DE2544887C3 - Kraftmeßwandler mit frequenzmoduliertem Ausgangssignal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftmeßwandler mit frequenzmoduliertem Ausgangssignal, der einen in einem Gehäuse untergebrachten elastischen freitragenden und im wesentlichen auf Biegung beanspruchten Balken enthält, von dem ein relativ starrer Fuß im Gehäuse befestigt ist und von dem ein anderes, von der zu messenden Kraft beaufschlagtes Teil relativ starr ausgebildet und mit dem Fuß über einerseits eine elastische Verbindung und andererseits über ein Schwingelement verbunden ist, das den Resonator eines elektromechanischen, selbsterregten Generators bildet und in seiner Schwingfrequenz von der zu messenden Kraft abhängt.

Ein solcher Kraftmeßwandler kann beispielsweise in elektronischen Präzisionswiegeeinrichtungen zur Umwandlung der Schwerkraft in ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal verwendet werden. Bei bekannten Meßwandlern werden Fühlelemente in Form von schwingenden Körpern, wie Saiten, Stäben, Membranen verwendet.

Die Schwingungsfrequenz dieser Elemente hängt von ihren geometrischen Maßen, physikalischen Eigenschaften von Materialien, aus denen sie hergestellt sind sowie von der Größe ihrer Belastungen (Kräfte) ab.

Zur Schwingungsanregung enthalten diese Wandler einen selbsterregten Oszillator, dessen Resonator das obengenannte, die Belastung aufnehmende schwingende Element ist.

Die hohe Güte der mechanischen Resonatoren und die damit zusammenhängende FrequenzstabiHtät des selbsterregten Oszillators sorgen für die Genauigkeit der Umwandlung, was in Verbindung mit modernen elektronischen diskreten Meßverfahren für die Frequenz eine genaue Meßkennlinie dieser Wandler sichert.

ίο Von den obengenannten Wandlern sind die Wandler mit einem Resonator in Form von aufgezogenen Saiten besonders verbreitet Neben den Saiten aufweisenden Wandlern sind auch Wandler mit prismatischen Stäben entwickelt und angewendet worden. Die Quersteifigkeit dieser Stäbe gewährleistet deren stabiles Schwingen ohne Vorspannung. Darin liegt der Vorteil derartiger Resonatoren gegenüber den in Form von Saiten ausgeführten Resonatoren, die einer sich im Laufe der Zeit ändernden und Meßfehler veranlassenden Vorspannung bedürfen.

Zu derartigen Wandlern mit einem stabförmigen Resonator zählt z. B. ein Kraftmeßwandler mit frequenzmoduliertem Ausgangssignal (SU-Erfinderschein 150273; Auszug davon in Soviet Inv. Illustr.

Nr. Π ν Febr. 1963, D, p. 51, linke Spalte). Dieser Wandler enthält einen in einem Gehäuse angeordneten, in Form eines freitragenden Balkens ausgeführten elastischen Körper. Der freitragende Balken weist einen Fuß und einen wirksamen Teil auf. Der Fuß ist

jo mit einem Flansch versehen, mit dessen Hilfe der Wandler auf der Auflagefläche befestigt wird. Der die Kraftwirkung aufnehmende wirksame Teil des Balkens ist mit einem einen Resonator eines elektromechanischen selbsterregten Oszillators darstellenden

J5 und eine von der Kraftwirkung abhängige Schwingungsfrequenz aufweisenden schwingenden Elements verbunden. Als schwingendes Element gelangt ein mit dem genannten Balken als Ganzes ausgeführter prismatischer Stab zum Einsatz. Außer dem Resonator enthält der selbsterregte Oszillator zwei an beiden Seiten des prismatischen Stabes angeordnete polarisierte Elektromagnete. Einer der polarisierten Magnete - Adapter - ist mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden und dient zur Umwandlung der mechanischen Schwingungen des Resonators in Schwingungen der Spannung. Der zweite polarisierte Elektromagnet - Erreger - ist mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden und dient zur Umwandlung von Schwingungen des elektrischen Stromes in eine

■so elektromagnetische Kraft zur Aufschaukelung des Resonators.

Das Gehäuse des Wandlers dient zur Unterbringung des elastischen freitragenden Balkens und zum Schutz des Wandlers gegen äußere Einwirkungen. Das Gehäuse ist am Fuß des Balkens dicht aufgesetzt und befestigt und weist einen Abstand zum wirksamen Teil des Balkens auf. Der Fuß des Balkens steht auf der ganzen Fläche des Flansches mit der Auflagefläche und mit dem Gehäuse in Berührung.

bo Hierbei entstehen bei der Arbeit des Wandlers bei bestimmten Belastungen neben den Schwingungen des prismatischen Stabes Resonanzschwingungen des gesamten elastischen Balkens oder dessen Elementen. Diese Schwingungen werden in den Kontaktzonen des Fußes des Balkens mit dem Gehäuse und der Auflagefläche von einer beträchtlichen Dämpfung begleitet, was den Schwingbetrieb des Resonators stört und die eine Abhängigkeit der Frequenz des Resonators von

der angelegten Kraft darstellende Ausgangskennlinie des Wandlers verzerrt. Infolgedessen verschlechtert sich die Genauigkeit der Meßergebnisse.

Beim oben beschriebenen Wandler ist bei dessen Befestigung auf der Auflagefläche mittels Bolzen an dem beim freitragenden Balken vorhandenen Flansch beim Festziehen der Bolzen oder bei Lockern ihres Anzuges eine Störung des Selbstschwingungszustandes des Resonators möglich. Dies hat auch Fehler bei der Kraftmessung zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftmeßwandler mit frequenzmoduliertem Ausgangssignal zu schaffen, der eine Genauigkeitserhöhung bei der Kraftmessung durch Beseitigen des Einflusses von Resonanzschwingungen von dessen Elementen und der Befestigungsart des elastischen Elementes im Gehäuse auf den Schwingbetrieb des Resonators sichert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Her Balken mit Spiel im Gehäuse angeordnet ist, und daß der Fuß des Balkens mittels mindestens drei Säulen gehaltert ist, deren jede eine gegen die Fläche des Fußes driikkende Spitze und ein mit dem Gehäuse verbundenes Ende aufweist.

Zweckmäßig sind zum Eingriff der Spitzen der Saulen auf der Oberfläche des Fußes dreieck-profilierte Vertiefungen vorgesehen, deren Öffnungswinkel größer als der Winkel der Spitzen der Säulen ist.

Es ist vorteilhaft, daß das mit dem Gehäuse verbundene Ende mindestens einer der Säulen über eine Fe- jo der verbunden ist, die in Längsrichtung der Säule vorgespannt ist und daß das Ende der übrigen Säulen mit dem Gehäuse fest verbunden ist.

Der gekennzeichnete Wandler gewährleistet eine höhere Meßgenauigkeit für die Kraft gegenüber den bekannten Kraftmeßwandlern. Der elastische Körper ist im Gehäuse mittels dreier Säulen derart befestigt, daß die Verbindungsflächen der Säulen und des elastischen Körpers auf drei kleine Kontaktflächen aufweisende Punkte lokalisiert sind, was den Dämpfungsgrad -to der Schwingungen des elastischen Körpers stark herabsetzt. Im Wandler erfolgt also keine Störung des Schwingbetriebes des Resonators und damit keine Abnahme der Meßgenauigkeit.

Darüber hinaus sichert die bevorzugte Verbindung der einen Säule mit dem Gehäuse mittels einer Feder eine Dauerkraft zur Befestigung des elastischen Körpers im Gehäuse

Dank der Anordnung des elastischen Körpers im Gehäuse mit Spiel fehlen dessen Kontaktflächen zu den Gehäusewänden, was gleichfalls den Dämpfungsgrad des elastischen Körpers reduziert und die Meßgenauigkeit für die Kraft erhöht.

Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel des Meßwandlers nach der Erfindung. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kraftmeßwandler mit frequenzmoduliertem Ausgangssignal,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, geschwenkt um einen Winkel α.

Der Kraftmeßwandler mit frequenzmoduliertem Ausgangssignal enthält einen in einem Gehäuse 1 (Fig. 1) mit Spiel untergeb.ji.iilui elastischen Körper. Das Gehäuse 1 weist eine Zylinderform auf. Der elastische Körper ist in Form eines freitragenden Balkens 2 ausgeführt. Der freitragende Balken 2 hat einen Fuß 3 und einen wirksamen Teil 4, die miteinander mittels elastischer Gelenke 5 gekoppelt sind. Der wirksame Teil 4 des Balkens 2 stellt einen Winkelhebel dar und ist zur Aufnahme einer Kraftwirkung P vorgesehen. Er ist mit einem eine Rille dreieckigen Profils aufweisenden Kraftaufnahmekopf 6 versehen. Der Abstand von der Achse der Gelenke 5 bis zur Rille auf dem Kopf 6 bestimmt das Maß A als Länge des größeren Hebelarmes. Das Maß B bestimmt die Länge des kleineren Hebelarmes.

Die Verbindung des wirksamen Teiles 4 mit dem Fuß 3 mittels elastischer Gelenke 5 gewährleistet die Stetigkeit (Monotonie) der Ausgangskcnnlinie und eine Genauigkeitserhöhung bei der Kraftmessung.

Der Fuß 3 des freitragenden Balkens 2 ist im Gehäuse 1 befestigt. Zu diesem Zweck ist auf der Oberfläche des Fußes an dessen Umfang eine Ringnut 7 dreieckigen Profils ausgeführt. Innerhalb des Gehäuses 1 (Fig. 2) sind auf dessen Umfang drei um 120° gegeneinander versetzte Säulen 8 angeordnet. Jede Säule 8 hat eine Spitze 9 (Fig. 1) und ein Ende 10. Die Spitzen 9 weisen die Form von Prismenkeilen oder Kegeln auf. Die Spitzen 9 der Säulen 8 drücken gegen die Ringnut 7. Hierbei ist der Winkel zwischen den Wänden der dreieckigen Nut 7 größer als der Winkel der Spitzen 9 der Säulen 8. Dadurch wird ein Spitzenkontakt der Säulen 8 mit der Oberfläche des Fußes 3 ermöglicht. Dank diesen Spitzenkontakten der Säulen 8 mit dem Fuß 3 nimmt der Dämpfungsgrad der Schwingungen des freitragenden Balkens 2 sprunghaft ab und die Meßgenauigkeit für die Kraft folglich zu.

Die Enden 10 der Säulen 8 sind mit dem Gehäuse 1 verbunden. Die Enden 10 von zwei der Säulen 8 sind mit dem Gehäuse 1 fest und das Ende 10 der dritten Säule 8 mit dem Gehäuse 1 mittels einer Blattfeder 11 verbunden. Die Kraft der Blattfeder 11 ist längs der Säule 8 gerichtet. Die Blattfeder 11 ist am Gehäuse 1 mittels Bolzen 12 und 13 befestigt. Das Vorhandensein der Blattfeder 11 ermöglicht eine Dauerkraft zur Befestigung des Balkens 2 im Gehäuse 1.

Der Meßwandler enthält auch einen elektromechanischen selbsterregten Oszillator 14. Er weist einen Resonator, zwei polarisierte Magnete 15 und 16 und einen Verstärker 17 auf.

Der Resonator stellt einen prismatischen Stab 18 dar, der eine eigene Biegungssteifigkeit besitzt. Das eine Ende des Stabes 18 ist mit dem kleineren Hebelarm B des Winkelhebels und das zweite mit dem Fuß 3 des freitragenden Balkens 2 verbunden. Der Stab 18 ist mit dem freitragenden Balken 2 als Ganzes ausgeführt und dessen Bestandteil. Die Schwingungsfrequenz des Resonators hängt von der Kraftwirkung auf den Kraftaufnahmekopf 6 des wirksamen Teiles 4 ab.

Die polarisierten Elektromagnete 15 und 16 sind an zwei Seiten des Resonators angeordnet. Der eine Elektromagnet 15 - Adapter - ist mit dem Eingang eines Verstärkers 17 verbunden und dient zur Umwandlung einer mechanischen Schwingung in Schwingungen der Spannung. Der zweite Elektromagnet 16 - Erreger - ist mit dem Ausgang des Verstärkers 17 verbunden und dient zur Umwandlung von Schwingungen des elektrischen Stromes in eine elektromagnetische Kraft zur Aufschaukelung des Resonators 16.

Der Verstärker 17 ist aus Halbleiterbauelementen aufgebaut und arbeitet im Betrieb der Amplitudenbegrenzung. Das Ausgangssignal des Wandlers wird dem Verstärker 17 über darin eingehende zusätzliche Stufen entnommen.

Zur Begrenzung der Belastung ist in das Gehäuse 1 eine Schraube 19 so eingeschraubt, daß bei einer Überlast der größere Hebelarm A gegen die Stirn der Schraube 19 drückt. Das Gehäuse 1 des Wandlers ist an einem Stellarm 20 derart befestigt, daß die Achse der elastischen Gelenke 5 zur Horizontalebene um einen Winkel α (Fig. 2) geneigt ist. Die Konstruktion des Stellarmes 20 gestattet es, den Wandler darin in der Weise zu verschwenken, daß die Empfindlichkeit bei einer Nennlast dem erforderlichen Wert entspricht. Am Stellarm 22 gibt es Striche und Vorzeichen ( + ) und (—) und am Gehäuse 1 eine Ablesemarke, die die Drehrichtung zur Vergrößerung bzw. Verringerung der Empfindlichkeit anzeigen. Der Stellarm 20 ist mit (nicht gezeigten) Kappen versehen, mit deren Hilfe der Wandler auf der (nicht gezeigten) Auflagefläche befestigt wird.

Dank dieser Ausführung des Stellarmes 20 wird die Regelung der Empfindlichkeit des Wandlers ermöglicht, weil als effektive, den Empfindlichkeitswert des Wandlers bestimmende Kraft P_cf, eine auf der Achse der elastischen Gelenke 5 senkrecht stehende Komponente der zu messenden Kraft P gleich P_ejl = P · cosa auftritt, mit α = regelbarer Neigungswinkel der Achse der elastischen Gelenke S zur Horizontalebene.

Der Kraftmeßwandler mit frequenzmoduliertem Ausgangssignal arbeitet wie folgt.

Bei der Einschaltung des elektromechanischen, selbsterregten Oszillatos 14 (Fig. 1) wandelt der als Erreger auftretende Elektromagnet 16 die Schwingungen des elektrischen Stromes in eine elektromagnetische Kraft zur Aufschaukelung des Resonators um. Die entstehenden mechanischen Schwingungen des Resonators werden durch den als Adapter wirkenden Elektromagnet 15 in Schwingungen elektrischer Spannung verwandelt. Auf solche Wei .e kommt der Schwingbetrieb des Resonators zustande.

Bei der Einwirkung der zu messenden Kraft P auf den größeren Hebelarm A des Winkelhebels entstehen in dem als Resonator wirkenden prismatischen Stab 18 Biegespannungen, die die Querversteifigkeit des Stabes 18 und folglich dessen Schwingungsfrequenz ändern. Aus den Änderungen der Schwingungsfrequenz des Resonators wird auf den Wert der zu messenden Kraft P geschlossen. Hierbei wird das eine Information über die Änderung der Schwingungsfrequenz des Resonators tragende Ausgangssignal am Verstärker 17 abgenommen und einem (nicht gezeigten) Frequenzmesser zugeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kraftmeßwandler mit frequenzmoduliertem Aiisgangssignal, der einen in einem Gehäuse untergebrachten elastischen, freitragenden und im wesentlichen auf Biegung beanspruchten Balken enthält, von dem ein relativ starrer Fuß im Gehäuse befestigt ist und von dem ein anderes, von der zu messenden Kraft beaufschlagtes Teil relativ starr ausgebildet und mit dem Fuß über einerseits eine elastische Verbindung und andererseits über ein Schwingelement verbunden ist, das den Resonator eines elektromechanischen, selbsterregten Generators bildet und in seiner Schwingfrequenz von der zu messenden Kraft abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß der Balken (3,18. 5, 6) mit Spiel im Gehäuse (1) angeordnet ist, und daß der Fuß (3) des Balkens mittels mindestens drei Säulen gehaltert ist, deren jede eine gegen die Fläche des Fußes (3) drückende Spitze (9) und ein mit dem Gehäuse (1) verbundenes Ende (10) aufweist.

2. Kraftmeßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Eingriff der Spitzen (9) der Säulen (8) auf der Oberfläche des Fußes (3) dreieck-prnfilierte Vertiefungen (7) vorgesehen sind, deren öffnungswinkel größer als der Winkel der Spitzen (9) der Säulen ist.

3. Kraftmeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Gehäuse (1) verbundene Ende (10) mindestens einer der Säulen (8) über eine Feder (11) verbunden ist, die in Längsrichtung der Säule (8) vorgespannt ist, und daß das Ende (10) der übrigen Säulen (8) mit dem Gehäuse (1) fest verbunden ist.