as in Figure 1, but with a force application via a flat separating surface 12 between the upper load application element 1 a and pressure piece 13 .
Bild 3: Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer mit integriertem Kraft- Druck-Umformer mit untenliegender Ringmembran 17 und obenliegender Druckmembran 6. Figure 3: Cross section through a force transducer according to the invention with an integrated force-pressure transducer with a ring membrane 17 at the bottom and a pressure membrane 6 at the top.
Bild 4: Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer mit untenliegender, beidseitig vom Meßdruck beaufschlagter Ringmembran 10 und obenliegender Druckmem bran 6. Figure 4: Cross-section through a force transducer according to the invention with a ring membrane 10 at the bottom and a pressure membrane 6 on both sides, and a pressure membrane 6 at the top.
Bild 5: Seitenansicht eines Kraftaufnehmers mit zylinderförmiger Meßfeder nach dem DMS-Prinzip. Figure 5: Side view of a force transducer with a cylindrical measuring spring based on the strain gauge principle.
Der in Bild 1 gezeigte Kraftaufnehmer setzt sich im wesentlichen aus fünf rotationsförmi gen, vom Kraftfluß Fm seriell durchflossenen Bauteilen zusammen, die untereinander z. B. über nicht dargestellte Schraubverbindungen und eben geschliffene, verklebte Trennfugen hermetisch verschlossen kraftschlüssig miteinander verbunden sind.The force transducer shown in Figure 1 is composed essentially of five rotationsigemi, components flowed through by the force flow F m components, which z. B. are hermetically sealed via non-illustrated screw connections and ground, bonded parting lines.
Teil 1a ist das biegesteife Mittelstück einer Ringmembran (Boot-Membran) 17 und Teil 3a ihr ebenso steifer Außenring. Das Mittelstück 1a enthält außerdem ein sphärisches Kugel druckstück 18, vorzugsweise in monolithischer Verbindung, über das die Meßkraft Fm und ggf. auch störende, horizontale Querkräfte FQ eingeleitet werden. Letztere werden größten teils von einem geradeführenden Membranring 17 aufgenommen und über 3a an einen Hohlzylinder 3b, den Außenring 3c des Druckmembranringes 5 und das Basiselement 3d über dessen Aufstelltrennfläche 14 an daß Fundament 7 abgeleitet.Part 1 a is the rigid middle part of a ring membrane (boot membrane) 17 and part 3 a is its equally rigid outer ring. The center piece 1 a also contains a spherical ball pressure piece 18 , preferably in a monolithic connection, via which the measuring force F m and possibly also disturbing, horizontal transverse forces F Q are introduced. The latter are mostly taken up by a straight diaphragm ring 17 and derived via 3 a to a hollow cylinder 3 b, the outer ring 3 c of the pressure diaphragm ring 5 and the base element 3 d via its installation parting surface 14 to the foundation 7 .
Ein verbleibender Rest von FQ wird über den unten angeordneten Druckmembranring 5, dessen Außenringteil 3c sowie 3d und 14 ebenso ans Fundament 7 abgeleitet, so daß Störeinflüsse durch FQ insgesamt sicher von der Meßsignalbildung eliminiert werden. A remaining remainder of F Q is derived via the pressure membrane ring 5 arranged at the bottom, the outer ring part 3 c, as well as 3 d and 14 of the foundation 7 , so that interference from F Q as a whole is reliably eliminated from the measurement signal formation.
Fm dagegen liegt zum überwiegenden Teil - ein kleiner Anteil wird für die geringfügige Durchbiegung des elastischen Membranringe 17 und 5 verbraucht - über das Kolbenstück 1b und das Zentralstück 1c des Druckmembranteils der äußerst dünnen (< 0,2 mm) Hy draulikflüssigkeitsschicht 2 auf und ruft in dieser einen Meßdruck pm hervor, der gemäß (8) umgekehrt proportional zum wirksamen Querschnitt Aw ist. Letzterer wird näherungsweise von der Kreisfläche mit dem mittleren Durchmesser gebildet, den der Druckmembranring 5 besitzt.F m, on the other hand, is predominantly - a small proportion is used for the slight deflection of the elastic membrane rings 17 and 5 - via the piston piece 1 b and the central piece 1 c of the pressure membrane part of the extremely thin (<0.2 mm) hydraulic fluid layer 2 and causes a measuring pressure p m in it , which according to (8) is inversely proportional to the effective cross section A w . The latter is approximately formed by the circular area with the average diameter that the pressure membrane ring 5 has.
Letzterer hat erfindungsgemäß bevorzugt einen etwa w-förmigen Querschnitt, der so di mensioniert ist, daß die von pm in ihm durch Biegung und Scherung hervorgerufenen ma ximalen Vergleichsspannungen σv im wesentlichen radiusunabhängig und noch so niedrig sind, daß zusätzlich noch gewisse Querkräfte ohne Überlastung aufgenommen werden können. Die druckseitige Oberfläche von 5 ist über der Höchstkraft Fm liegenden Bela stungen jede Berührung mit dem Basisteil 3d vermieden wird.According to the invention, the latter preferably has an approximately w-shaped cross section which is dimensioned such that the maximum comparison stresses σ v caused by p m in it by bending and shearing are essentially radius-independent and are still so low that, in addition, certain transverse forces without overloading can be included. The pressure-side surface of 5 is above the maximum force F m loads any contact with the base part 3 d is avoided.
Auf den aus Sicherheitsgründen denkbaren Einbau durchbiegungsbegrenzender Anschlä ge kann im allgemeinen verzichtet werden, da bei unzulässigen Überlastungen des Kraft aufnehmers im ungünstigsten Fall die hermetische Abdichtung der Hydraulikflüssigkeit 2 zerstört werden kann, woraufhin aber 1c auf 3d aufliegt und in diesem Zustand selbst ex trem große Überlastungen nicht zu einem Sicherheitsrisiko führen.The installation of deflection-limiting stops, which is conceivable for safety reasons, can generally be dispensed with, since in the worst case the hermetic seal of the hydraulic fluid 2 can be destroyed in the event of impermissible overloads of the force transducer, whereupon 1 c rests on 3 d and in this state itself is extremely large overloads do not lead to a safety risk.
Um die angezielten extrem kleinen Nenn-Meßwege gewährleisten zu können, werden er findungsgemäß als Hydraulikflüssigkeiten Materialien mit extrem kleiner KompressibilitätIn order to be able to guarantee the targeted extremely small nominal measuring paths, he will according to the invention as hydraulic fluids materials with extremely low compressibility
eingesetzt, wie z. B. Quecksilber mit κ ∼ 0,3·10-6/bar, oder, wenn dies aus Gründen des Umweltschutzes nicht zweckmäßig ist, statt dessen z. B. auch Glyzerin mit κ ≈ 3·10-5/bar.used such. B. mercury with κ ∼ 0.3 · 10 -6 / bar, or, if this is not appropriate for environmental reasons, instead z. B. also glycerin with κ ≈ 3 · 10 -5 / bar.
Eine entscheidende meßtechnische Anforderung bei derartig auf Längssteifigkeit ausge richteten Kraftaufnehmern besteht darin, daß thermische Volumenausdehnungen der Hy draulikflüssigkeit zu keinen elastischen Formänderungen der Aufnehmergeometrie führen dürfen, weil dies unzulässige Nullpunktsabweichungen im Ausgangsmeßsignal zur Folge hätte.A crucial metrological requirement in such a way based on longitudinal rigidity Directed force transducers is that thermal expansion of the Hy draulic fluid does not lead to elastic changes in the shape of the transducer geometry may, because this results in impermissible zero point deviations in the output measurement signal would have.
Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß eine Ausdehnungskompensation vorgesehen, die aus einem Festkörper 8 mit einem extrem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizien ten αo (z. B. amorpher Quarz, Glaskeramik) besteht, der an geeigneter Stelle in einen Hohlraum 9 im metallischen Aufnehmerkörper eingebettet ist, der den sehr viel größeren Ausdehnungskoeffizient αA besitzt. Zwischen 8 und der Wandung 10 ist nur ein sehr dün ner (0,05 mm) Abstandsspalt 9 vorgesehen, der mit der Hydraulikflüssigkeit 2 ausgefüllt ist und unter dem jeweiligen Meßdruck pm steht.For this reason, according to the invention an expansion compensation is provided, which consists of a solid body 8 with an extremely small thermal expansion coefficient α o (e.g. amorphous quartz, glass ceramic), which is embedded at a suitable location in a cavity 9 in the metallic sensor body, which has the much larger coefficient of expansion α A. Between 8 and the wall 10 only a very thin (0.05 mm) spacing gap 9 is provided, which is filled with the hydraulic fluid 2 and is under the respective measuring pressure p m .
Vollständige Ausdehnungskompensation ist bei einer DimensionierungComplete expansion compensation is one dimensioning
VH·αH = VA·αA-VF·αo (14)V H · H = α · V A -V A α F · α o (14)
erreicht, wobei VH das Hydraulikvolumen, VA das Volumen des Hohlraumes 9 und VF das Volumen des Festkörpers 8 bedeuten, jeweils bei der Referenztemperatur des Kraftauf nehmers gemessen. reached, V H the hydraulic volume, V A the volume of the cavity 9 and V F the volume of the solid 8 mean, each measured at the reference temperature of the force transducer.
Ein entscheidend wichtiges Grundmerkmal besteht erfindungsgemäß darin, daß der Druckmembranring 5 monolithisch mit dem Zentralteil 1c und dem Außenringteil 3c in Verbindung steht, d. h. mit diesen Teilen als Ganzes aus dem Vollen gearbeitet ist. Auf diese Weise wird eine rein metallische Druckabdichtung bewirkt, die vom Meßdruck pm und Auslenkbewegungen der Zentralbauteile 1a, 1b und 1c relativ zu 3c nur elastisch und damit praktisch reibungsfrei verformt wird.A crucially important basic feature according to the invention is that the pressure membrane ring 5 is monolithically connected to the central part 1 c and the outer ring part 3 c, that is to say these parts are worked as a whole. In this way, a purely metallic pressure seal is produced, which is deformed only elastically by the measuring pressure p m and deflection movements of the central components 1 a, 1 b and 1 c relative to 3 c and thus practically without friction.
In diesem Merkmal unterscheidet sich die Erfindung grundliegend vom in [4] S. 122 be schriebenen Stand der Technik, bei der in einen Spalt eingepreßte ebene Membranschei ben in Verbindung mit einer druckseitig darüber aufliegenden, vorzugsweise hochelasti schen bzw. sogar plastischen Abdichtfolie zum Einsatz kommen. Derartige Druckdichtun gen weisen bei Auslenkungen der Zentralbauteile 1 zwangsläufig mechanische Reibungen und Materialüberlastungen auf, aus denen Abnützungserscheinungen, Hystereseeffekte und Einbußen an Meßgenauigkeit resultieren.In this feature, the invention differs fundamentally from the state of the art described in [4] p. 122, in which flat membrane disks pressed into a gap are used in conjunction with a preferably highly elastic or even plastic sealing film overlying the pressure side . Such Druck Dichtun conditions have inevitable mechanical friction and material overloads at deflections of the central components 1 , from which wear and tear, hysteresis effects and loss of measurement accuracy result.
Bei den erfindungsgemäßen Druckmembranringen wird im Gegensatz zum Stand der be schriebenen Technik in Kauf genommen, daß sie bei Auslenkungen in Meßrichtung Rück stellkräfte entwickeln, also eine eigene Längssteifigkeit cM aufweisen und so für Fm einen gewissen Kraftnebenschluß darstellen. Darin ist jedoch infolge der minimalen Auslenkun gen SN von nur wenigen Mikrometern in diesem Zusammenhang kein Nachteil zu erblic ken, da diese Kraftnebenschlüsse Gerätekonstanten darstellen und so einkalibiert werden können.In the case of the pressure membrane rings according to the invention, in contrast to the prior art described, it is accepted that they develop restoring forces in the event of deflections in the measuring direction, that is to say they have their own longitudinal rigidity c M and thus represent a certain force shunt for F m . However, due to the minimal deflections S N of only a few micrometers, no disadvantage can be seen in this connection, since these force shunts represent device constants and can therefore be calibrated in.
Der gravierende Nachteil der derzeitig in der Praxis vorherrschenden Krafteinleitung ge mäß Bild 1 vom Meßobjekt (mit einer üblicherweise eben geschliffenen und gehärteten Berührungsfläche) auf ein kugelkalottenförmiges Lasteinleitungselement 18 mit dem Krümmungsradius rK besteht darin, daß in der Berührungszone beider Teile unter der Einwirkung von Fm ein Hertzscher Pressungszustand entsteht und in Meßrichtung ein Ein senkungsweg SE auftritt, der bei Berührungsflächen aus Stahl nach Hertz beträgt:The serious disadvantage of the force application currently prevailing in practice, according to Figure 1, from the test object (with a contact surface that is usually ground and hardened) to a spherical cap-shaped load introduction element 18 with the radius of curvature r K is that in the contact zone of both parts under the action of F m a Hertzian pressure state arises and a depression path S E occurs in the measuring direction, which for Hertz steel contact surfaces is:
Wie (15) zeigt, steigt dieser Einsenkungsweg unterlinear mit Fm an und addiert sich in vol ler Höhe zu dem Meßweg SF der Meßfeder. Bei den derzeit üblichen Aufnehmerdimensio nierungen werden bei Nennkraft Einsenkwege SE von 0,2 mm < SE < 1 mm erreicht, die somit in der Regel deutlich größer als die Meßwege SF der Kraftaufnehmer selbst sind.As (15) shows, this depression path increases sub-linearly with F m and adds in full height to the measuring path S F of the measuring spring. In the currently usual transducer dimensions, sinking paths S E of 0.2 mm <S E <1 mm are achieved at nominal force, which are thus generally larger than the measuring paths S F of the force transducer itself.
Um diese Nachteile grundlegend zu eliminieren, wird erfindungsgemäß daher gemäß Bild 2 die Meßkraft Fm vom Meßobjekt 13 über eine eben geschliffene Trennfläche 12 auf das ebenso mit einer ebenen Berührungsfläche versehene Krafteinleitungselement 1a des Kraftaufnehmers übertragen und dabei in Kauf genommen, daß horizontale Verlagerungen des Meßobjektes 13 gegenüber dem Widerlager 7 durch reibungsbehaftete Gleitbewe gungen aufgefangen werden müssen. Die dabei entstehenden horizontalen Querkräfte FQ werden dabei zweckmäßiger Weise in bekannter Art durch flüssige Gleitmittel, wie z. B. MoS₂ oder erfindungsgemäß, durch trockene Gleitflächenbeschichtungen, wie z. B. in Sputterverfahren im Vakuum aufgetragene MoS₂-Schichten mit Schichtdicken < 1 µm, auf möglichst niedrige Reibwerte µR < 0,1 herabgesetzt.In order to eliminate these disadvantages basic, according to the invention, therefore, as shown in Figure 2, the measuring force F m from the test object 13 via a flat-ground interface 12 transmitted to the provided also with a planar contact surface force introduction element 1 a of the force transducer and thereby accepted that horizontal displacements of the The object 13 to be measured against the abutment 7 by frictional sliding movements. The resulting horizontal transverse forces F Q are expediently in a known manner by liquid lubricants, such as. B. MoS₂ or according to the invention, by dry sliding surface coatings, such as. B. in sputtering processes in a vacuum applied MoS₂ layers with layer thicknesses <1 µm, reduced to the lowest possible coefficient of friction µ R <0.1.
Die geradführenden Membranringe 17 bzw. 5 müssen daher so dimensioniert werden, daß sie die auftretenden Querkräfte FQ=µR·Fm sicher über die Außenteile 3 ans Widerlager zu leiten vermögen. The straight diaphragm rings 17 and 5 must therefore be dimensioned so that they can safely guide the transverse forces F Q = µ R · F m to the abutment via the outer parts 3 .
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird sinngemäß auch die Auflagefläche 14 des Widerlagers 7 so großflächig wie möglich gestaltet, um auch dort Einsenkwege effek tiv zu eliminieren.According to a further feature of the invention, the support surface 14 of the abutment 7 is designed to be as large as possible in order to effectively eliminate sinking paths there as well.
14 kann dabei grundsätzlich ebenfalls hochgeradig eben gestaltet werden. In principle, 14 can also be designed to be straight.
Erfindungsgemäß kann die Widerlagerberührfläche aber vorteilhafterweise auch als Ku gelkalotte mit sehr großem Krümmungsradius RK gestaltet werden, die ebenfalls mit dem vorbeschriebenen Gleitmitteln mit einem niedrigen Reibkoeffizient ausgestattet sind. Denn dadurch wird es möglich, Parallelitätsabweichungen zwischen der Berührungsfläche 12 des Meßobjektes 13 und dem Widerlager 7 auszugleichen.According to the invention, the abutment contact surface can advantageously also be designed as a spherical cap with a very large radius of curvature R K , which are also equipped with the above-described lubricants with a low coefficient of friction. This makes it possible to compensate for deviations in parallelism between the contact surface 12 of the measurement object 13 and the abutment 7 .
Zu besonders niedrigen Bauhöhen derartiger Kraftaufnehmer und noch geringeren Meßfe derwegen SF kann man jedoch dann kommen, wenn man erfindungsgemäß die Anord nung des Membranringes 17 und des Druckmembranringes gemäß Bild 3 miteinander vertauscht.To particularly low heights of such force transducers and even lower Meßfe therefore S F you can come if, according to the invention, the arrangement of the diaphragm ring 17 and the pressure diaphragm ring according to Figure 3 are interchanged.
Die zentralen Elemente der Bilder 1 und 2 werden dadurch außer 1a, zu entsprechenden Außenteilen 1c bis 1e, die unter Einwirkung von Fm Meßwege SF relativ zum Widerlager 7 ausführen. Umgekehrt werden die Außenteile 3a und 3b der Bilder 1 und 2 zu Zentraltei len, die jetzt direkt über das Widerlagerteil 3d mit dem Widerlager 7 steif verbunden sind.The central elements of Figures 1 and 2 thus become, in addition to 1 a, corresponding external parts 1 c to 1 e which, under the action of F m, measure measurement paths S F relative to the abutment 7 . Conversely, the outer parts 3 a and 3 b of Figures 1 and 2 len to Zentraltei len, which are now connected directly via the abutment part 3 d with the abutment 7 rigid.
Die Anordnung nach Bild 3 hat den Vorteil, daß bei gleichem Außendurchmesser des Kraftaufnehmers den Zentralbauteilen ein wesentlich größerer Querschnitt gegeben wer den kann, in dem die darüber geleitete Meßkraft Fm daher nur entsprechend verkleinerte Dehnungen in Meßrichtung hervorruft. Im Verein mit der Bauhöhenreduzierung können nach Fig. 3 die Gesamtmeßwege SF etwa um den Faktor 2 gegenüber Bild 2 vermindert werden.The arrangement according to Figure 3 has the advantage that given the same outer diameter of the force transducer, the central components can be given a much larger cross section, in which the measuring force F m passed over them therefore only causes correspondingly reduced expansions in the measuring direction. In conjunction with the reduction in overall height, the Gesamtmeßwege S F can be reduced by a factor of 2 compared to Figure 2 of FIG. 3 approximately.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin von Vorteil, die Wandstärke des Teiles 1a zwischen 2 und 12 möglichst klein zu dimensionieren, weil sich dann Ebenheitstoleranzen zwischen 1a und 13 in der Berührungsfläche 12 in gewissen Grenzen durch elastische Verformungen ausgleichen können.According to the invention, it is also advantageous to dimension the wall thickness of part 1 a between 2 and 12 as small as possible, because then flatness tolerances between 1 a and 13 in the contact surface 12 can be compensated within certain limits by elastic deformations.
Eine weitere denkbare Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer zeigt Bild 4: Sie gestattet eine noch effektivere Vergrößerung des auf Kompression von Fm be anspruchten Querschnitts bei vorgegebenem Außendurchmesser des Kraftaufnehmers und bietet den Vorteil, daß sie, wie in Bild 1 und 2, mit einer mit 3d in steifer formschlüssi ger Verbindung stehenden, relativ zum Widerlager unbewegten Außenwand aus den Tei len 3a und 3b hergestellt werden kann.Another conceivable embodiment variant of the force transducers according to the invention is shown in FIG. 4: it allows an even more effective enlargement of the cross section that is subjected to compression of F m for a given outer diameter of the force transducer and offers the advantage that, as in FIGS. 1 and 2, it has a 3 d standing in rigid positive connection, relative to the abutment unmoved outer wall from the parts len 3 a and 3 b can be produced.
Sie ist aber deutlich aufwendiger in der Fertigung, weil die Flüssigkeitsschicht 2 hier über mehrere Ebenen innerhalb des Aufnehmers verteilt werden muß.However, it is significantly more complex to manufacture because the liquid layer 2 must be distributed over several levels within the sensor.
Dieser Version wird daher in der Praxis eine geringere Bedeutung beigemessen.This version is therefore less important in practice.
Zum Abschluß sei erwähnt, daß anhand von FEM-Analysen am Beispiel eines 500 KN- Kraftaufnehmers mit einem Außendurchmesser von 145 mm gezeigt werden konnte, daß sich bei der Version nach Bild 3 Nennmeßwege SF 5 µm erreichen lassen. Ein ver gleichbarer konventioneller Kraftaufnehmer mit Stauchzylindermeßfeder und Kegeldruck stück erfährt bei der gleichen Nennkraft von 500 KN dagegen Gesamtauslenkungen von über 900 µm! Finally, it should be mentioned that FEM analyzes using the example of a 500 KN force transducer with an outside diameter of 145 mm showed that the version according to Figure 3 achieves nominal measuring paths S F 5 µm. A comparable conventional force transducer with compression cylinder measuring spring and cone thrust piece experiences total deflections of more than 900 µm at the same nominal force of 500 KN!
Bemerkenswert daran ist, daß bei entsprechend sorgfältiger Dimensionierung und Ferti gung damit zu rechnen ist, daß bezüglich der Meßeigenschaften bei Kalibrierung mit Ge wichtskräften etwa gleichgute Fehlergrenzen einzuhalten sind wie bei den derzeitig markt gängigen Kraftaufnehmer mit geringer Längssteifigkeit!What is remarkable about this is that with appropriate careful dimensioning and ferti It is to be expected that with regard to the measurement properties during calibration with Ge Weighing forces, for example, have to keep to the same error limits as with the current market common force transducers with low longitudinal stiffness!
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