DD152627A1

DD152627A1 - DEVICE FOR ELECTRICALLY MEASURING STATIC-DYNAMIC EFFECTS OF MECHANICAL FORCES

Info

Publication number: DD152627A1
Application number: DD22326880A
Authority: DD
Inventors: Ralf Gryl; Eckardt Heyer; Hans Woitschehofsky
Original assignee: Ralf Gryl; Eckardt Heyer; Hans Woitschehofsky
Priority date: 1980-08-12
Filing date: 1980-08-12
Publication date: 1981-12-02

Abstract

Die Erfindung wird angewendet zur Messung gerichteter Kraefte bzw. Druecke. Die Erfindung hat das Ziel, diese beliebigen Kraefte mit groesster Genauigkeit zu messen. Durch die Umwandlung der mechanischen Kraft in ein elektrisches Signal ist eine lokale Trennung der Messwertauswertung von der Messeinrichtung moeglich. Es erfolgt eine exakte Messung mechanischer Kraefte bzw. Druecke durch Kompensation dieser mittels Elektromagneten. Durch d. angewandte Messprinzip (Bildung von Stromimpulsen mittels Lichtschranke) wird d. mechanische Reibung innerhalb d. Messgeraetes auf ein Minimum verringert. Mit dieser Messeinrichtung ist eine zeitkontinuierte Messung moeglich. D. Erfindung findet Anwendung z.B. bei d. Messung des Bandandruckes von Magnetbandkassetten, bei Farbbandkassetten von Schreibmaschinen, bei der Messung der Riemenspannung von Treibriemen oder auch zum genauen Waegen.The invention is used for measuring directed forces or pressures. The invention aims to measure these arbitrary forces with the greatest accuracy. By converting the mechanical force into an electrical signal, a local separation of the measured value evaluation from the measuring device is possible. There is an exact measurement of mechanical forces or pressures by compensation of these by means of electromagnets. By d. applied measuring principle (formation of current impulses by means of light barrier) becomes d. mechanical friction within d. Measuring device reduced to a minimum. With this measuring device a time-continuous measurement is possible. D. invention finds application e.g. at d. Measurement of the tape pressure of magnetic tape cassettes, in ribbon cartridges of typewriters, in the measurement of the belt tension of drive belts or also for accurate weighing.

Description

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Gryl, Ralf geb. 18.07.1953, Dipl.-Ing. бОбО Zella-Mehlis Thälmann-Str. 35Gryl, Ralf b. 18.07.1953, Dipl.-Ing. бОбО Zella-Mehlis Thälmann-Str. 35

Heyer, Eckardt geb. 31.03.1938, Ing. 6058 Viernau Langes Tal 5Heyer, Eckardt b. 31.03.1938, Ing. 6058 Viernau Langes Tal 5

Woitschehofsky, Hans geb. 12.09.1922, Konstrukteur бОбО Zella-Mehlis August-Bebel-Str. 23Woitschehofsky, Hans b. 12.09.1922, Designer бОбО Zella-Mehlis August-Bebel-Str. 23

Titel der Erfindung:Title of the invention:

Einrichtung zum elektrischen Messen statisch-dynamisch wirkender mechanischer KräfteDevice for electrically measuring static-dynamic mechanical forces

Anwendungsgebiet der Erfindung:Field of application of the invention:

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum elektrischen Messen statisch-dynamisch wirkender mechanischer Kräfte, mit der es möglich ist, gerichtete Kräfte bzw. Drucke zu messen.The invention relates to a device for electrically measuring static-dynamic mechanical forces, with which it is possible to measure directed forces or pressures.

In der v/eiteren Ausführung wird auf eine Einrichtung zur Kessung des Вапаалdruckes bei einem Kassettenmagnetbandgerät eingegangen. Jedoch ist das beschriebene Meßverfahren auch für andere Einsatzgebiete anwendbar, wo mechanische Kräfte mit großer Genauigkeit gemessen v/erden sollen und eine lokale Trennung von Meßeinrichtung und Keßwert ausgabe notwendig oder vorteilhaft ist, wie z.B. bei der Iwessung des FarbbanddruckesIn the fourth embodiment, reference is made to a device for measuring the pressure of a cassette tape recorder. However, the measuring method described is also applicable to other applications where mechanical forces are to be measured with high accuracy and local separation of meter and key output is necessary or advantageous, e.g. in the evaluation of ribbon printing

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von Farbbandkassetien bei Schreibmaschinen,Messung der Riemenspannung von Treibriemen oder auch beim genauen Wägen·of ribbon cassettes in typewriters, measurement of belt tension of drive belts or even accurate weighing ·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:Characteristic of the known technical solutions:

Bisher werden zur MeßkraftbeStimmung mechanische Prüfmittel mit Hebelsystemen und Gegengewicht (Balkenwaage, Briefwaage) oder solche mit Federelementen (Federwaage mit Druckfedern oder Spiralfedern) eingesetzt. Die Nachteile der ersteren bestehen hauptsächlich darin, daß infolge der unvermeidbaren Lagereibung die Keßergebnisse mit einer relativ hohen Unsicherheit behaftet sind, die mechanischen Prüfmittel mit Hebelsystemen meist große geometrische Abmessungen aufweisen und speziell bei der Balkenwaage eine direkte Anzeige unmöglich ist·Until now, mechanical test equipment with lever systems and counterweights (beam scales, letter scale) or those with spring elements (spring balance with compression springs or spiral springs) have been used for measuring force determination. The disadvantages of the former consist mainly in the fact that due to the unavoidable bearing friction the Keßergebnisse are associated with a relatively high uncertainty, mechanical test equipment with lever systems usually have large geometric dimensions and especially in the beam balance direct display is impossible ·

Bei den Prüfmitteln mit Federelementen müssen infolge der Eigenreibung der Federelemente ebenfalls relativ hohe Meßunsicherheiten in Kauf genommen werden. Y/eiterhin sind zur Kräftemessung Systeme bekannt, die nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeiten sowie Anordnungen mit Dehnungsmeßstreifen. Beide haben die Nachteile, daß zur Messung kleiner Kräfte der Verstärkeraufwand sehr groß wird und eine derartige Meßanordnung demzufolge erhebliche Kosten verursacht. Die zum Messen großer Kräfte oder Druck bekannten hydraulischen und pneumatischen Meßdosen mit Anzeigegerät, z.B· Flüssigkeitsmanometer, konnten bisher wegen der zu großen Meßunsicherheiten nicht zum Bestimmen von kleinen Meßkräften eingesetzt werden. Die ebenfalls bekannten Meßeinrichtungen mit induktivem Geber weisen ein nicht befriedigendes Langzeitverhalten auf.In the test equipment with spring elements due to the friction of the spring elements also relatively high uncertainties in measurement must be accepted. Y / eiter are known for measuring forces systems that operate on the piezoelectric principle and arrangements with strain gauges. Both have the disadvantages that for the measurement of small forces of the amplifier effort is very large and thus causes such a measuring arrangement considerable cost. The well-known for measuring large forces or pressure hydraulic and pneumatic measuring boxes with display device, eg · liquid manometer, could not be used to determine small measuring forces because of the large uncertainties. The likewise known measuring devices with inductive sensor have an unsatisfactory long-term behavior.

Ziel der Erfindung:Object of the invention:

Das Ziel der Erfindung liegt darin,mit dieser Einrichtung beliebige mechanische Kräfte bzw. Drücke (statisch oder dynamisch) mit größter Genauigkeit zu messen. Durch die Umwandlung der mechanischen Kraft in ein elektrisches Signal ist eine lokale Trennung der tleßv/ertausv/ertung von der Meßeinrichtung möglich.The aim of the invention is to measure any mechanical forces or pressures (static or dynamic) with the greatest accuracy with this device. By converting the mechanical force into an electrical signal, local separation of the measured value from the measuring device is possible.

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Darlegung des Wesens der Erfindung:Explanation of the essence of the invention:

Die im folgenden beschriebene Einrichtung zeichnet sich gegenüber anderen ähnlichen Meßapparatüren durch folgende Vorzüge aus:The device described below is distinguished from other similar Meßapparatüren by the following advantages:

- Exakte Messung mechanischer Kräfte bzw. Drücke durch Kompensation dieser mittels Elektromagneten, da durch das angewandte Meßprinzip (Bildung von Stromimpulsen mittels Lichtschranke) die mechanische Reibung innerhalb des Meßgerätes auf ein Minimum verringert wird,- Exact measurement of mechanical forces or pressures by compensation of these by means of electromagnets, since the applied measuring principle (formation of current pulses by means of a light barrier), the mechanical friction is reduced to a minimum within the meter,

- Der räumliche Punkt, an dem die zu messende Kraft angreift, wird durch die Lichtschranke festgelegt· Der Punkt ist ortsfest und nicht abhängig von der Größe der Kraft, wie es z.B. bei der Federwaage der Fall ist.The spatial point at which the force to be measured acts is determined by the light barrier. The point is stationary and not dependent on the magnitude of the force, as it is e.g. in the spring balance is the case.

- Die Meßeinrichtung gestattet eine zeitkontinuierliche Messung· So ist bei zeitlich inkonstanten Kraftenoder Drücken der Meßwert zu jedem beliebigen Zeitpunkt ablesbar (dynamische Messung)·The measuring device allows a continuous-time measurement. Thus, with time-constant forces or pressures, the measured value can be read at any time (dynamic measurement).

- Umwandlung der mechanischen Kraft in ein elektrisches Signal (Strom bzw. Spannung). Dadurch ist es möglich, die Ließeinrichtung auf einfache Weise räumlich getrennt von der Meßwertanzeige anzuordnen. Weiterhin ergibt sich die Möglichkeit der analogen (Zeigerinstrumente) oder digitalen Meßwertausgabe, aber auch der direkten weiteren Meßwertverarbeitung zur automatischen Auslösung beliebiger Vorgänge, z.B. automatische Aussortierung von zu schweren Postsendungen·- Conversion of the mechanical force into an electrical signal (current or voltage). This makes it possible to arrange the Ließeinrichtung in a simple manner spatially separated from the measured value display. Furthermore, there is the possibility of analog (pointer instruments) or digital measured value output, but also the direct further measured value processing for the automatic triggering of arbitrary processes, e.g. automatic sorting out of heavy mail ·

- Einfacher Aufbau und damit kostengünstig in der Herstellung.- Simple construction and therefore inexpensive to manufacture.

- Einfache Bedienbarkeit und sofortige Einsatzbereitschaft.- Easy to use and ready to use.

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

Die Erfindung soll nachfolgend an dem Ausführungsbeispiel eines Meßgerätes zur Bändandruckmessung näher erläutert v/erden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1: den mechanischen Teil der Meßeinrichtung Fig. 2: das Zusammenwirken der elektronischen BaugruppenThe invention will be explained in more detail below the embodiment of a measuring device for Bändandruckmessung v / ground. In the accompanying drawing: Fig. 1: the mechanical part of the measuring device Fig. 2: the interaction of the electronic modules

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Das Bandandruckmeßgerät dient zur Messung des mechanischen Druckes auf den Magnetkopf eines Kassettenmagnetbandgerätes, der durch die in der Magnetbandkassette 3 Fig, 1 befindliche Andruckfeder 2,sowie durch den Bandzug hevorgerufen wird. Die Einhaltung eines bestimmten Toleranzbereiches des Bandandruckes ist hierbei ein bedeutender Qualitätsparameter der Magnetbandkassetten« Die Wirkungsweise der Messung beruht darauf, daß die Kraft, welche in Richtung auf den Magnetkopf 1 wirkt und durch die Andruckfeder 2 in der Magnetbandkassette 3 und den Bandzug hervorgerufen wird, durch eine gleichgroße Gegenkraft, hervorgerufen durch einen Elektromagneten 4 (Schubmagnet) kompensiert wird, wobei der Strom durch den Elektromagneten 4 direkt proportional zur Andruckkraft ist. Der Magnetkopf 1 befindet sich auf dem Kopf schütten 5 (kugelgelagert), der ein Eintauchen des Magnetkopfes 1, in den Kassettenschlitz bis zu einer durch den Bolzen 6 festgelegten Eintauchtiefe gestattet. Über eine Schubstange 7 ist der Kopfschlitten 5 mit dem aus magnetesierbaren Material hergestellten Anker 8 des Elektromagneten 4 mechanisch fest verbunden. Die nichtmagnetische Verlängerung des Ankers 9 wird außerhalb des Elektromagneten 4 auf zwei Kugellagern 10 gelagert. Damit wird erreicht, daß der Anker 8, dessen Verlängerung 9, sowie die Schubstange an keiner Stelle am Spulenkörper des Elektromagneten 4 bzw. an der Buchse 11 anliegen und die Reibung gering bleibt. Mechanisch mit dem Kopf schütten 5 verbunden ist die Blende 12, die den Strahlengang einer Lichtschranke 13, bestehend aus Leuchtdiode 14 (Fig. 2) und einen Fototransistor 15 bei einer bestimmten Eintauchtiefe des Magnetkopfes 1 freigibt. In Verbindung mit der Lichtschranke 13 wird erreicht, daß der Elektromagnet 4 während der Messung nicht von Gleichstrom, sondern von Stromimpulsen durchflossen wird. Dieses hat eine Rüttelbewegung des Ankers 8 zur Folge, -wodurch die Reibungseinfliisse weitestgehend eliminiert werden. Die den Elektromagneten speieenden Stromimpulse werden wie im folgenden erklärt im Gerät gebildet (siehe dazu auch Fig. 2).The Bandandruckmeßgerät is used to measure the mechanical pressure on the magnetic head of a cassette tape recorder, which is caused by the in the magnetic tape cassette 3 Fig, 1 located pressure spring 2, as well as by the tape tension. The operation of the measurement is based on the fact that the force acting in the direction of the magnetic head 1 and caused by the pressure spring 2 in the magnetic tape cassette 3 and the tape tension, by an equal counterforce caused by an electromagnet 4 (thrust magnet) is compensated, wherein the current through the electromagnet 4 is directly proportional to the pressing force. The magnetic head 1 is on the head pour 5 (ball-bearing), which allows immersion of the magnetic head 1, in the cassette slot to a depth determined by the pin 6 immersion depth. About a push rod 7 of the head carriage 5 is mechanically firmly connected to the armature 8 made of magnetizable material of the electromagnet 4. The non-magnetic extension of the armature 9 is mounted outside of the electromagnet 4 on two ball bearings 10. This ensures that the armature 8, the extension 9, and the push rod abut at any point on the bobbin of the electromagnet 4 or on the bushing 11 and the friction remains low. Connected mechanically to the head 5 is the aperture 12, which releases the beam path of a light barrier 13, consisting of light-emitting diode 14 (FIG. 2) and a phototransistor 15 at a certain insertion depth of the magnetic head 1. In conjunction with the light barrier 13 ensures that the electromagnet 4 is not traversed by DC current, but by current pulses. This has a jarring movement of the armature 8 result, whereby the Reibungseinfliisse be largely eliminated. The electromagnets spewing current pulses are formed as explained below in the device (see also Fig. 2).

Nach Einschalten des MagnetStromkreises drückt der Elektromagnet 4 den Magnetkopf 1 gegen die Andruckfeder 2 der ^Magnetbandkasfsette 3, "bis eine bestimmte Eintauchtiefe des Magnetkopf esAfter switching of the magnetic circuit of the electromagnet 4 presses the magnetic head 1 against the pressing spring 2 the ^M agnetbandkasfsette 3, "to a certain penetration depth of the magnetic head

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in die Magnetbandkassette 3 erreicht ist (Pig.1).Nun gibt die Blende 12 der -Lichtschranke den Strahlengang der Lichtschranke 13 frei, was ein als Komparator geschalteter Operationsverstärker 16 (Pig.2) auswertet und über einen Schaltverstärker 17 den Magnet Stromkreis unterbricht. Damit sind nur noch die Kraft der Andruckfeder 2 und der Bandzug wirksam, welche den Magnetkopf 1 zurückschieben, wodurch jedoch wieder der Elektromagnet 4 eingeschaltet wird und erneut den Magnetkopf 1 gegen die Andruckfeder 2 drückt. Während die Ausschaltzeit des Elektromagneten 4 relativ unabhängig von der Kraftwirkung der Andruckfeder 2 ist, ist die Einschaltzeit direkt proportional zur Andruckkraft, so daß der Strom durch den Elektromagneten eine Reckteckimpulsfolge mit je nach Andruckkraft unterschiedlichen Tastverhältnis und unterschiedlicher Frequenz ist. Die Meßwertanzeige wird beim aufgebauten Gerät mittels eines Drehcpultneßgerätes 18 im Magnetstromkreis realisiert, welches die Impulsfolge integriert und einen der ^Andruckkraft proportionalen Zeigerausschlag liefert« Unter Berücksichtigung der drückenden Fläche der Andruckfeder 2 kann die Skala dieses Meßgerätes direkt in der Maßeinheit des Druckes geeicht werden. Der Referenzspannungseingang des Operationsverstärkers 16 und die Leuchtdiode 14 werden aus einer gemeinsamen nicht dargestellten Spannungsquelle gespeist, um Änderungen des Meßpunktes (=Eintauchtiefe) bei Spannungsschwankungen gering zu halten(Fig.2).In the magnetic tape cassette 3 is reached (Pig.1). Now, the aperture 12 of the light barrier, the beam path of the light barrier 13 free, which evaluated as a comparator operational amplifier 16 (Pig.2) and interrupts the magnetic circuit via a switching amplifier 17. Thus, only the force of the pressure spring 2 and the tape tension are effective, which push back the magnetic head 1, which, however, again the solenoid 4 is turned on and again presses the magnetic head 1 against the pressure spring 2. While the turn-off of the electromagnet 4 is relatively independent of the force of the pressure spring 2, the turn-on time is directly proportional to the pressing force, so that the current through the electromagnet is a Reckteckimpulsfolge with different pressing force and different frequency depending on the pressing force. The measured value display is realized in the built-up device by means of a Drehcpultnßgerätes 18 in the magnetic circuit which integrates the pulse train and a ^ Andruckkraft proportional pointer deflection supplies. Taking into account the pressing surface of the pressure spring 2, the scale of this meter can be calibrated directly in the unit of pressure. The reference voltage input of the operational amplifier 16 and the light emitting diode 14 are fed from a common voltage source, not shown, to keep changes in the measuring point (= immersion depth) in case of voltage fluctuations low (Figure 2).

Infolge des Meßprinzips schwankt die Eintauchtiefe des Magnetkopfes 1 bei der Messung ständig zwischen maximaler und minimaler Eintauchtiefe, deren Differenz je nach der Höhe der zu messenden Kraft schwankt und zwischen-denen die optimale Eintauchtiefe liegt. Diese kann auf einfache V/eise in gewissen Grenzen, die durch die Konstruktion der Lichtschranke 13 festgelegt sind, durch Verändern der Referenzspannung mittels des Potentiometers 19 beeinflußt werden. Der Bolzen 6 verhindert ein übermäßig starkes Überschwingen des Magnetkopfes 1 und ist so positioniert, daß -bei der eingestellten optimalen Eintauchtiefe die Amplitude der mechanischen Schwingungen des Llagnetkopfes 1 möglichst klein ist. Charakteristisch für das Ließprinzip ist, daß mit wachsenderAs a result of the measuring principle, the depth of immersion of the magnetic head 1 constantly fluctuates during the measurement between maximum and minimum immersion depth, the difference varies depending on the height of the force to be measured and between which the optimal immersion depth. This can be easily influenced within certain limits, which are determined by the construction of the light barrier 13, by changing the reference voltage by means of the potentiometer 19. The bolt 6 prevents excessive overshoot of the magnetic head 1 and is positioned so that -with the set optimum immersion depth, the amplitude of the mechanical vibrations of the magnetic head 1 is as small as possible. Characteristic of the Ließprinzip is that with growing

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Andruckkraft die Frequenz der Rechteckimpulsfolge sinkt und damit auch die Differenz zwischen maximaler und minimaler Eintauchtiefe des Magnetkopfes 1 wächst, was ab einem gewissen Frequenzwert störend sein oder die >Messung sogar unmöglich machen kann. Durch Überlagerung der Rechteckimpulsfolge durch den Elektromagneten 4 mit einem Gleichstrom in einem weiteren Meßbereich 20 ist es jedoch möglich, ohne mechanische Änderung an der Meßapparatur bedeutend größere Kräfte zu messen. Durch eine zusätzliche Gleichstromeinspeisung ist der Elektromagnet 4 auch in ier Ausschaltphase (Strahlengang der Lichtschranke nicht unterbrochen) nicht stromlos, was diese wiederum verkürzt und die Frequenz der Rechteckimpulsfolge erhöht, sowie die Amplitude der mechanischen Schwingungen des Magnetkopfes 1 verringert. Um die störende Anzeige des Gleichstromes durch den Elektromagneten 4 bei fehlender Kraftwirkung auf den Magnetkopf 1 im zweiten Meßbereich 20 zu verhindern, wird das Drehspuläaeßgerät 18 nur dann im Magnetstromkreis eingeschaltet, wenn ein Schwingungsindikator, bestehend aus einer Gleichrichterschaltung · 21 und einer Schaltstufe 22 am Elektromagneten 4 eine Rechteckimpulsfolge feststellt.Pressure force, the frequency of the rectangular pulse train decreases and thus the difference between the maximum and minimum immersion depth of the magnetic head 1 grows, which may be disturbing from a certain frequency value or> make the measurement even impossible. By superposition of the rectangular pulse train by the electromagnet 4 with a direct current in a further measuring range 20, however, it is possible to measure significantly larger forces without mechanical change to the measuring apparatus. By an additional direct current injection of the electromagnet 4 is not de-energized in ier turn-off (beam path of the light barrier), which in turn shortens and increases the frequency of the rectangular pulse train, and reduces the amplitude of the mechanical vibrations of the magnetic head 1. In order to prevent the disturbing display of direct current through the electromagnet 4 in the absence of force on the magnetic head 1 in the second measuring range 20, the Drehspuläaeßgerät 18 is only turned on in the magnetic circuit when a vibration indicator consisting of a rectifier circuit · 21 and a switching stage 22 on the electromagnet 4 detects a rectangular pulse train.

Claims

22 3 2 68 -τ ·· claim for invention

1. Device for electrically measuring static-dynamic mechanical forces, characterized in that the force to be measured by the Kraftwxpkung an electromagnet (4) is compensated, wherein the current through the electromagnet (4) is proportional to the measuring force and the measuring point by means of light barrier (13) is determined.

2 · Device for the electrical measurement of static-dynamic mechanical forces according to point 1, characterized in that the supply of the electromagnet (4) by means of current pulses whose pulse interval and length provides information about the measuring force ·

3 »Device for the electrical measurement of static-dynamic mechanical forces according to items 1 and 2, thereby. in that the pulses which supply the electromagnet (4) are derived in conjunction with a light barrier (13), it being possible for the measuring point to be determined simultaneously with the light barrier (13)

4. Device for electrically measuring static-dynamic mechanical forces according to item 1 and 2, characterized in that the measuring force is compensated by a force which generates an armature (8) in the electromagnet (4), which is mounted frictionless »

5. Device for electrically measuring static-dynamic mechanical forces according to items 1 to 4, characterized in that the electromagnet (4) is acted upon to compensate for higher forces with a pulse superimposed DC voltage ·

6 · Device for the electrical measurement of static-dynamic mechanical forces according to items 1 to 5, characterized in that by an electrical circuit, the measured value by means of Drehspulmeßgerät (18) only when applying a pulse train to the electromagnet (4).

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