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.
Electric mass and force meter
The present invention relates to an electrical mass and force meter with a preferably digital evaluation device in which the quantity to be measured - z. B. mass or force - acts indirectly on the mechanical tension of two elements electrically excitable to transverse vibrations, so that their resulting frequency changes can be used to calculate and display the specified variable in the evaluation device.
Mass and force meters of this type, in which the quantity to be measured acts on the mechanical tension of two transversely vibrating, pre-tensioned strings excited by electronic means, are described in Swiss Patent 447 653.
There are also means for stimulating and sensing the string vibrations known, such. B. in Swiss patent 404 736 described. Finally, evaluation devices are known which can be used to calculate and display the force to be measured. Such a device is shown in Swiss patent 405 743.
The mass and force meter according to the invention is characterized in that a force proportional to the variable to be measured is distributed as a tensile or compressive force to two rods, whose resonance frequency influenced by this is used to determine the variable to be measured in the evaluation device.
In the accompanying drawing, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown schematically. Show it:
1 shows a vertical section of a dynamometer;
FIG. 2 is a perspective view of the mechanical elements of the dynamometer of FIG. 1, the electronic components not being shown;
2a shows a detail of the arrangement of the bars;
3 shows a vertical section of a force gauge with a booster;
4 shows an example of a mass meter in vertical section.
The dynamometer according to FIG. 1 has a frame 1 in which two rods 2, 3 are clamped. The ends of these rods 2, 3 are attached to a common central body 4. The frame 1 can optionally be attached to a carrier, not shown, or placed on a base. A transmission element 5 is attached to the body 4, on whose end pieces 5a the force to be measured (shown here schematically by the arrow 6) acts. A link 7 is attached on the one hand to the frame 1 and on the other hand to the node 20 of the transmission organ 5, so that the force in this transmission organ 5 is independent of small changes in the direction of the force 6.
The rods 2, 3 and the transmission member 5 are arranged in a star shape, i. H. that their geometric axes intersect at least approximately at point 8. In the present example it is assumed that the force 6 is always a tensile force, so that the transmission elements (5, 5a) do not have to be rigid in compression and that no pretensioning is necessary.
The exciters 9 and the collector heads 10 are arranged in a known manner next to the rods 2, 3. The signals generated are fed to an evaluation and display device 11. The force 6 is displayed directly digitally. If desired, a quantity proportional to this force, e.g. B. a price, are displayed.
In Fig. 2 is shown schematically how the mechanical elements of this dynamometer can be arranged. In the frame, not shown, an L-shaped carrier 12 is arranged, on which three clamping heads 13, 14, 15 are attached. The first two 13, 14 are used to attach the rods 2, 3; the third 15 for attaching the link 7. The transmission element 5 is guided through a hole 16 in the carrier 12.
Generally known means, not shown, allow the clamping head 15 of the handlebar 7 to be set and locked. This handlebar 7 is connected to the clamping head 15 by means of a short leaf spring 17 which forms a joint. The transmission member 5 can preferably consist of a non-flexurally rigid member, such as wire or tape. The distribution of the force 6, which acts on the central body 4 through the transmission element 5, on the two rods 2, 3 is essentially determined by the angles a and fl (FIG. 2a) of the two rods with respect to the direction of the transmission element 5. The two rods 2, 3 and the transmission element 5 are expediently arranged in the same plane in which the force 6 is at least approximately.
If the extension of the transmission organ 5 falls outside the angle y formed by the rods 2, 3, the rod 2 is relieved and the rod 2 is relieved when the organ 5 is tensile. In this case, for certain evaluation formulas, the rods 2, 3 are preferably relieved in a ratio of 3: -1 or 1: -3, as will be explained later. If the extension of the transmission organ 5 falls within the mentioned angle y, the bars 2 and 3 are both loaded. The bars 2, 3 are excited by known means to a transverse oscillation of a certain ritual and a certain order. E.g. the 3.
HarmonÅa! Schleer achieved in the plane of the two bars. When the force 6 is zero, the bars 2, 3 vibrate with a certain shape and a certain frequency. If the force 6 is applied, the oscillation frequency will vary, while the oscillation form is only changed insignificantly. If the rods 2, 3 were connected to the clamping heads 13, 14 or to the central body 4 with backlash and torque-free joints, the form of oscillation would not change at all. In this case the relationship between the frequency of the rod and the component of the force 6 acting on it would be particularly simple. As is known, the frequency of the rod oscillation increases with the square root of the axial component of the force 6.
With restrained bars, the relationship is no longer fundamental, but the relationship between frequency and force is essentially the same as with hinged bars. So that the dynamometer can work insensitive to vibrations, d. H. so that the force 6 is measured correctly when the carrier 12 is exposed to vibrations, the mass of the body 4 and that of the handlebar 7 should be kept small. The bars 2, 3 are advantageously decoupled from the environment in the frequency band of their transverse oscillation. The clamping heads 13, 14 and the central body 4 are chosen as mechanical low-pass filters with a cut-off frequency which is much (e.g. ten times) lower than the resonance frequency of the rods. This is achieved, for example, by correctly dimensioning the masses of the clamping heads and the stems carrying them.
In FIG. 3, a dynamometer is shown in which the force 6 to be measured is transmitted to the central body 4 in a stocky manner. The reduction takes place by means of a rope corner consisting of the ropes 5, 18 and 19. The force 6 is distributed over the rope 18 in the node 20 to the ropes 5 and 19 in the link 20. The rope 19 is attached to the housing. The organ 19b, which is used to attach it, can be fixed on the frame 1 and. Determined by the angle between the ropes, the rope 5 transmits part of the force 6 to the central body 4. To make the direction of the rope 18 independent of small deviations in the direction of the force 6, it is also at the node 20a by the handlebar 7 led.
In Fig. 4 a mass meter is shown. The weight of the mass M is transmitted to the central body 4 via a pressure rod 5a, which forms a balance bridge together with two links 7, 7a, and via a second pressure rod. The pressure rods 5, 5a and the links 7, 7a are connected to one another or to the frame 1 in a known manner by virtual joints in the form of leaf springs 21. The connection between the rod 5 and the central body 4 is also ensured by a leaf spring 21 serving as a virtual joint. The same electronic means (9-11, FIG. 1) are also used in this exemplary embodiment.