Kraftniesser
Die Erfindung betrifft einen Kraftmesser mit wenigstens einer vorgespannten Saite, welche durch elektrische Mittel zu Querschwingungen angeregt wird, wobei deren Frequenzänderung unter dem Einfluss einer ,die Spannung der Saite verändernden Kraft ein Mass für die Grösse dieser zu messenden Kraft ist.
Derartige Kraftmesser werfen ein grundsätzliches Problem auf, das sich aus der physikalischen Tatsache ergibt, dass sich die Schwingungsfrequenz einer & ite im wesentlichen proportional zu der Wurzel aus der die Saite spannenden Kraft ändert. Die daraus resultierende Schwierigkeit hat man bisher meist dadurch umgangen, dass man zur Erzielung einer linearen Abhängigkeit mit zwei Saiten arbeitete. Für Anordnungen mit einer Saite war die Anwendung entweder auf Fälle beschränkt, in welchen die einwirkende Kraft ihrerseits mit einer drittcu Grösse, welche ermittelt werden soll, in einem quadratischen Zusammenhang steht (vgl.
Schweizerisches Patent 427 345, Durchflussmessung), oder aber es ergaben sich Schwierigkeiten bei der Auswertung der Messungen, die nur durch relativ aufwendige Massnah- men gelöst werden konnten. Es wurde sogar noch kürzlich die Ansicht vertreten, Systeme mit einer Saite seien ungeeignet zur Kraftmessung (Technische Mitteilungen, Vulkan-Verlag, Essen (BRD), 1970, Heft 1, S.
16/17).
Die vorliegende Erfindung hat ihre Aufgabe darin gesehen, einen Kraftmesser zu schaffen, welcher auch bei Verwendung nur einer Saite für einen gewählten Messbereich diese Schwierigkeiten überwindet und z. B.
eine - innerhalb der geforderten Messgenauigkeitlineare Frequenz-Kraft-Kenlinie aufweist. Wird diese Bedingung erfüllt, so vereinfacht sich die Auswertung und Darstellung des Messergebnisses ganz wesentlich.
Es crgibt sich nunmehr die Möglichkeit, durch direktes Erfassen der Saitenfrcquenz. beispielsweise mit Hilfe eines Quarzschwingers, den Messwert abzunehmen und digital darzustellen.
Erfindungsgemäss wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Kraftmesser der eingangs näher beschriebenen Art zusätzliche, von der zu messenden Kraft abhängige, auf die vorgespannte Saite eine Kraft ausübende Mittel vorgesehen sind, um eine bestimmte Abhängigkeit der Frequenzänderung von der zu messenden Kraft zu erzielen. In ,den meisten Fällen wird man eine lineare Abhängigkeit anstreben.
Einige Gründe, weshalb die Erfindung die genannte Aufgabe löst, seien nachstehend anband einer grundsätzlichen theoretischen Uberlegung kurz erörtert.
Der Zusammenhang zwischen Frequenz- und Kraft änderung kann in bekannter Weise durch eine Potenzreihe ,der allgemeinen Form dargestellt werden: #f#K1 #P + K2 #Pê + K3 . #P3 + ..., wobei Af die Frequenzänderung und AP die Kraftän- derung ist und K1, K2... Koeffizienten bedeuten, welche unter anderem die Vorlast enthalten.
Wie sich rechnerisch zeigen lässt, nimmt die Grösse der Koeffiztenten bei einer im Verhältnis zum Messbereich genügend grossen Vorlast mit wachsendem Index rasch ab. Das Reihenglied zur 4. IPotenz braucht in der Regel nicht berücksichtigt zu werden, da sein Wert in der relativen Grössenordnung von 10-6 und darunter liegt. Auch das dritte Glied beeinflusst die Nichtlinearität, je nach der gewählten Auslegung des Kraftmessers, im allgemeinen nur sehr wenig. Die Hauptrolle spielt somit das quadratische Glied.
Die z.B. angestrebte Linearisierung lässt sich also dadurch erteichen, dass die kraftausübenden Mittel ein quadratisch und gegebenenfalls ein kubisch die nichtlineare Frequenzänderung beeinflussendes Störkraftglied enthalten. Für diesen Zweck sind grundsätzlich alle Mittel geeignet, welche dangestalt auf den abhängig von der Messkraft beweglichen Teil des Kraftmessers einwirken, Idass der auf die Saite einwirkenden Kraft weitere mit dem Ablauf des beweglichen Teils nicht linear sich ändernde Störkräfte überlagert werden.
Eine Voraussetzung zur Linearisierung auf die eben erwähnte Art besteht darin, dass der bewegliche Teil des Kraftimessers einen nennenswerten Weg ausführen muss.
Diese Bedingung ist jedoch durch Kopplung der Saite mittels eines elastischen Gliedes, beispielsweise einer Schraubenfeder, einfach zu erfüllen.
Eine bevorzugte Ausführungsform Ides erfindungsgemässen Kraftmessers bedient sich zur Kompensation des erwähnten quadratischen Gliedes der Eigenschaft von Magneten, eine sich umgckchrt proportional mit dem Quadrat des Abstandes ändernde Kraft aufeinander auszuüben.
Andere Lösungen, konstruktiv ebenfalls einfach, sehen z. B. elastische Mittel vor, so beispielsweise Drehfedern, vorzugsweise Schraubenfedern mit nichtli- nearer Kraft-Weg Kennlinie, welche auf Zug oder Druck beansprucht werden können, oder aber Biegefedern, vorzugsweise Spiralfedern, welche auf den beweglichen Teil über ein Moment an einem nach einer Cosinus- Funktion veränderlichen wirksamen Hebelarm eine unlineare Kraft ausüben (auch ein auf Biegung beanspruchte Schraubenfeder ist zu diesem Zweck geeignet).
Schliesslich besteht die Möglichkeit, eine Masse lan einem Hebelarm, der senkrecht zur Messkraft steht, vorzusehen, dessen Länge sich unter dem Einfluss der Messkraft nichtlinear mit dieser ändert.
Als vorteilhaft erweist es sich, den beweglichen Teil des Kraftmessers durch eine Parallelführung mit dem festen Teil zu verbinden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert, In den - nicht massstäblichen - Zeichnungen, in welchen auf nicht erfindungswesentliche Details zwecks übersichtlicherer Darstellung weitgehend verzichtet wurde, zeigen
Figur 1 eine Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Krafumessers in der Verwendung als oberschalige, parallelgeführte Einsaitenwaage,
Figur 2 einen Schnitt entlang 2-2 der Fig. 1,
Figur 3 bis 10 schematisch weitere Ausführungsformen mit einer Messaite,
Figur 11 eine Prinzipdarstellung der Frequenz-Last Kennlinie sowie der einzelnen Kraftverläufe des Beispiels nach Fig. 1, und
Figur 12 eine Ausführungsform mit zwei Messaiten.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Seitenwaage besitzt eine Grundplatte 11, von welcher lein vertikal angeordneter Träger 12 aufragt. An diesem Träger 12 ist mittels zweier Dreiecklenker 13, 14 aus elastischem Material (Federbronze) der Schalenträger 15 mit der oben angeordneten Waagschale 16 parallel geführt. Die Verbindung zwischen Träger 12, Schalenträger 15 und den Lenkern 13, 14 erfolgt durch Schrauben (nicht dargestellt). Auf dem unteren Lenker 14 ist ein höhenverstellbares Empfindlichkeitsgewicht 17 angebracht.
Ein Ausleger 18, mit dem Träger 12 fest verbunden, dient zur festen Einspannung der Messaite 19, welche an ihrem unteren Ende über eine Schraubenfeder 20 mit linearer Kraft-Weg-Kennlinie mit einem auskragenden Teil 21 des Schalenträgers 15 verbunden ist. Die Feder 20 erfüllt eine Dreifachfunktion: Sie dient einerseits die Krafteinleitung lauf die Saite, andererseits deren Entkopplung vorm beweglichen Teil der Waage, und schliesslich dem Schutz der Saite vor Überlastung. Eine weitere am Träger 12 angebrachte Konsole 22 dient zur Halterung des Erregungs- und Abtastkopfes 23, welcher in bekannter Weise die Saite 19 in Schwingungen versetzt und die jeweiligen Saitenfrequenzen aufnimmt und dem elektronischen Auswerteteil übermittelt.
Am Schalenträger 15 ist eine Konsole 25 befestigt, auf der ein runder Permanentmagnet 26 aufgeklebt ist.
Ein weiterer Permanentmagnet 27 gleicher Dimensionen wird von einem Ausleger 28 getragen, der seinerseits ortsfest mit einer von der Grundplatte 11 aufragenden Säule 29 verbunden ist. Der Ausleger 28 ist aus Federbronze und erlaubt mittels der Justierschraube 30 eine Höhenverstellung des Magneten 27.
Am Fuss des Schalenträgers 15 kragt ein weiterer Ausleger 31 aus, der an seinem Ende eine Aluminium- fahne 32 aufweist. Auf der Grundplatte 11 sind zwei Permanentmagnete 33 angebracht. Die Fahne 32 taucht mit Spiel in Iden Spalt zwischen den Magneten 33 ein unld bildet so bei Bewegungen des Schalenträgers 15 eine Wirbelstrombremse.
In einer Bchrung 24 der Grundplatte 11 ist beweglich eine Verlängerung des Schalenträgers 15 mit einem doppeltwirkenden Anschlag 34 angeordnet, der den freien Weg des Schalenträgers 15 nach unten und oben begrenzt und so eine übermässige Beanspruchung der Saite 19 und der Parallelführung 13, 14 bei zu grosser Be- oder Entlastung verhindert.
Die dargestellte Saitenwaage weist eine Vorlast (Gehängegewicht) von 1700 p und einen Wägebereich von 100 p auf. Die Saite arbeitet mit einer Anfangsfrequenz von 16 kHz und einer Endfrequenz von 16,7 kHz, dem Wägebereich von 100 p entsprechen also 400 Hz Signalhub. In diesem Aussteuerbereich ergibt die Krüm- mung der Frequenz-Last-Kennlinie (vgl. Figur 11 a) eine maximale Unlinearität von ca. 1,3 Hz, die nun durch die variable Kraftwirkung der beiden Magnete 26, 27 praktisch völlig eliminiert wird. Bei Wägelast Null wirken die einander zugekehrten gleichnamigen Pole der Magnete 26, 27 somit einer abstossenden Kraft von 60 p aufeinander, d. h. in der Vorlast resp. Grundlast sind 60 p Magnetkraft enthalten. Diese Magnetkraft ist durch Drehen der Justierschraube 30, d. h.
Verändern des Abstands zwischen den beiden Magneten, einstellbar.
Die Lenker 13, 14 sind bei Belastung mit 50 p (hulber Wägebereich) in der Horizonbalen, also ohne Rückstellkräfte. Bei Belastung der Waagschale 16 mit der Last P wird das System ausgelenkt. Die Saite wird stärkergespannt, die Lenker 13, 14 üben, bezogen auf die Horizontale, eine - sich praktisch linear ändernde - Rückstellkraft aus, und die abstossende Magnetkraft wird geringer, wobei der Magnetkraftverlauf aufgrund der bekannten umgekehrten Proportionalität zum Quadrat des Abstandes unlinear ist.
Über den Wägebereich von 100 p ändert sich die Rückstellkraft der Lenker 13, 14 etwa von +3,5 auf -3,5 p, die Magnetkraft ist auf etwa 48 p abgesunken, auf die Saite entfällt also ein Kraftzuwachs von rund B1 p.
Durch die nichtlineare Abnahme der Magnetkraft ergibt sich hier eine relative Unlinearität im Zusammen- hang Wägelast/Frequenzänderung über dem betrachteten Bereich von nur etwa + S 10-5 Der gesamte Weg des Schalenträgers in vertikaler Richtung beträgt dabei nur etwa 0,5 mm; bei Verwendung anderer Mittel zur Linearisierung (s u.) ist im allgemeinen ein wesentlich grösserer Weg erforderlich.
Der elektronische Teil der Waage (Erregung, Abnahme, Auswertung und Darstellung des Ergebnisses) ist nach bekannten Prinzipien gestaltet (vgl. z. B. VDI Zeitschrift 1956, Bd. 98, Nr. 26, S. 1541 ff.) und nicht Gegenstand dieser Erfindung; es wurde daher auf seine Darstellung verzichtet.
Die Figuren 3 bis 11 zeigen weitere erfindungsgemässe Ausführungsformen. Zur Kennzeichnung der gleichbleibenden Elemente wurden die gleichen Bezugsziffern wie inden Fig. 1 und 2 verwendet.
In Fig. 3 dient eine am Schalenträger 15 angreifende, auf Zug beanspruchte Schraubenfeder 35 mit nichtlinearer Kraft-Weg-Kennlinie zur Erzeugung der linearisierenden Störkraft. Ihr mit dem festen Teil des Kraftmessers verbundenes unteres Ende 36 kann. verschieblich befestigt sein, um eine Justierung der unlinearen Störkraft zu ermöglichen. Durch Variation ,der Feder konstanten der Kopplungsfeder 20 mit bekannten Mittein bestcht ferner die Möglichkeit, das Ausmass der Linearisierung über die so erreichbare unterschiedliche Alussteuerung der Feder 35 zu varüeren. Bei entspre- chender Auslegung Ider Federkonstanten ist es möglich, den störenden Einfluss der nichtlinearen Glieder 2. und
3.
Grades der in der Einleitung angeführten Potenzreihe weitgehend zu kompensieren.
In gleicher Weise wie oben wirkt in Fig. 4 eine unlineare, auf Druck beanspruchte Schraubenfeder
37.
Fig. 5 zeigt die Anwendung einer Spiralfeder 38, welche eine in vertikaler Richtung wirkende, mit der Auslenkung des beweglichen Teils des Systems nicht linear veränderliche Kraft auf diesen ausübt. Eine analoge Wirkung kann mit einer auf Biegung bean- spruchten Schraubenfeder erzielt werden. In beiden
Fällen ist wenigstens der obere Lenker 13' zweckmässig starr.
In Fig. 6 ist leine Ausführung gezeigt, bei welcher der
Linearisierungseffekt mit Hilfe unlinear zunehmenden Hebelarm erreicht wird. Bei Auslenkung des Systems
15, 16 aus der Anfangsstellung (@@ wesentlich grösser als Null) ändert Isich die Zugrichtung der Koppelfeder nur wenig, während sich der wirksame Hebelarm der
Masse des beweglichen Teils relativ stark unlinear ändert. Es ergibt sich so der gewünschte Korrektureffekt bei der Übertragung der Messkraft auf die Saite.
Vorzugsweise bleibt hierbei der Winkel x im gesamten
Arbeitsbereich stets merklich grösser als Null.
Fig. 7 verdeutlicht eine weitere Variante in Form einer Blalkenwaage mit Balken 39 und Gegengewicht 40.
Hier bewirkt der Ablauf des Balkens nach der bekann ten Tangensfunktion den Linearisierungseffekt. Ähulich wie bei Variante 6 darf der Neigungswinkel es nicht kleiner als Null werden; der gewählte Ausschlagbereich y sowie die Schwerpunktslage des Waagbalkens bestim men das Ausmass der Linearisierung.
Fig. 8 zeigt im wesentlichen eine Kombination der Varianten nach Iden Fig. 5 und 7. Sie stellt eine weitere Möglichkeit dar, Störkräfte zur Kompensation des quadratischen und gleichzeitig des kubischen Gliedes der oben erwähnten, die Frequenz-Funktion darstellenden Potenzreihe einzuführen. In diesem Fall dient ein Ausschlag des Systems symmetrisch zur Horizontalen zum Aufbau einer Störkraft zur Kompensation des kubischen Gliedes.
Die Variante nach Fig. 7 zeigt leinen stabil justierten Waagbalken, der die auf die Saite eingeleitete Wägelast untersetzt. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, das Gegengewicht 40 wie in Fig. 8 dargestellt oberhalb des Waagbalkens anzuordnen, dass eine labile Justierung vorliegt und die auf die Saite wirkende Wägelast übersetzt wird.
Fig. 9 zeigt insofern eine Umkehrung der Variante nach Fig. 3, als hier eine Anordnung mit abnehmender Saitenfrequenz bei zunehmender Messkraft vorliegt.
Eine weitere Variante zeigt Fig. 10. Hier greift eine lineare Zugfeder 41 über ein Zugband 42 am oberen Lenker 13 an. Das Zugband 42 ist an einem kreisbogenförmigen Halter 43, dessen Radius von der Lagerstelle 44 ausgeht, befestigt, und erzeugt somit ein linear abuehmendes Moment auf den Lenker 13. Abhängig vom Cosinus des Neigungswinkels erzeugt dieses Moment eine am Gehänge in Richtung der Messkraft wirkende Störkraft. Aus der Variation dieser Störkraft in Abhängigkeit von der Vertikalbewegung des beweglichen Teils folgt die linearisierende Korrckturwirkung.
Weitere Möglichkeiten ähnlich der Variante nach Fig. 10 liegen auf ,der Hand, so beispielsweise der Ersatz der Feder 41 durch ein parallelgeführtes, vertikal bewegliches Gewidht.
In Fig. 11 schliesslich ist in Diagrammform der prinzipielle Zusammenhang gezeigt. Teil a zeigt die charakteristische unlineare Abhängigkeit der Saitenfrequenz f von der Saitenkraft Ps, wobei mit B der Bereich der Aussteuerung (Messbeteich) bezeichnet ist. In Teil b ist qualitativ das Zusammenwirken der Kräfte der Anordnung nach den Fig. 1 und 2 dargestellt: Die Wägelast Pw steigt linear von Null auf 100p an, gleichzeitig ändert sich, ebenfalls linear, die Rückstellkraft Pf der Parallelführung von + 3,5 p auf - 3,5 p (entgegengesetzt zur Wägelast, daher abnehmend).
Ebenfalls abnehmend, jedoch mit nichtlinearer Kraft Weg-Kennlinie, ändert sich die von den Magneten herrührende Störkraft PM, und es ergibt sich der resultierende KraftverlauE Pr, welcher die unlineare Veränderung der Saitenkraft Ps darstellt.
Fig. 12 verdeutlicht die Anwendung der Linearisierung auf eine Saitenwaage mit zwei Saiten. Beim Belasten der Waagschale 16 wird die Spannung der Saite
19 erhöht, diejenige der - gleich gestalteten- Saite 19' erniedrigt, (die Grundlast der Anordnung dann im wesentlichen durch Ausführung der Lenker 13, 14 als entsprechend biegesteife Federn oder aber durch Einwirkung einer nach oben wirkenden Zugfeder auf den Ausleger 21' (nicht gezeigt) aufgenommen werden).
Entsprechend ergibt sich ein gegensinniger Verlauf der beiden Frequenz-Last-Kennlinien: Diejenige Ider Saite
19 steigt mit der Last, während diejenige der Saite 19' fällt. Die gemeinsame Auswertung der beiden Frequenz änderungen ergibt eine bereits weitgehend lineare Abhängigkeit von der Kraftänderung, da sich die beiden quadratischen Anteile der Unlinearitäten gegeneinander aufheben. Die Nichtlinearitäten dritten Grades werden durch die Magnetanordnung 46, 47, 48 kompensiert.
Der Vorteil der Zweisaitenanordnung mit gegenläufigem Frequenz-Last-Verhalten ist der praklisch verdoppelte Signalhub, also eine grössere Empfindlichkeit.
Es wurde ein Ausführungsbeispiel mit einem Messbereich von 100 p näher beschrieben. Dieser Messbereich kann in bekannter Weise beispielsweise durch Schaitgewichte erweitert werden. Darüber hinaus ist jedoch die Aussteuerung der Saite nicht auf einen derart kleinen Bereich beschränkt, sondern kann durch geeignete Wahl der einzclnen Parameter auf beispielsweise 1000p erweitert werden, ohne dass dabei auf eine Linearität von wenigstens 10-4 verzichtet werden müsste. Hierzu eignen sich vorzugsweise Kombinationsformen mit separater Kompensation des quadratischen und des kubischen Störgliedes.
Die anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Ausführungsform weist elastische Parallellenker 13, 14 auf. Es sind jedoch prinzipiell auch starre Lenker, beispielsweise schneidengelagerte, anwendbar, in einigen Fällen sogar vorzuziehen.
Der Einbau von Tariervorrichtungen, beispielsweise in Form von Tarierfedern, ist grundsätzlich ohne weiteres möglich.
Weitere Anwendungen der Linearisierung auf mit Saiten arbeitende Geräte ohne Parallelführung sind beispielsweise Weggeber analog zur Variante nach Fig.3 oder Winkeigeber analog zur Variante nach Fig.5.
Eingehend beschrieben wurde der häufig vorkommende Fall der Verwendung der Mittel zur Lincarisierung der Frequenz-Last-Kennlinie. Es sind jedoch auch Anwendungen möglich, bei denen die vorhandene Kennlinie lediglich leicht korrigiert (verstärkt oder abgeschwächt) wird, so beispielsweise im eingangs erwähnten Fall der Durchflussmessung, wo man durch sinngemässe Anwendung der beschriebenen kraftausübenden Mittel einen praktisch exakten quadratischen Verlauf erreichen kann.