Elektrischer Massen- und Kraftmesser
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Massen- und Kraftmesser mit einem vorzugsweise digitalen Auswertungsgerät, bei welchem die zu messende Grösse - z. B. Masse oder Kraft - mittelbar auf die mechanische Spannung zweier elektrisch zu Transversalschwingungen erregbarer Elemente einwirkt, so dass deren dadurch bedingte Frequenzänderungen zur Berechnung und Anzeige der genannten Grösse im Auswertungsgerät verwendbar sind.
Massen- und Kraftmesser dieser Gattung, bei denen die zu messende Grösse auf die mechanische Spannung zweier durch elektronische Mittel erregter, querschwingender, vorgespannter Saiten einwirkt, sind im Schweizer Patent 447 653 beschrieben.
Es sind ebenfalls Mittel zur Anregung und Fühlung der Saitenschwingungen bekannt, wie z. B. im Schweizer Patent 404 736 beschrieben. Es sind schliesslich Auswertungsgeräte bekannt, die zur Berechnung und Anzeige der zu messenden Kraft verwendet werden können. Ein solches Gerät ist in dem Schweizer Patent 405 743 dargestellt.
Der erfindungsgemässe Massen- und Kraftmesser ist dadurch gekennzeichnet, dass eine der zu messenden Grösse proportionale Kraft als Zug- oder Druckkraft auf zwei Stäbe verteilt wird, deren dadurch beeinflusste Re sonanzfrequenz zur Ermittlung der zu messenden Grösse im Auswertungsgerät verwendet wird.
In der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines Kraftmessers;
Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht der mechanischen Elemente des Kraftmessers nach Fig. 1, wobei die elektronischen Bestandteile nicht dargestellt sind;
Fig. 2a ein Detail der Anordnung der Stäbe;
Fig. 3 einen Vertikalschnitt eines Kraftmessers mit Übersetzer;
Fig. 4 im Vertikalschnitt ein Beispiel eines Massenmessers.
Der Kraftmesser nach Fig. 1 weist einen Rahmen 1 auf, in welchem zwei Stäbe 2, 3 eingespannt sind. Die Enden dieser Stäbe 2, 3 sind an einem gemeinsamen zentralen Körper 4 befestigt. Der Rahmen 1 kann wahlweise an einem nicht dargestellten Träger befestigt oder auf eine Unterlage aufgestellt werden. Am Körper 4 ist ein Obertragungsorgan 5 befestigt, an dessen Endstücke 5a die zu messende Kraft (hier schematisch durch den Pfeil 6 dargestellt) wirkt. Ein Lenker 7 ist einerseits am Rahmen 1 und anderseits am Knoten 20 des tJbertra- gungsorgans 5 befestigt, so dass die Kraft in diesem Übertragungsorgan 5 von kleinen änderungen der Richtung der Kraft 6 unabhängig ist.
Die Stäbe 2, 3 und das Übertragungsorgan 5 sind sternförmig angeordnet, d. h. dass ihre geometrischen Achsen sich mindestens annähernd im Punkte 8 schneiden. Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass die Kraft 6 stets eine Zugkraft ist, so dass die Übertragungsorgane (5, 5a) nicht drucksteif sein müssen und dass keine Vorspannung notwendig ist.
Die Erreger 9 und die Abnehmerköpfe 10 sind in bekannter Weise neben den Stäben 2, 3 angeordnet. Die erzeugten Signale werden einem Auswerte- und Anzeigegerät 11 zugeleitet. Die Kraft 6 wird direkt digital angezeigt. Falls es gewünscht wird, kann auch eine dieser Kraft proportionale Grösse, z. B. ein Preis, angezeigt werden.
In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, wie die mechanischen Elemente dieses Kraftmessers angeordnet werden können. Im nicht dargestellten Rahmen wird ein L-förmiger Träger 12 angeordnet, an welchem drei Einspannköpfe 13, 14, 15 angebracht sind. Die zwei ersten 13, 14 dienen zur Befestigung der Stäbe 2, 3; der dritte 15 zum Anbringen des Lenkers 7. Das tSbertragungs- organ 5 ist durch ein Loch 16 des Trägers 12 geführt.
Nicht gezeichnete, allgemein bekannte Mittel erlauben eine Ein- und Feststellung des Einspannkopfes 15 des Lenkers 7. Dieser Lenker 7 ist an dem Einspannkopf 15 mittels einer kurzen Blattfeder 17 verbunden, die ein Gelenk bildet. Das Übertragungsorgan 5 kann vorzugsweise aus einem nicht biegungssteifen Organ, wie Draht oder Band, bestehen. Die Verteilung der Kraft 6, welche durch das Obertragungsorgan 5 auf den zentralen Körper 4 wirkt, auf die zwei Stäbe 2, 3 wird im wesentlichen durch die Winkel a und fl (Fig. 2a) der zwei Stäbe bezüglich der Richtung des Obertragungsorgans 5 bestimmt. Zweckmässig werden die zwei Stäbe 2, 3 und das Übertragungsorgan 5 in der gleichen Ebene angeordnet, in welcher auch die Kraft 6 mindestens annähernd liegt.
Fällt die Verlängerung des Übertragungsorgans 5 ausserhalb des durch die Stäbe 2, 3 gebildeten Winkels y, so wird bei Zug-Belastung des Organs 5 der Stab 2 bei und der Stab 3 entlastet. Für gewisse Auswertefor meln werden in diesem Fall die Stäbe 2, 3 vorzugsweise etwa im Verhältnis 3 :-1 oder 1 :-3 bei und entlastet, wie später begründet wird. Fällt die Verlängerung des tXber- tragungsorgans 5 innerhalb des genannten Winkels y, so werden die Stäbe 2 und 3 beide belastet. Die Stäbe 2, 3 werden mit bekannten Mitteln zu einer Transversal swingung bestunmter Ritung und bestimmter Ordnung erregt. Es wird z.B. die 3.
HarmonÅa ! schle in dcrEbene der zwei Stäbe errqt. Wenn die Kraft 6 null ist, schwingen die Stäbe 2, 3 mit einer gewissen Form und einer gewissen Frequenz. Wird die Kraft 6 angebracht, so wird die Schwingungsfrequenz variieren, während die Schwingungsform nur unwesentlich verändert wird. Wären die Stäbe 2, 3 mit spiel- und momentlosen Gelenken mit den Einspannköpfen 13, 14 bzw. mit dem zentralen Körper 4 verbunden, so würde sich die Schwingungsform überhaupt nicht ändern. In diesem Fall wäre die Beziehung zwischen der Frequenz des Stabes und der auf ihn wirkenden Komponente der Kraft 6 besonders einfach. Die Frequenz der Stabschwingung wächst bekanntlich mit der Wurzel der axialen Komponente der Kraft 6.
Bei eingespannten Stäben ist die Beziehung nicht mehr elementar, aber die Beziehung zwischen Frequenz und Kraft ist im wesentlichen dieselbe wie bei gelenkig gelagerten Stäben. Damit der Kraftmesser erschütterungsunempfindlich arbeiten kann, d. h. damit die Kraft 6 richtig gemessen wird, wenn der Träger 12 Erschütterungen ausgesetzt ist, soll die Masse des Körpers 4 und die des Lenkers 7 klein gehalten werden. Die Stäbe 2, 3 werden vorteilhafterweise im Frequenzband ihrer Querschwingung von der Umgebung entkoppelt. Die Einspannköpfe 13, 14 und der zentrale Körper 4 werden als mechanische Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz, die viel (z. B. zehnmal) niedriger als die Resonanzfrequenz der Stäbe liegt, gewählt. Dies wird, beispielsweise durch richtige Bemessung der Massen der Einspannköpfe und der sie tragenden Stiele, erreicht.
In Fig. 3 ist ein Kraftmesser dargestellt, bei welchem die zu messende Kraft 6 untersetzt auf den zentralen Körper 4 übertragen wird. Die Untersetzung geschieht mittels eines Seilecks, bestehend aus den Seilen 5, 18 und 19. Die Kraft 6 wird über das Seil 18 im Knoten 20 auf die Seile 5 und 19 im Glied 20 verteilt. Das Seil 19 ist am Gehäuse befestigt. Das Organ 19b, das zu seiner Befestigung dient, ist am Rahmen 1 eine und feststellbar. Durch die Winkel der Seile untereinander bestimmt, überträgt das Seil 5 einen Teil der Kraft 6 auf den zentralen Körper 4. Um die Richtung des Seiles 18 von kleinen Abweichungen der Richtung der Kraft 6 unabhängig zu machen, ist es auch am Knoten 20a durch den Lenker 7 geführt.
In Fig. 4 ist ein Massenmesser dargestellt. Das Gewicht der Masse M wird über einen Druckstab 5a, der zusammen mit zwei Lenkern 7, 7a eine Waagbrücke bildet, und über einen zweiten Druckstab auf den zentralen Körper 4 übertragen. Die Druckstäbe 5, 5a sowie die Lenker 7, 7a sind in bekannter Weise durch virtuelle Gelenke in Form von Blattfeder 21 miteinander bzw. mit dem Rahmen 1 verbunden. Die Verbindung zwischen Stab 5 und zentralem Körper 4 ist ebenfalls durch eine als virtuelles Gelenk dienende Blattfeder 21 gewährleistet. Auch in diesem Ausführungsbeispiel werden die gleichen elektronischen Mittel (9-11, Fig. 1) verwendet.