DE3706243A1

DE3706243A1 - Verfahren und einrichtung zur kraftmessung

Info

Publication number: DE3706243A1
Application number: DE19873706243
Authority: DE
Inventors: Shinichi Inoue; Masami Yamanaka
Original assignee: Yamato Scale Co Ltd
Current assignee: Yamato Scale Co Ltd
Priority date: 1986-04-21
Filing date: 1987-02-26
Publication date: 1987-10-22
Also published as: FR2597598A1; KR900003199B1; GB8704035D0; US4858145A; JPS62249024A; CN87102892A; FR2597598B1; GB2189319A; KR870010392A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Gattungsgemäße Kraftmeßeinrichtungen, bei denen die Eigenfrequenz einer gespannten schwingenden Saite durch Änderung der auf die Saite wirkenden Zugspannung in Abhängigkeit von einer angelegten Kraft geändert wird, sind beispielsweise aus der GB-PS 21 33 800 bekannt. Bei dieser bekannten Einrichtung ist eine Metallsaite zwischen die freien Enden zweier paralleler Ausleger- Bauteile eingespannt und die zu messende Kraft wird auf das freie Ende des einen dieser Bauteile zur Einwirkung gebracht. Die Spannung der Saite ist eine Funktion der Größe der angelegten Kraft und bestimmt ihrerseits die Eigenschwingungsfrequenz der Saite. Mißt man also die Schwingungsfrequenz der Saite, so kann man hieraus die angelegte Kraft errechnen.

Die Spannung der Metallsaite hängt außerdem von den Federkonstanten der Ausleger-Bauteile ab und diese Federkonstanten werden im allgemeinen durch die Umgebungstemperatur beeinflußt. Die Saite wird anfänglich durch die Rückfederung der geringfügig gebogenen Ausleger-Bauteile vorgespannt und diese anfängliche Vorspannung bestimmt den Nullwert der Einrichtung. Eine Änderung der Umgebungstemperatur kann daher eine unerwünschte Nullpunktverschiebung und damit Meßfehler zur Folge haben.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Kraftmeßverfahren und eine Kraftmeßeinrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, daß Fehler durch Änderung der Umgebungstemperatur vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Eine Ausführungsform einer Kraftmeßeinrichtung gemäß der Erfindung enthält ein elastisches Haupt-Auslegerbauteil und ein elastisches Hilfs-Auslegerbauteil, zwischen deren freien Enden eine Metallsaite eingespannt ist, sowie eine Vorrichtung zur Messung der Schwingungsfrequenz der Saite und zur Errechnung der Größe einer Kraft, die auf das Haupt-Auslegerbauteil einwirkt. Insoweit entspricht die Einrichtung dem Stand der Technik. Gemäß der Erfindung enthält die Einrichtung außerdem einen Temperatursensor, der an oder in der Nähe mindestens eines der elastischen Bauteile angeordnet ist, und eine Anordnung zum Errechnen eines Kompensationswertes auf der Basis des Ausgangssignales des Temperatursensors und zur automatischen Korrektur der gemessenen Kraft mittels dieses Kompensationswertes.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden auch noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Kraftmeßeinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Nullpunktverschiebung bei einer Einrichtung gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit von der Temperatur;

Fig. 3 und 4 Flußdiagramme, die eine beispielsweise Rechenoperation darstellen, wie sie in einer Einrichtung der in Fig. 1 dargestellten Art ablaufen kann und

Fig. 5 und 6 Schaltbilder von Ausführungsformen eines Analog/Digital-Konverters für die Einrichtung gemäß Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält ein elastisches Haupt-Bauteil (1), das, wie bekannt, die Form eines Parallelogrammes hat, am einen Ende (2) horizontal auskragend an einem Rahmen oder dergleichen befestigt ist und am anderen Ende (3) eine Waagschale (4) trägt. Am festen Ende (2) des Haupt-Bauteils (1) ist ein elastisches Hilfs-Bauteil (5) angebracht, welches im Abstand parallel zum Haupt-Bauteil verläuft und einen dünneren, leichter biegsamen Abschnitt (5 a) enthält, der sich in der Nähe des festen Endes (2) befindet. Zwischen die freien Enden der Bauteile (1 und 5) ist eine Metallsaite (6) eingespannt, die durch ein Magnetfeld zwischen zwei Magnetpolen (7) verläuft. Die Saite (6) ist als Teil eines Oszillators (8) geschaltet, der ein Schwingungssignal mit einer Frequenz erzeugt, die der Eigenschwingungsfrequenz der Saite (6) entspricht. Die Schaltung des Oszillators kann so ausgebildet sein, wie es in der eingangs genannten britischen Patentschrift 21 33 800 beschrieben ist, so daß sich eine weitere Erläuterung erübrigt.

Das Ausgangssignal des Oszillators (8) wird einem Zähler (9) zugeführt, der die Schwingungszyklen des Oszillatorsignals zählt und eine Torschaltung (10) für eine Zeitspanne entsprechend einer bestimmten Anzahl von Schwingungszyklen öffnet. Der Eingang der Torschaltung (10) ist mit einem Taktimpulsgenerator (11) verbunden, der einen Taktimpulszug erzeugt, dessen Frequenz höher ist als die Oszillatorfrequenz. Der Taktimpulszug wird von der Torschaltung (10) durchgelassen, wenn diese durch den Zähler (9) aufgetastet ist und die durchgelassenen Taktimpulse werden durch einen weiteren Zähler (12) gezählt. Der Zählwert des Zählers (12) ist also genau proportional zur Schwingungsfrequenz der Saite (6), die wiederum eine Funktion der auf die Waagschale (4) einwirkenden Last oder Kraft ist. Der Wert W der Last wird durch eine Gewichtsrechnereinheit (13) aus dem Zählwert des Zählers (12) auf der Basis des erwähnten funktionellen Zusammenhanges errechnet.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung enthält die als Waage realisierte Kraftmeßeinrichtung außerdem eine Anordnung zum Umwandeln des gemessenen Wertes W in einen kompensierten Wert W _c, der dem Meßwert bei einer vorgegebenen Referenztemperatur entspricht. Als Referenztemperatur kann beispielsweise 20°C gewählt werden.

An dem elastischen Hilfs-Bauteil (5) ist in der Nähe des Biegeabschnittes (5 a) ein Temperaturfühler (14), wie ein Thermistor, angebracht, der eine Temperaturinformation T über einen Analog/Digital-Konverter (15) an einen Temperaturkompensationswert-Rechner (16) liefert. Der Rechner errechnet die Abweichung des Meßwertes W vom korrigierten Wert W _c als Differenz der Nullpunktabweichung D bei der augenblicklichen Temperatur von der bei der Referenztemperatur. Dieser Wert Δ D wird vom gemessenen Wert W in einem Addierer/ Subtrahierer (17) abgezogen, der den korrigierten Wert W _c an eine Anzeigevorrichtung (18) liefert.

Die Temperaturinformation T vom Temperaturfühler (14) ist nicht immer eine lineare Funktion der tatsächlichen Temperatur und die Nullpunktabweichung D ist im allgemeinen eine nichtlineare Funktion der Temperaturinformation T. Dies ist besonders dann der Fall, wenn ein Thermistor als Temperaturfühler (14) verwendet wird. In Fig. 2 zeigt die Kurve (20) ein Beispiel einer solchen nichtlinearen D/T-Funktion. Wenn die Kurve (20) einer quadratischen Gleichung der Form

D = aT ² + bT + c (1)

entspricht, ist die Nullpunktabweichung D₀ bei der Referenztemperatur T₀ durch die folgende Gleichung gegeben:

D₀ = aT₀² + bT₀ + c (2)

Es ist daher

Δ D = D - D₀ = aT ² + bT₀ - k (3)

wobei

k = aT₀² + bT₀ (4)

Der Wert k ist konstant, da a und b Konstante sind und T₀ ist ebenfalls eine vom verwendeten Temperaturfühler (14) abhängige Konstante. Der Rechner (16) enthält einen nicht dargestellten Festwertspeicher (ROM) zum Speichern der Gleichung (3) sowie der erwähnten Konstanten und errechnet den Kompensationswert Δ D aus der augenblicklichen Temperaturinformation T auf der Basis dieser Gleichung.

Wenn die D/T-Kurve einer Gleichung höherer Ordnung entspricht, kann eine entsprechende Rechnung unter Verwendung der betreffenden Gleichung durchgeführt werden.

Wenn die D/T-Kurve durch eine Gerade (19) angenähert werden kann, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, läßt sich Δ D mit der folgenden einfachen Gleichung errechnen:

Δ D = K(T - T₀), (5)

wobei K eine Konstante ist. Die Kompensationsrechnung kann dann mit einem Programm durchgeführt werden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

Gemäß Fig. 3 wird die auf die Waagschale (4) einwirkende Last W in einem Schritt (31) durch die Gewichtsrechnereinheit (13) errechnet und die Temperaturinformation T wird vom A/D-Konverter (15) im Schritt (32) empfangen. Im Schritt (33) wird dann der Kompensationswert Δ D in der oben beschriebenen Weise durch den Rechner (16) errechnet und der Kompensationswert wird im Schritt (34) durch den Addierer/Substrahierer (17) vom errechneten Lastwert W abgezogen. Der resultierende korrigierte Lastwert W _c wird im Schritt (35) durch die Anzeigevorrichtung (18) angezeigt.

Wenn der funktionelle Zusammenhang von D und T weder durch eine einfachere Gleichung noch durch eine einzige gerade Linie, wie die Gerade (19) in Fig. 2 angenähert werden kann, läßt er sich gegebenenfalls durch einen geknickten Linienzug annähern. Ein Beispiel eines solchen geknickten Linienzuges ist in Fig. 2 mit (24, 25 und 26) bezeichnet, er enthält Knicke bei den Temperaturinformationswerten T 1 und T 2. In diesem Falle kann die Errechnung des Kompensationswertes im Schritt (33) (Fig. 3) durch ein Unterprogramm errechnet werden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Bei dem Unterprogramm gemäß Fig. 4 wird die augenblickliche Temperaturinformation T in den Schritten (41) und (42) mit T 1 bzw. T 2 verglichen, um einen der drei Bereiche (21, 22 und 23) auszuwählen, der dann für die Rechnung verwendet wird, und die Rechnung wird dann in einem entsprechenden der Schritte (43, 44 bzw. 45) durchgeführt.

Die beschriebenen Approximationen und Rechnungen können entfallen, wenn man die Kompensationswerte Δ D für eine ausreichende Anzahl von Temperaturinformationswerten T experimentell mißt und diese Werte in einem Festwertspeicher (ROM) als Korrelationstabelle speichert. Wenn diese Tabelle die Form einer Matrix von T und W hat, können alle Fehler infolge von Temperaturänderungen einschließlich der oben erwähnten Nullpunktverschiebung korrigiert werden.

Als A/D-Konverter (15) kann eine handelsübliche integrierte Schaltung verwendet werden, man kann jedoch auch Schaltungen benutzen, wie sie in Fig. 5 und 6 dargestellt sind.

Die Schaltung gemäß Fig. 5 enthält eine Oszillator- Verstärker-Schaltung (50) mit einer Parallelschaltung eines Thermistors (51) und eines Kompensationswiderstandes (52), der ein Kondensator (53) in Reihe geschaltet ist, sowie einen Operationsverstärker (54) und Spannungsteilerwiderstände (55, 56). Die Schaltung (50) erzeugt ein Rechteckschwingungssignal mit einer Periode t, die proportional der Temperatur T _t des Thermistors (14) gemäß der folgenden Gleichung ist:

wobei K₁ und K₂ Konstante sind und T, Rt und C die Werte der betreffenden Komponenten der Schaltung gemäß Fig. 5 bedeuten.

Das von der Oszillator-Verstärker-Schaltung (50) erzeugte Rechteckschwingungssignal wird durch eine geeignete Impulsformungsschaltung (57) in einen bipolaren Impulsspitzenzug umgewandelt und die resultierenden positiven und negativen spitzen Impulse werden dem Setz- bzw. Rücksetzeingang eines Flip-Flops (58) zugeführt. Das Flip-Flop (58) ist mit seinem Q-Ausgang mit einem Eingang eines UND-Gatters (59) gekoppelt, an dessen anderen Eingang ein nicht dargestellter Taktgenerator angeschlossen ist. Mit dem Ausgang des UND-Gatters (59) ist ein Zähler (60) verbunden. Die vom UND-Gatter (59) durchgelassenen Taktimpulse werden dementsprechend vom Zähler (60) gezählt und der Zählwert des Zählers (60) ist proportional zur Temperatur T. Der Zählwert des Zählers (60) kann also dem Temperaturkompensationswertrechner (16) als Temperaturinformation T zugeführt werden.

Die Schaltung gemäß Fig. 6 enthält eine Parallelschaltung aus einem Thermistor (51) und einem Kompensationswiderstand (52). Wenn diese Parallelschaltung mit einem konstanten Strom i _c gespeist wird, tritt an ihr ein ihrem Widerstand entsprechender Spannungsabfall e auf, nämlich Rt · R/(Rt + R). Diese Spannung e wird durch einen Spannungs-Frequenz- (V/f)-Wandler (61) in eine Wechselspannung umgewandelt, deren Frequenz proportional zur Eingangsspannung e ist. Dieses Frequenzsignal wird einem Zähler (63) über ein UND-Gatter (62) zugeführt, das durch ein Torsignal vorgegebener Dauer aufgetastet wird. Der während der Auftastdauer erreichte Zählwert des Zählers (63) ist dementsprechend proportional zur Temperatur T _t und kann als Temperaturinformation T verwendet werden.

Die in Fig. 5 und 6 erwähnten Thermistoren (51) können als Temperaturfühler (14) der Einrichtung gemäß Fig. 1 dienen.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer Kraft, bei welchem die Kraft auf mindestens ein elastisches Bauteil zur Einwirkung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der funktionelle Zusammenhang zwischen der Temperatur des elastischen Bauteils und einem entsprechenden Kompensationswert für die gemessene Kraft ermittelt und gespeichert wird; daß am elastischen Bauteil ein Temperaturfühler angebracht wird, um Information über die Temperatur des elastischen Bauteils zu erzeugen; daß aus der Temperaturinformation und dem gespeicherten funktionellen Zusammenhang ein der Temperatur entsprechender Kompensationswert errechnet wird; und daß die gemessene Kraft mit diesem Kompensationswert korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der funktionelle Zusammenhang als quadratische Gleichung gespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der funktionelle Zusammenhang in Form mindestens einer linearen Gleichung gespeichert wird.

4. Verfahren zum Messen einer Kraft mittels einer Kraftmeßvorrichtung, die mindestens ein elastisches Bauteil zur Aufnahme der Kraft enthält, dadurch gekennzeichnet, daß vorab eine Korrelationstabelle der Temperatur des elastischen Bauteils und entsprechender Kompensationswerte für die gemessene Kraft gespeichert werden; daß an dem elastischen Bauteil ein Temperaturfühler angebracht wird, um die Temperatur des elastischen Bauteils zu messen und Information über diese Temperatur zu erhalten; daß ein der Temperatur entsprechender Kompensationswert aus der Korrelationstabelle herausgelesen wird und daß die gemessene Kraft mit diesem Kompensationswert korrigiert wird.

5. Einrichtung zur Kraftmessung mit

- einem elastischen Haupt-Auslegerteil (1), dessen freies Ende (3) zur Aufnahme einer zu messenden Kraft ausgebildet ist,
- einem im Abstand und parallel zum Haupt-Auslegerbauteil (1) verlaufenden elastischen Hilfs-Auslegerbauteil (5),
- einer zwischen die freien Enden des Haupt- und des Hilfs-Auslegerbauteils (1, 5) gespannte Saite (6), und
- einer Anordnung (7 - 13) zum Messen der Schwingungsfrequenz der Saite (6) und zum Errechnen der Größe der zu messenden Kraft aus dieser Frequenz,

gekennzeichnet durch

- einen Temperaturfühler (14), der in der Nähe mindestens eines der Ausleger-Bauteile (1, 5) angeordnet ist und Information über die Temperatur des betreffenden Bauteils liefert,
- einer Rechenvorrichtung (16) zum Errechnen eines der gemessenen Temperatur entsprechenden Kompensationswertes aus der genannten Information, und
- einer Korrekturvorrichtung (17) zum Korrigieren des errechneten Kraftwertes durch den Kompensationswert.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorrichtung eine Speicheranordnung zum Speichern eines funktionellen Zusammenhanges zwischen der Temperaturinformation und dem Kompensationswert sowie ein Rechenwerk zum Errechnen des Kompensationswertes aus der Temperaturinformation und dem funktionellen Zusammenhang enthält.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der funktionelle Zusammenhang wenigstens annähernd eine quadratische Gleichung ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der funktionelle Zusammenhang mindestens eine näherungsweise lineare Gleichung ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorrichtung eine Speicheranordnung zur Speicherung einer Korrelationstabelle für die Temperatur und die entsprechenden Kompensationswerte enthält und daß die Korrekturvorrichtung unter Steuerung durch die Temperaturinformation den entsprechenden Kompensationswert für die Korrektur verwendet.