DE102008056901A1

DE102008056901A1 - Force transducer, in particular load cell

Info

Publication number: DE102008056901A1
Application number: DE200810056901
Authority: DE
Inventors: Dominik Braun; Dieter Rapp; Konstantin Selnack; Andre Werner
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2010-05-20
Also published as: WO2010055079A1

Abstract

Ein Kraftaufnehmer oder Wägezelle weist einen sich unter Einwirkung einer zu messenden Kraft oder Last (5) verformenden Federkörper (1) und Sensormitteln (9) zur Erzeugung eines der Verformung entsprechenden Messsignals auf.
Um die Herstellung und den Abgleich unterschiedlicher Kraftaufnehmer oder Wägezellen zu vereinfachen, ist zwischen voneinander beanstandeten Teilen (3, 4) des Federkörpers (1) ein Sensormodul (6) in Form eines weiteren Federkörpers (7) formschlüssig angeordnet, dessen Federsteifigkeit geringer als die des einen Federkörpers (1) ist und der eine Kapsel für die darin angeordneten und die Verformung des weiteren Federkörpers (7) unmittelbar erfassenden Sensormittel (9) bildet.A force transducer or load cell has a spring body (1) which deforms under the action of a force or load (5) to be measured and sensor means (9) for generating a measurement signal corresponding to the deformation.
In order to simplify the production and comparison of different load cells or load cells, a sensor module (6) in the form of another spring body (7) is positively arranged between spaced apart parts (3, 4) of the spring body (1) whose spring stiffness is less than that of a spring body (1) and which forms a capsule for the therein arranged and the deformation of the further spring body (7) directly detecting sensor means (9).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer, insbesondere eine Wägezelle, mit einem Federkörper, der sich unter Einwirkung einer zu messenden Kraft oder Last verformt, und mit Sensormitteln zur Erzeugung eines der Verformung entsprechenden Messsignals.The Invention relates to a load cell, in particular a load cell, with a spring body, deformed under the action of a force or load to be measured, and with sensor means for generating a measurement signal corresponding to the deformation.

Kraftaufnehmer im Allgemeinen und Wägezellen im Speziellen sind Messumformer, die eine auf sie einwirkende Kraft oder Last in ein elektrisches analoges oder digitales Messsignal umsetzen. Dabei wird ein meist metallischer Federkörper proportional zu der aufgebrachten Last oder Kraft elastisch verformt und die daraus resultierende Verformung des Federkörpers oder bestimmter Teile davon mit geeigneten Sensormitteln erfasst. Längenänderungen an Biegeteilen werden üblicherweise mittels Dehnungsmessstreifen erfasst. Alternativ können aus der Verformung resultierende Abstandsänderungen kapazitiv, optisch oder anderweitig erfasst werden. Die Sensormittel, z. B. Dehnungsmessstreifen oder Kondensatorflächen, sind unmittelbar an oder in dem Federkörper angebracht. Soweit sie an Außenflächen des Federkörpers aufgebracht sind, sind sie Umgebungseinflüssen wie Schmutz oder Feuchtigkeit ausgesetzt, wenn sie nicht mit einer Schutzschicht bedeckt sind. Bei z. B. dosenförmigen Federkörpern (Kraftmessdosen) sind die Sensormittel im Inneren des Federkörpers geschützt angeordnet. Es ist auch bekannt, Sensormittel, z. B. Dehnungsmessstreifen, anstatt außen an dem Federkörper, z. B. einem Biegeteil, in einer Bohrung des Biegeteils oder einer sonstigen Öffnung des Federkörpers unterzubringen und diese zu verschließen.Load cell in general and load cells in particular, transducers are a force acting upon them or load into an electrical analog or digital measurement signal implement. In this case, a mostly metallic spring body becomes proportional to The applied load or force is elastically deformed and the resulting resulting deformation of the spring body or certain parts thereof detected with suitable sensor means. Length changes to bending parts are usually detected by means of strain gauges. Alternatively you can out the deformation resulting capacitive capacitive, optical or otherwise recorded. The sensor means, for. B. strain gauges or capacitor surfaces, are attached directly to or in the spring body. As far as she is applied to outer surfaces of the spring body are, they are environmental influences like dirt or moisture exposed when not with one Protective layer are covered. At z. B. can-shaped spring bodies (load cells) the sensor means are arranged inside the spring body protected. It is also known, sensor means, for. B. strain gauges, instead of outside of the Spring body, z. B. a bent part, in a bore of the bent part or other opening of the spring body accommodate and close them.

Die verwendeten Federkörper weisen je nach Anwendungsfall und Größe der zu messenden Kraft oder Last unterschiedliche Bauformen und Abmessungen auf. Die Sensormittel werden dann, wie bereits erwähnt, unmittelbar an bzw. in dem jeweiligen Feder körper angebracht, was dazu führt, dass letztlich jeder Kraftaufnehmer bzw. jede Wägezelle individuell erstellt, gefertigt, abgeglichen und kalibriert wird.The used spring body Depending on the application and size of the force to be measured or Load different designs and dimensions. The sensor means then, as already mentioned, attached directly to or in the respective spring body, which ultimately leads to each force transducer or each load cell individually created, manufactured, calibrated and calibrated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung und den Abgleich unterschiedlicher Kraftaufnehmer oder Wägezellen zu vereinfachen.Of the Invention is based on the object, the production and the adjustment to simplify different load cells or load cells.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen voneinander beanstandeten Teilen des Federkörpers ein Sensormodul in Form eines weiteren Federkörpers formschlüssig angeordnet ist, dessen Federsteifigkeit geringer als die des einen Federkörpers ist und der eine Kapsel für die darin angeordneten und die Verformung des weiteren Federkörpers unmittelbar erfassenden Sensormittel bildet.According to the invention the task is solved by that between mutually offensive parts of the spring body a Sensor module arranged positively in the form of another spring body is, whose spring stiffness is lower than that of a spring body and the one capsule for the arranged therein and the deformation of the other spring body directly forms sensing sensor means.

Die Erfindung führt somit zu einem modulartigen Aufbau des Kraftaufnehmers bzw. der Wägezelle, wobei die Module, nämlich der die zu messende Kraft oder Last aufnehmende Federkörper (Last- bzw. Kraftaufnahmemodul) und der weitere, die Sensormittel enthaltende Federkörper (Sensormodul) getrennt voneinander gefertigt und kalibriert werden, bevor das Sensormodul in das Last- bzw. Kraftaufnahmemodul eingesetzt wird. Insbesondere können nur wenige unterschiedliche Typen von Sensormodulen bis hin zu einem einzigen Sensormodul für eine Vielzahl unterschiedlicher Last- bzw. Kraftaufnahmemodule vorgesehen werden, was die Fertigung und Kalibrierung der Sensormodule vereinfacht. Da der weitere Federkörper des Sensormoduls lediglich die Verformung des die zu messende Kraft oder Last aufnehmenden Federkörpers auf die Sensormittel übertragen muss, ist seine Federsteifigkeit geringer, vorzugsweise um ein Vielfaches geringer, so dass die Sensormodule mit geringeren Kräften oder Lasten kalibriert werden können. Der weitere Federkörper des Sensormoduls kann daher aus einem anderen Material als dem des Last- bzw. Kraftaufnahmemoduls hergestellt sein. Dabei sind isolierende Materialien wie z. B. Kunststoffe oder Keramiken besonders bei kapazitiv arbeitenden Sensormitteln von Vorteil.The Invention leads thus to a modular structure of the force transducer or the load cell, where the modules, namely the spring or body receiving the force or load to be measured (load or Kraftaufnahmemodul) and the other, containing the sensor means spring body (Sensor module) can be manufactured separately and calibrated before the sensor module inserted into the load or force receiving module becomes. In particular, only a few different types of sensor modules right down to one single sensor module for a plurality of different load or force receiving modules provided which simplifies the manufacture and calibration of the sensor modules. Since the other spring body the sensor module only the deformation of the force to be measured or load-bearing spring body transferred to the sensor means must, its spring stiffness is lower, preferably many times lower, so the sensor modules with lesser forces or Loads can be calibrated. The further spring body of Sensor module can therefore be made of a different material than the load or force receiving module to be made. These are insulating Materials such. As plastics or ceramics especially at capacitive working sensor means of advantage.

Um sicher zu stellen, dass das Sensormodul stets an korrekter Stelle in dem Last- bzw. Kraftaufnahmemodul eingebaut wird, weisen die einander gegenüberliegenden Teile des Federkörpers vorzugsweise Ausformungen zur passgenauen Aufnahme des Sensormoduls auf.Around Make sure that the sensor module is always in the correct place installed in the load or force receiving module, have the opposite each other Parts of the spring body preferably formations for accurate recording of the sensor module on.

Vorzugsweise wird das Messsignal bereits in dem Kraftaufnehmer bzw. der Wägezelle soweit aufbereitet, z. B. digitalisiert, dass es sicher leitungsgebunden oder drahtlos an übergeordnete Einrichtungen wie z. B. Automatisierungseinrichtungen, übertragen werden kann. Dazu ist entweder in der Kapsel des Sensormoduls eine Elektronik zur Vorverarbeitung des Messsignals angeordnet, oder die Elektronik ist in einem an dem Sensormodul enthaltendes Elektronikmodul montierbar.Preferably the measuring signal is already in the force transducer or the load cell so far processed, z. B. digitized that it is safely wired or wirelessly to parent Facilities such. B. automation equipment transferred can be. This is either in the capsule of the sensor module a Electronics arranged for preprocessing of the measuring signal, or the electronics are in an electronics module containing the sensor module mountable.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:to further explanation The invention will be referred to below with reference to the figures of the drawing; in detail show:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wägezelle mit einem Federkörper und einem darin eingesetzten Sensormodul, die 1 a first embodiment of a load cell according to the invention with a spring body and a sensor module inserted therein, the

2 und 3 jeweils ein Beispiel für das Sensormodul und 2 and 3 each an example of the sensor module and

4 bis 8 weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Wägezelle. 4 to 8th Further embodiments of the weighing cell according to the invention.

1 zeigt eine Wägezelle mit einem Federkörper 1 in Form eines beid-endig gelagerten Doppelbiegebalkens aus Metall, der in der Balkenmitte eine Aussparung 2, hier eine Bohrung, enthält, auf deren Ober- und Unterseite Bereiche mit verringertem Materialquerschnitt vorgesehen sind, die Biegeteile 3 und 4 darstellen. Bei Aufbringen einer Gewichtskraft 5 biegt sich der Federkörper 1 nach unten durch, wobei das obere Biegeteil 3 gestaucht und das untere Biegeteil 4 gestreckt wird und die kreisrunde Bohrung 2 sich zu einem Oval verformt. 1 shows a load cell with a spring body 1 in the form of a double-ended metal cantilever beam with a recess in the center of the beam 2 , Here is a hole containing on the top and bottom areas with reduced material cross-section are provided, the bending parts 3 and 4 represent. When applying a weight 5 bends the spring body 1 down through, with the upper bending part 3 upset and the lower bending part 4 is stretched and the circular bore 2 deformed into an oval.

Ein Sensormodul 6 weist einen weiteren Federkörper 7 auf, der in der Aussparung 2 formschlüssig zwischen den beiden Biegeteilen 3 und 4 eingesetzt ist. Der weitere Federkörper 7 hat hier die Form eines Messbügels, der durch das Aufbringen der Gewichtskraft 5 und die daraus resultierende Verformung der Aussparung (Bohrung) 2 in Richtung der Kraft 5 gestaucht und senkrecht dazu aufgeweitet wird. Im Inneren des weiteren Federkörpers 7 sind auf einem Träger 8 vier Kondensatorplatten 9 angeordnet, die mit den jeweils gegenüberliegenden Innenseiten des Messbügels 7 vier Messkapazitäten bilden, die die Verformung des weiteren Federkörpers 7 erfassen und in herkömmlicher Weise zu einer Messbrücke verschaltet sind. Als alternative Sensormittel können beispielsweise Dehnungsmessstreifen auf den Innenseiten des Messbügels 7 aufgebracht sein.A sensor module 6 has another spring body 7 up in the recess 2 positive fit between the two bending parts 3 and 4 is used. The further spring body 7 here has the form of a measuring bracket, by applying the weight 5 and the resulting deformation of the recess (bore) 2 in the direction of the force 5 compressed and expanded perpendicular to it. Inside the other spring body 7 are on a carrier 8th four capacitor plates 9 arranged with the respective opposite inner sides of the measuring bracket 7 Four measuring capacitances form the deformation of the other spring body 7 capture and are connected in a conventional manner to a measuring bridge. As an alternative sensor means, for example, strain gauges on the inner sides of the measuring bracket 7 be upset.

2 zeigt einen Schnitt durch das Sensormodul 6, das eine Kapsel für die Sensormittel 9 bildet. Zu diesem Zweck ist der Messbügel 7 an einer Stirnseite mit einer dünnen Wand oder Folie 10 und auf der anderen Stirnseite über ein Elektronikmodul 11 verschlossen, die eine Elektronik 12 zur Vorverarbeitung des von den Sensormitteln 9 gelieferten Messsignals enthält. 2 shows a section through the sensor module 6 containing a capsule for the sensor means 9 forms. For this purpose, the measuring bracket 7 on a front side with a thin wall or foil 10 and on the other side via an electronic module 11 closed, the electronics 12 for preprocessing of the sensor means 9 contains supplied measuring signal.

3 zeigt eine Variante des Sensormoduls 6, bei der die Elektronik gemeinsam mit den Sensormitteln 9 im Inneren des Sensormoduls 6 angeordnet ist. 3 shows a variant of the sensor module 6 in which the electronics together with the sensor means 9 inside the sensor module 6 is arranged.

Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Wägezelle ist der Federkörper 1 als einseitig belasteter Doppelbiegebalken ausgebildet. Im Bereich des fest montierten einen Balkenendes enthält der Federkörper 1 eine Öffnung 13 zum Einbau des Sensormoduls 6. der weitere Federkörper 7 des Sensormoduls 6 erstreckt sich zwischen den beiden Biegeteilen 3 und 4 des Federkörpers 1 bis zu dessen freiem Ende, wo bei Belastung des Federkörpers 1 ein Mitnehmer 14 den weiteren Federkörper 7 ebenfalls belastet. Der weitere Federkörper 7 des Sensormoduls 6 könnte beispielsweise ebenfalls als Dop pelbiegebalken ausgebildet sein, enthält aber bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel einen elastisch gelagerten Hebel 15, an dessen einem Hebelarm 16 der Mitnehmer 14 des Federkörpers 1 anliegt und dessen längerer zweiter Hebelarm 17 im Inneren einer von dem Sensormodul 6 gebildeten Kapsel angeordnet ist. Am Ende des zweiten Hebelarms 17 sind zwei Kondensatorplatten 9 angeordnet, die mit zwei jeweils gegenüberliegenden feststehenden Kondensatorplatten 9' zwei Messkapazitäten bilden.At the in 4 shown embodiment of a load cell is the spring body 1 designed as one-sided loaded double bending beam. In the area of the permanently mounted a beam end, the spring body contains 1 an opening 13 for installation of the sensor module 6 , the further spring body 7 of the sensor module 6 extends between the two bending parts 3 and 4 of the spring body 1 to its free end, where under load of the spring body 1 a driver 14 the other spring body 7 also charged. The further spring body 7 of the sensor module 6 For example, could also be designed as Dop pelbiegebalken, but contains in the embodiment shown here an elastically mounted lever 15 , on one lever arm 16 the driver 14 of the spring body 1 is applied and its longer second lever arm 17 inside one of the sensor module 6 formed capsule is arranged. At the end of the second lever arm 17 are two capacitor plates 9 arranged with two opposite fixed capacitor plates 9 ' form two measuring capacities.

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wägezelle mit einem dosenförmigen Federkörper 1, in dessen Inneren das hier ebenfalls dosenförmige Sensormodul 6 angeordnet ist. Das Sensormodul 6 weist einen weiteren dosenförmigen Federkörper 7 mit einer Hebelanordnung bestehend aus einer Scheibe oder mehreren, z. B. vier, radial angeordneten zweiarmigen und an jeweils einem Drehpunkt 18 gelagerten Hebeln 19. An dem jeweils kürzeren Hebelarm 20 greift die über den Federkörper 1 in den weiteren Federkörper 7 eingeleitete Kraft 5 an, während am Ende des längeren Hebelarms 21 zwei Kondensatorplatten 9 angeordnet sind, die mit zwei jeweils gegenüberliegenden feststehenden Kondensatorplatten 9' zwei Messkapazitäten bilden. 5 shows an embodiment of a load cell with a can-shaped spring body 1 , in the interior of which also here can-shaped sensor module 6 is arranged. The sensor module 6 has another can-shaped spring body 7 with a lever arrangement consisting of a disc or more, z. B. four, radially arranged two-armed and at each pivot point 18 stored levers 19 , At the respective shorter lever arm 20 grab the over the spring body 1 in the other spring body 7 initiated force 5 while at the end of the longer lever arm 21 two capacitor plates 9 are arranged, with two opposite fixed capacitor plates 9 ' form two measuring capacities.

Das Ausführungsbeispiel nach 6 unterscheidet sich von dem nach 5 durch eine andere Version des Sensormoduls 6, dessen dosenförmigen Federkörper 7 an der Innenseite des druckaufnehmenden Deckels 22 und an einer in vorgegebenem festen Abstand zum Deckel 22 an diesem gehaltenen Scheibe 23 (oder an Armen) Kondensatorplatten 9 angeordnet sind, die mit zwei jeweils zwischen dem Deckel 22 und der Scheibe 23 angeordneten gegenüberliegenden feststehenden Kondensatorplatten 9' Messkapazitäten bilden. Die Kondensatorplatten 9 und 9' können z. B. in Form von Ringscheiben ausgebildet sein, welche gegebenenfalls zur Vergrößerung der Anzahl der Messkapazitäten segmentiert sein können.The embodiment according to 6 is different from that 5 through another version of the sensor module 6 , whose can-shaped spring body 7 on the inside of the pressure-receiving lid 22 and at a predetermined fixed distance to the lid 22 at this held disc 23 (or on arms) capacitor plates 9 arranged with two each between the lid 22 and the disc 23 arranged opposite fixed capacitor plates 9 ' Measuring capacities form. The capacitor plates 9 and 9 ' can z. B. may be formed in the form of annular discs, which may optionally be segmented to increase the number of measuring capacitances.

7 zeigt ebenfalls eine Wägezelle mit einem dosenförmigen Federkörper 1. Hier wird aber das Sensormodul 6 aus 1 verwendet, das zwischen dem die Last 5 aufnehmenden Deckel 24 und einem Tragring 25 im Inneren des dosenförmigen Federkörpers 1 angeordnet ist. Alternativ kann das Sensormodul 6 auf dem Boden 26 des dosenförmigen Federkörpers 1 montiert sein. 7 also shows a load cell with a can-shaped spring body 1 , But here is the sensor module 6 out 1 used that between the load 5 receiving lid 24 and a support ring 25 inside the can-shaped spring body 1 is arranged. Alternatively, the sensor module 6 on the ground 26 the can-shaped spring body 1 be mounted.

8 zeigt eine weitere Wägezelle mit dosenförmigem Federkörper 1, in dem das Sensormodul 6 aus 4 verwendet wird, wobei ein Kraftübertragungselement 27 die Auslenkung des Deckels 24 unter der Last 5 auf den Hebelarm 16 des Sensormoduls 6 überträgt. 8th shows another load cell with can-shaped spring body 1 in which the sensor module 6 out 4 is used, wherein a force transmission element 27 the deflection of the lid 24 under the load 5 on the lever arm 16 of the sensor module 6 transfers.

Claims

Force transducer, in particular load cell, with a spring body ( 1 ) which, under the action of a force or load to be measured ( 5 ) deformed, and with sensor means ( 9 ) for generating a deformation signal corresponding to the deformation, characterized in that between 3 . 4 ) of the spring body ( 1 ) a sensor module ( 6 ) in the form of another spring body ( 7 ) is arranged positively, whose spring stiffness is less than that of a spring body ( 1 ) and which is a capsule for the arranged therein and the deformation of the further spring body ( 7 ) immediately detecting sensor means ( 9 ).

Force transducer according to claim 1, characterized in that the mutually offensive parts ( 3 . 4 ) of the spring body ( 1 ) Formations for accurate recording of the sensor module ( 6 ) exhibit.

Force transducer according to claim 1 or 2, characterized in that in the capsule of the sensor module ( 6 ) an electronics ( 12 ) is arranged for pre-processing of the measurement signal.

Force transducer according to claim 1 or 2, characterized in that on the sensor module ( 6 ) an electronics ( 12 ) for preprocessing the measuring signal containing electronic module ( 11 ) is mountable.