DE2627303A1 - Vorrichtung zur elektromechanischen wandlung einer physikalischen groesse in eine elektrische groesse - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur elektromechanischen Wandlung einer phy-
• sikalischen Größe in eine elektrische Größe Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektromechanischen Wandlung einer physikalischen Große (Kraft, Wcg) in eine elektrische Größe, insbesondere einen elektromechanischen Kraftaufnehmer, auf den Meßkräfte führende Elemente wie Wägehebel u.dgl. einwirken, mit einem durch die physikalische Größe verformbaren Dehnungsmaterial und diesem zugeordneten dehnungsempfindlichen Wandlerelementen, beispielsweise Dehnungsmeßstreifen.
• Bei solchen Vorrichtungen, insbesondere wenn sie im Bereich der Wägetechnik eingesetzt werden, ergibt sich ein erhebliches Problem mit Bezug auf die Langzeitkonstanz des Nullsignals, an die aus eichtechnischen und meßtechnischen Gründen besonders hohe Anforderungen gestellt werden muß.
• Die Nullkonstanz bei elektromechanischen Wandlervorrichtungen, die beispielsweise Kraftaufnehmer mit Dehnungsmeßstreifen verwenden, kann aus einer Vielzahl von Gründen negativ beeinflußt werden, etwa durch Drifterscheinungen an den verwendeten mechanischen und elektrischen Komponenten, durch nicht völlig zu kompensierende Temperaturabhängigkeiten, durch bleibende Verformungsänderungen, wenn nach Wegnahme eines zu wägenden Gutes über längere Zeiträume gesehen das System nicht mehr völlig auf Null zurückgeht oder durch sonstige, sich beispielsweise auf die einzelnen Komponenten der Wandlervorrichtung unterschiedlich auswirkende Einflüsse.
• Handelt es sich bei der Wandlervorrichtung um einen Kraftaufnehmer mit Dehnungsmeßstreifen, so ist es zwar möglich, die Temperaturkoeffizienten von Dehnungsmeßstreifen und Dehnungskörper, auf welchem die Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind und der der mechanischen Einwirkung ausgesetzt ist, nahezu gleich zu machen, die Temperaturkoeffizienten sind jedoch nicht völlig identisch.
• Bei Temperaturänderungen ergeben sich Relativdehnungen zwischen Dehnungsmeßstreifen und Dehnungskörper, die wiederum, wenn auch nur sehr kleine elektrische Signale erzeugen und das Meßergebnis beeinflussen können.
• Bekannt ist es, zur Temperaturkompensation eine besondere Auswahl des Materials des Dehnungskörpers zu treffen und durch zusätzliche Dehnungsmeßstreifen und temperaturabhängige Widerstände, die auf ein nicht deformiertes Teil des Kraftaufnehmers aufgebracht sind,und durch empirische Bestimmung der Größen dieser zusätzlichen Kompensationsmittel eine relativ gute Konstanz des Nullsignals zu erreichen.
• Dies ist jedoch kompliziert, erfordert zusätzliche Elemente, entsprechende Eichungen und Justierungen und kann vor allen Dingen nicht in sämtlichen Fällen die Nullkonstanz solcher Kraftaufnehmer sichern.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektromechanische Wandlervorrichtung allgemein und einen Kraftaufnehmer mit Dehnungsmeßstreifen im besonderen zu schaffen, der eine außerordentlich hohe Nullpunktkonstanz aufweist, dennoch aber die zu messende Kraft mit hoher Genauigkeit erfassen kann.
• Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von der eingangs genannten Vorrichtung und besteht darin, daß mindestens zwei Dehnungskörper vorgesehen sind, daß auf jedem Dehnungskörper mindestens ein dehnungsempfindliches Wand 1erelement angeordnet ist, daß die Ausgangssignale der Wandlerelemente einander entgegen geschaltet sind und daß beide Dehnungskörper durch eine identische, ständig einwirkende Vorspannung vorgespannt und so angeordnet sind, daß die Meßkraft nur auf einen der Dehnungskörper einwirkt Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, daß sich nach Wegnahme der zu messenden Krafteinwirkung von selbst ein konstantes Nullsignal einstellt, welches auch keinerLangzeitänderung mehr unterworfen ist, da die beiden vorhandenen Dehnungskörper mit zugeordneten Wandlerelementen die gleichen äußeren Einflüsse erleiden und daher auf diese Einflüsse zurückzuführende Ausgangssignaländerungen wegen der Entgegenschaltung nicht mehr zur Anzeige kommen können, andererseits aber die Meßkraft sicher erfaßt werden kann, da sie sich nur auf einen der Dehnungskörper auswirkt.
• Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.
• Im folgenden werden AuEbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 in schematischer Blockbilddarstellung eine mögliche Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 in ebenfalls schematisierter Darstellung eine mögliche mechanische Ausbildung des Kraftaufnehmers mit zugeordneten Wandlerelementen in Form von Dehnungsmeßstreifen und Fig 3 eine mögliche elektrische Schaltungsanordnung zur Gewinnung eines entsprechend nullpunktsicheren Ausgangssignals.
• Die elektromechanische Wandlervorrichtung ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 versehen und umfaßt zwei Kraftaufnehmer 2a und 2b, die so ausgebildet sind, daß eine Änderung von auf die Kraftaufnehmer einwirkenden physikalischen Kräften eine entelektrischen sprechende, bevorzugt proportionale Änderung ihrer/Ausgangssignale bewirkt. Die Kraftaufnehmer, die im wesentlichen aus dem System Dehnungskörper-Wandlerelement bestehen, sind identisch ausgebildet oder doch so justiert, daß sie für gleiche äußere Krafteinwirkung gleiche Ausgangssignale liefern; außerdem wird ihnen die gleiche Eingangsspannung UE zugeführt. Die Ausgänge 3a und 3b der Kraftaufnehmer 2a und 2b sind so miteinander verbunden, daß es zu einer Entgegenschaltung oder Subtraktion der Ausgangsspannungen beider Kraftaufnehmer kommt; bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bilden die Ausgänge 3a und 3b einen gemeinsamen Summenpunkt 4, an dem die Ausgangsspannung UA anfällt. Beide Kraftaufnehmer 2a und 2b werden von einer identischen, ständig einwirkenden Kraft PO beaufschlagt, was zu gleichen und infolge geeigneter elektrischer Beschaltung entgegengesetzten Ausgangssignalen führt, so daß sich am Summenpunkt 4 die Ausgangsspannung UA zu Null ergibt.
• Wie ersichtlich, wirken sich äußere Einflüsse, beispielsweise Temperatur, Alterung, sonstige Drifteinflüsse u.dgl. auf beide Kraftaufnehmer 2a und 2b identisch aus, so daß ein solches System vom Prinzip her eine Lang zeitkons tanz des Nullsignals sichert. Die zu messende Krafteinwirkung Px wirkt sich lediglich auf den Kraftaufnehmer 2a aus und führt zu einer Störung des Gleichgewichts und einer entsprechenden Ausgangsspannung UA.
• Der Darstellung der Fig. 2 läßt sich eine erste Möglichkeit zur Realisierung der Wandlervorrichtung der Fig. 1 entnehmen, wobei ein Wägehebel 10 mittels einer Schneide 12 gestellfest gelagert ist. An der Schneide 13 wirkt die Lastschale 14 mit der aufgelegten Last 11 als vertikale Kraft nach unten. Dieses System ist durch eine Ausgleichsmasse 5 so kompensiert, daß bei der Belastung Null der Lastschale 14 an der Krafteinleitungsstelle 6 keine vertikale Kraft wirkt.
• Senkrecht zum Wägehebel 10 erstreckt sich das Kraftaufnehmersystem, bestehend aus einem Kraftaufnehmer 7, auf welchem unterhalb und oberhalb der Krafteinleitungsstelle 6 bei A und B Wandlerelemente angeordnet sind, die beim Ausführungsbeispiel als Dehnungsmeßstreifen ausgebildet sind. Der Kraftaufnehmer 7 ist hier ein einstückiges Stahlband, welches mit den Wandlerelementen A und B die Funktion der Kraftaufnehmer 2a und 2b übernimmt und gleichzeitig eine mechanische Kupplung der beiden Kraftaufnehmer infolqe seiner einstückigen Ausbildung sicherstellt. Bei A und B sind jeweils vier Dehnungsmeßstreifen auf dem Stahlbaangeordnet, z.B. je zwei auf jeder Seite, insgesamt also acht Dehnungsmeßstreifen.
• Der Kraftaufnehmer 7 ist bei 8 gestellfestgelagert und wird mittels einer Feder 9 in Funktionsrichtung vorgespannt. Die Einleitung der Meßkraft bei 6 erfolgt formschlüssig, d.h.
• spielfrei.
• Da die Totlast der Waage, hervorgerufen durch das Gewicht der Wägebrücke und des ebelwerks, durch das Ausgleichsgewicht 5 oder durch eine entsprechende Federwirkung vollkommen ausgeglichen ist, ist die im unbelasteten Zustand am Kraftaufnehmer 7 wirkende Kraft gleich Null.
• In diesem Fall erfassen beide Wandlerelemente A und B die von der Feder 9 auf den Kraftaufnehmer 7 ausgeübte Zugkraft, und es ergibt sich infolge der Gegeneinanderschaltung ihrer Ausgangssignale das Gesamtausgangssignal UA = 0, gleichzeitig wird hierdurch die Langzeitkonstanz des Nullsignals gesichert, denn Änderungen der Federspannung, Alterung des Kraftaufnehmers, Temperatureinflüsse u.dgl. wirken sich auf beide Wandlerelemente A und B stets gleich aus und können den Nullpunkt nicht verschieben.
• Ergibt sich an der Krafteinleitungsstelle 6 infolge einer aufgelegten Last 11 eine vertikale Kraft, so wird, wie leicht einzusehen ist, durch diese Kraft das Wandlerelement A-zusätzlich beaufschlagt, das Wandlerelement B wird jedoch durch diese Kraft nicht beeinflußt. Anstelle der Feder 9 kann auch eine Masse wirksam sein.
• Weiterhin ist es möglich, die beiden Kraftaufnehmer 2a und 2b nicht durch ein einstückiges Stahlband entsprechend der Ausbildung des Kraftaufnehmers 7 zu realisieren, sondern zwei getrennte Kraftaufnehmer vorzusehen und an ihren oberen Endbereichen ortsfest einzuspannen. Verbindet man ihre unteren Endbereiche gelenkig über einen Querhebel, so kann man an der Mitte des Querhebels die Kraft der Feder 9 oder eines sonstigen geeigneten Gewichts einwirken lassen; diese Kraft verteilt sich gleichmäßig auf beide Dehnungskörper und wird durch eine an dem Anlenkpunkt des einen Dehnungskörpers mit dem Querhebel angreifende zusätzliche Kraft, nämlich durch die Meßkraft,nicht beeinflußt. Durch eine Querverschiebung der angreifenden Kraft am Querhebel können beispielsweise auch Unsymmetrien der beiden Systeme mechanisch kompensiert werden; eine weitere Kompensationsmöglichkeit läßt sich elektrisch durch entsprechende Beschaltung der Wandlerelemente erreichen.
• Anstelle des durchgehenden vorgespannten Stahlbandes des Kraftaufnehmers 7 können auch sonstige geeignete Dehnungskörper, beispielsweise Federringe verwendet werden, deren Spannung oder Dehnung durch Dehnungsmeßstreifen oder sonstige Sensoren ermittelt wird.
• Fig. 3 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel für die Ausbildung und Zusammenschaltung der Wandlerelemente; hierbei besteht jedes Wandlerelement A und B aus vier in Form einer Wheatstone' schen Brücke zusammengeschalteten Dehnungsmeßstreifen, die als Widerstände R1 - R4 und R1' - R4' bezeichnet sind. über geeignete, zwischen den Brücken angeordnete Abgleichwiderstände R5 und R6 werden die sich an den Brückendiagonalen ergebenden Meßspannungen zur Subtraktion in entsprechender Weise zusammengeschaltet und ergeben die Ausgangs spannung UA; die Speisung der Brücke erfolgt mit Hilfe einer hochkonstanten Eingangsspannung UE. Die Ausgangsspannung UA kann dann mit Hilfe weiterer, nicht näher zu beschreibender elektronischen Auswertesysteme verarbeitet und angezeigt werden. Die acht Widerstände Rl-Re,Rl'-R4' in Fig. 3 können z.B. die Dehnungsmeßstreifen bei II und B in Fig. 2 symbolisieren.
• Es versteht sich, daß die Ausbildung der Wandlerelemente in Form der beiden Wheatstone'schen Brücken lediglich eine Möglichkeit zur Realisierung der erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung darstellt; beispielsweise ist es möglich, die als Dehnungsmeßstreifen ausgebildeten Wandlerelemente A und B lediglich als eine oder zwei Widerstandsbeschichtungen auf dem bandförmigen Kraftaufnehmer 7 auEzubringen und die Gegeneinanderschaltung unmittelbar in einer einzigen Wheatstone'schen Brücke oder einer sonstigen geeigneten elektrischen Schaltungsanordnung vorzunehmen.
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Claims (6)

1. Patentansprüche S Vorrichtung zur elektromechanischen Wandlung einer physikalischen Größe (Kraft, Weg) in eine elektrische Größe, insbesondere elektromechanischer Kraftaufnehmer, auf den Meßkräfte führende Elemente wie Wägehebel u.dgl. einwirken, mit einem durch die physikalische Größe verformbaren Dehnungsmaterial und diesem zugeordneten, dehnungsempfindlichen Wandlerelementen, beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Dehnungskörper (2a, 2b; 7) vorgesehen sind, daß auf jedem Dehnungskörper mindestens ein dehnungsempfindliches Wandlerelement (A, B; R1 - R4, R1' - R4') angeordnet ist, daß die Ausgangssignale der Wandlerelemente einander entgegengeschaltet sind und daß beide Dehnungskörper (2a, 2b; 7) durch eine identische, ständig einwirkende Vorspannung (PO) vorgespannt und so angeordnet sind, daß die Meßkraft (Px)nur auf einen der Dehnungskörper (2a) einwirkt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungskörper kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungskörper von einem einstückigen, bandförmigen Kraftaufnehmer(7)gebildet sind und die Einleitstelle (6) der Meßkraft (Px) zwischen den von zwei Wandlerelementen (A, B) auf dem Kraftaufnehmer (7) gebildeten Meßstellen erfolgt.
4. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung ausschließlich der Meßkraft (Px) die Totlast des Wägesystc3ms (10, 14) durch Massen- oder Federwirkung (5) im wesentlichen kompensiert ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von einem Stahlband gebildete Kraftaufnehmer (7) einseitig eingespannt und an seinem anderen Ende einer Vorspannungskrafteinwirkung (Feder 9) unterworfen ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (A, 13) jeweils zu beiden Seiten der Meßkrafteinleitungsstelle (6) auf dem Stahlband des Kraftaufnehmers (7) befestigte und in Wheatstone' scher Brückenschaltung angeordnete Dehnungsmeßstreifen (R1 - R4; R1' - R4') sind, daß beiden Brückenschaltungen die gleiche, konstante Eingangsspannung (UE) zugeführt und die Meßdiagonalen der Brücken derart miteinander verknüpft sind, daß bei Fehlen einer Meßkraft (Px) die Gesamtausgangsspannung (UA) gleich Null ist.