-
Die Erfindung betrifft einen Fadenspannungssensor,
insbesondere zur Erfassung der Spannung eines textilen Fadens.
-
Textilmaschinen oder andere Faden
verbrauchende oder verarbeitende Maschinen müssen häufig mit Fäden beliefert werden, die unter
kontrollierter Spannung stehen. Dazu sind Einrichtungen wie beispielsweise
Fadenliefergeräte
in Gebrauch, die den Faden kontrolliert liefern und z.B. eine Fadenspannungsregelung
ermöglichen.
Die Fadenspannungsregelung erweist sich dabei gelegentlich als schwierig.
Dies gilt insbesondere, wenn Fäden
keine oder nur sehr geringe Zugelastizität aufweisen. Schon die geringsten
Abweichungen zwischen Fadenlieferung und Fadenabnahme führen gerade
wegen der fehlenden Nachgiebigkeit des Fadens zu Fadenspannungsschwankungen,
die vom völligen
Zusammenbruch der Fadenspannung (Spannung Null – Durchhängen des Fadens) bis zum Reißen desselben
führen
können.
Das Problem verschärft
sich mit zunehmender Arbeitsgeschwindigkeit der Textilmaschinen, die
auch eine zunehmende Liefergeschwindigkeit und eine verringerte
Reaktionszeit für
etwaige Regeleinrichtungen erfordert.
-
Bei der Konzeption eines Fadenspannungssensors
muss darüber
hinaus darauf geachtet werden, dass dieser möglichst vielseitig einsetzbar
ist, um nicht für
jeden einzelnen Anwendungsfall einen gesonderten Sensor gestalten
zu müssen.
Von erheblicher Bedeutung ist dabei, dass der Fadenspannungssensor
den Fadenlaufweg wenig einschränkt, um
so den verschiedensten Anwendungsfällen genügen zu können. Der Erfindung liegt deshalb
die Suche nach einem vielseitig einsetzbaren Sensorkonzept zu Grunde.
-
Aus der
DE 100 60 043 A1 ist ein
Fadenspannungssensor bekannt, der einen mit dem Faden in Berührung stehenden
Stößel aufweist.
Dieser wirkt auf einen Dünnfilm-Kraftaufnehmer,
um das Kraftsignal in ein elektrisches Signal umzusetzen. Aufgrund der
großen
Steifigkeit der abtastenden Vorrichtung wird eine hohe Eigenfrequenz
als erreichbar angegeben. Die von dem Faden ausgehende Kraft wirkt
direkt und unverstärkt
auf den Dünnfilm-Kraftaufnehmer,
so dass insbesondere die Erfassung niedriger Fadenspannungen schwierig
ist.
-
Aus der
DE 35 06 698 C2 ist ein
Fadenspannungssensor mit einem Biegeelement bekannt, das in Form
einer endseitig starr eingespannten federnden Zunge ausgebildet
ist, die an ihrem freien Ende mit dem Faden in Berührung steht.
Sie erstreckt sich mit ihrem Ende schräg in den Fadenlaufweg hinein. Die
Zunge trägt
endseitig einen Magneten, dessen Feld einen Magnetfeldsensor beeinflusst.
Somit wird die Auslenkung der Zunge, die von der Fadenspannung abhängig ist,
in ein elektrisches Signal umgesetzt. Ein solcher Sensor hat strukturbedingt
jedoch eine relativ niedrige Eigenfrequenz und schränkt die Gestaltung
des Fadenlaufwegs ein.
-
Aus der
DE 197 16 134 A1 ist ein
weiterer Fadenspannungssensor bekannt, der als Sensorelement eine
auf einer keramischen Platte angeordnete Messbrücke aufweist. Im Bereich der
Messbrücke steht
ein Stößel auf
der Platte, dessen anderes Ende mit dem Faden in Berührung steht.
Der Stößel ist durch
ein flexibles Führungselement
nach Art einer Membran in zu der Platte senkrechter Position gehalten.
-
Diese Einrichtung eignet sich zur
Erfassung größerer Fadenspannungen
und in Fällen,
bei denen der Faden an der Messstelle nur sehr wenig ausgelenkt
wird.
-
Aus der WO 99/59909 ist ein Fadenspannungssensor
mit einer endseitig fest eingespannten Keramikplatte bekannt, die
mit ihrem freien Ende wie eine Zunge in den Fadenlaufweg ragt und
dort den Faden berührt.
Die Platte trägt
auf einer Flachseite eine aus vier Widerständen bestehende Messbrücke. Die
Widerstände
sind spannungsempfindlich und erzeugen somit ein Signal in Abhängigkeit
von der schwachen Verbiegung der Keramikplatte. Diese muss sich
mit ihrem Ende selbst in den Fadenlaufweg erstrecken, was diesen
beschränkt.
-
Aus der
US-PS 3526130 ist ein Fadenspannungssensor
mit einer federnden Zunge bekannt, die an ihrem Ende einen Aufsatz
zum Abtasten eines Fadens trägt.
Die federnde Zunge ist an beiden Flachseiten mit einem Sensorelement
versehen, deren Kennwert sich bei einer Verbiegung der Zunge gegenläufig ändert. Die
beiden Sensorelemente sind in einer Messbrücke angeordnet und gestatten
eine Erfassung der Auslenkung der Zunge.
-
Aus der
DE 101 17 889 A1 ist ein
Fadenspannungssensor mit zwei Stiften bekannt, die beide jeweils
den Faden umlenken. Beide Stifte sind jeweils an einer Platte gehalten
von der sie sich weg erstrecken. Eine Kraftbeaufschlagung des Stifts
erzeugt in der Platte eine Torsionsbeanspruchung. Diese wird mittels
einer optoelektronischen Abtasteinrichtung erfasst, indem die Platte
durchleuchtet wird oder reflektiertes Licht zur Torsionserfassung
genutzt wird. Die Platte ist dabei länglich quaderförmig ausgebildet und
an ihren beiden schmalen Stirnseiten gehalten.
-
Weiter ist aus der
DE 101 17 878 ein Fadenspannungssensor
mit einem einseitig an einem photoelastischen Element gelagerten
Stift bekannt. Das photoelastische Element ist als flacher Streifen
ausgebildet, von dessen Flachseite sich der Stift rechtwinklig weg
erstreckt. An wenigstens einem Ende ist das photoelastische Element
fest eingespannt. In der gleichen Schrift wird auch vorgeschlagen,
das photoelastische Element als frei auskra gendes Biegeelement auszubilden, über dessen
freies Ende der Faden unmittelbar läuft.
-
Die optische Torsionserfassung eines
tordierbaren Elements, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff,
ist für
Anwendungsfälle,
in denen eine Staubbelastung vorliegt, meist nicht zweckmäßig.
-
Von dieser Grundproblematik und dem
geschilderten Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung,
einen Fadenspannungssensor zu schaffen, der zur Erfassung geringer
Fadenspannungen geeignet ist, der sehr schnell anspricht und der
sich vielseitig einsetzen lässt.
-
Diese Aufgabe wird mit dem Fadenspannungssensor
nach Anspruch 1 gelöst:
Der
erfindungsgemäße Fadenspannungssensor weist
ein Biegeelement auf, das in einem seitlichen Abstand neben einem
Fadenlaufweg angeordnet ist und Sensorelemente trägt. Das
Biegeelement kann sehr steif ausgebildet sein, so dass die zu erfassenden
Kräfte
von beispielsweise wenigen Milli-Newton lediglich zu einer kaum
merklichen Verbiegung des Biegeelements führen. Aus Sicht des Fadens
ist das Biegeelement deshalb steif bzw. hart. Maximalauslenkungen
können
auf Bruchteile eines Millimeters festgelegt sein.
-
Das Biegeelement ist in einem seitlichen
Abstand zu dem Fadenlaufweg angeordnet, was bedeutet, dass die das
Biegeelement belastenden und zu erfassenden Kräfte in einer Ebene liegen,
die von dem Faden beabstandet ist. Dadurch ist der Fadenlaufweg
und seine Umgebung weitgehend frei. Der Fadenlaufweg kann in weiten
Grenzen den jeweiligen Anforderungen entsprechend festgelegt werden, was
viele Anwendungsfälle
erschließt.
Auch kann der Winkel, mit dem der Faden über das Fadenauflageelement
läuft,
bedarfsentsprechend eingestellt werden. Spitzere Winkel α (2) ermöglichen die Erfassung besonders
geringer Kräfte.
Ist das Biegeelement, wie oben angedeutet, besonders steif, lassen sich
sehr hohe Eigenfrequenzen und damit geringe Ansprechzeiten des Fadenspannungssensors
erreichen.
-
Das Biegeelement ist vorzugsweise
als flache, längliche
Platte ausgebildet und besteht beispielsweise aus Keramik. An ihrem
freien Ende trägt sie
das Fadenauflageelement, beispielsweise ein Keramikröhrchen oder
einen Stift. Dieser ragt über
eine Schmalseite der länglichen
Platte hinweg in den Fadenlaufweg. Die längliche Platte kann in Draufsicht rechteckförmig, bedarfsweise
jedoch auch trapezförmig
oder ähnlich
ausgebildet sein. Die rechteckige Gestaltung wird insofern bevorzugt
als sie die Verformung auf eine von dem Fadenauflageelement beabstandete
Biegezone konzentriert. Es kommt dadurch gewissermaßen zu einer
Kraftverstärkung
durch Hebelwirkung, d.h. die auf der Platte angebrachten Sensorelemente
werden von dem Faden über
das Fadenauflageelement und einen Teil der Platte wie über eine
Hebeluntersetzung betätigt.
Dies ermöglicht
die Erfassung besonders geringer Fadenspannungen. Die Platte weist
vorzugsweise eine gleichmäßige Dicke
auf. Auch dies kommt dem Sensor in obigem Sinne zugute.
-
Als festes Widerlager für das Biegeelement wird
vorzugsweise ein Keramiksockel vorgesehen, auf den das Biegeelement,
beispielsweise in Form der keramischen Platte, aufgeklebt ist. Die
Klebeverbindung erstreckt sich dabei vorzugsweise wenigstens nahezu über die
gesamte Breite der Platte und über
einen Längenabschnitt,
der z.B. zur Unterbringung einer elektronischen Schaltung auf der
Platte ausreichend ist. Auf diese Weise wird die elektronische Schaltung
in eine unverformte Zone der Platte verlegt. Außerdem weist der Keramiksockel
vorzugsweise eine gerade, quer zu der Platte verlaufende Kante auf,
die die Biegezone der Platte definiert abgrenzt. Die Sensorelemente
sind vorzugsweise in der Nähe
des Keramiksockels angeordnet. Sind sie dabei im Bereich der größten Biegung
geben sie die besten Signale ab.
-
Das Biegeelement weist vorzugsweise
sowohl auf seiner Oberseite (obere Flachseite) als auch auf seiner
Unterseite (untere Flachseite) Sensorelemente auf, die ihren Parameter
gegenläufig ändern, wenn
das Biegeelement in einer Richtung mit einer Kraft beaufschlagt
wird, die im Wesentlichen senkrecht auf seiner Flachseite steht.
Die Differenz der Änderung
der Parameter der Sensorelemente auf der Ober- und auf der Unterseite
kann zur Erzeugung eines Ausgangssignals herangezogen werden. Alle Sensorelemente
sind auf dem Biegelement angeordnet.
-
Die Anordnung von wenigstens zwei
Sensorelementen nebeneinander auf einer Seite des Biegeelements,
beispielsweise auf der Oberseite, hat zur Folge, dass sich die Elemente
bei Verbiegung des Biegeelements gleichsinnig ändern, während sie sich bei einer Verdrehung
desselben gegensinnig ändern.
Eine Verdrehung ergibt sich, wenn das Biegeelement mit einem Drehmoment
beaufschlagt wird, dessen Achse in der Längsrichtung des Biegeelements
liegt. Die Längsrichtung
ist die gedachte Verbindung zwischen dem freien Ende des Biegeelements
und seinem Widerlager, beispielsweise dem Keramiksockel. Ein solches
Mo ment ergibt sich durch die Beaufschlagung des seitlich ausragenden Fadenauflageelements
mit einer Kraft, beispielsweise durch den Faden. Die Fadenkraft
hat somit sowohl eine Verbiegung des Biegeelements als auch eine geringfügige Verdrehung
desselben um seine Längsachse
zur Folge. Werden die Sensorelement so in einer Brücke zusammen
geschaltet oder an eine Auswerteschaltung angeschlossen, dass nur
gleichsinnige Änderungen
von Sensoren auf einer Seite des Biegeelements erfasst werden, während gegensinnige
unterdrückt
werden, spielt die Stelle, an der der Faden das Fadenauflageelement
berührt,
für die
Erfassung des Messwerts der Fadenspannung keine Rolle. Obwohl bei
relativ langen Fadenauflageelementen je nach Auflagepunkt deutlich
unterschiedliche Drehmomente entstehen können, wird jeweils immer nur
die Kraft, nicht aber das Drehmoment erfasst. Es lassen sich somit
Fadenspannungssensoren schaffen, die bezüglich der Querrichtung des
Fadens eine lange Auflagefläche
aufweisen und somit eine relativ freie Führung des Fadens gestatten.
-
Bei einer verfeinerten Ausführungsform
sind insgesamt vier Sensorelemente vorhanden, von denen zwei auf
der Plattenoberseite und zwei auf der Plattenunterseite möglichst
deckungsgleich zueinander angeordnet sind. Damit lassen sich die
Elemente in einer Brückenschaltung
zusammen schalten oder an eine gleichwertige Auswerteschaltung anschließen, die
sicherstellt, dass nur eine Verbiegung nicht aber eine Verdrehung
des Biegeelements erfasst wird.
-
Vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich nicht nur aus Unteransprüchen sondern
darüber
hinaus aus der Zeichnung und der Beschreibung.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
-
1 einen
Fadenspannungssensor in perspektivischer Darstellung,
-
2 den
Fadenspannungssensor nach 1 in
einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,
-
3 das
Biegeelement und das Fadenauflageelement mit Faden in Draufsicht,
-
4 das
Biegeelement und das Fadenauflageelement in einer Ansicht von unten,
-
5 die
Verformung des Biegeelements in einer perspektivischen, stark überhöhten Darstellung,
-
6 das
Biegeelement in verformtem Zustand in Seitenansicht in einer stark überhöhten Darstellung
der Verformung und
-
7 die
Auswerteschaltung der Sensoreinrichtung.
-
In 1 ist
ein Fadenspannungssensor 1 veranschaulicht, mit dem die
Spannung eines Fadens 2 in ein elektrisches Signal umgesetzt
wird. Der Fadenspannungssensor 1 weist einen Trägerkörper 3 auf,
der beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet sein kann. Der Trägerkörper 3 ist
mit einem z.B. plattenförmigen
Befestigungsabschnitt 4, mit einer Befestigungsöffnung 5 versehen.
In Draufsicht ist er etwa L-förmig
ausgebildet, wobei er oberhalb des Befestigungsabschnitts 4 eine
Schwalbenschwanznut 6 zur Aufnahme eines Sensorsockels 7 aufweist.
Von diesem Bereich des Trägerkörpers 3 erstreckt
sich ein länglicher
Fortsatz 8 weg, der in einigem Abstand zu der Schwalbenschwanznut 6 etwa
im rechten Winkel seitlich abbiegt. Der hier seitlich weg stehende Abschnitt 9 trägt zwei
zueinander beispielsweise parallele, im Abstand angeordnete Wände 11, 12,
die jeweils eine Öffnung 14, 15 aufweisen.
Die Öffnungen 14, 15 fluchten
zueinander und sind von einem Keramikrohr 16 oder einem
entsprechenden Stift durchgriffen, das bzw. der als Fadenauflageelement dient.
Der Durchmesser des Keramikrohrs 16 ist etwas geringer
als die Durchmesser der beiden Öffnungen 14, 15.
In nahezu allen Radialrichtungen des Keramikrohrs 16 ist
der umgebende Raum frei. Der Faden 2 kann somit auf verschiedenen
Wegen W zu dem Keramikrohr 16 geführt werden. Der hier festgelegte
Winkel kann in weiten Grenzen variieren.
-
Das Keramikrohr 16 aus Aluminiumoxidkeramik
ist an einem Ende fest mit einem Endbereich der Platte 17,
vorzugsweise aus keramischem Material, verbunden. Die Platte 17 ist
mit dem vorzugsweise ebenfalls aus Keramik bestehenden Sensorsockel 7 flächenhaft
verklebt und weist in Draufsicht einen rechteckigen Umriss auf.
Ihre beiden Schmalseiten 18, 19 sind vorzugsweise
parallel zueinander ausgerichtet. Das Keramikrohr 16 ist
etwa rechtwinklig zu den Schmalseiten 18, 19 orientiert.
Die Platte 17 ist von dem im Längsschnitt trapezförmigen und
in Draufsicht rechteckigen Sensorsockel 7 an dem Trägerkörper 3 so
gehalten, dass sich das Keramikrohr 16 in unbelastetem
Zustand frei durch beide Öffnungen 14, 15 erstreckt
und deren Rand jeweils nicht berührt.
Die Öffnungen 14, 15 können dabei
kreisförmig oder
bedarfsweise auch abweichend berandet sein. Beispielsweise können sie,
wie insbesondere aus 2 hervorgeht,
mehrere radial nach innen vorstehende Vorsprünge 21, 22, 23 aufweisen,
die als Anschlagmittel (Hubbegrenzungsmittel) für das Keramikrohr 16 dienen.
In unbelastetem Zustand besteht ein Abstand zwischen den Vorsprüngen 21, 22, 23 und
dem Keramikrohr 16. Die Elastizität der Platte 17 ist
vorzugsweise relativ gering, d.h. ihre Steifigkeit ist hoch. Die
Steifigkeit der Platte 17 und das Spiel zwischen den Vorsprüngen 21, 22, 23 und
dem Keramikrohr 16 ist so aufeinander abgestimmt, dass
das Keramikrohr 16 durch innerhalb des Messbereichs liegende
Fadenspannungen nicht in Berührung
mit den Vorsprüngen 21, 22, 23 gebracht
werden kann.
-
Die Platte 16 wirkt als
relativ harte Biegefeder mit hoher Eigenfrequenz (z.B. > 1 kHz). Mit dem Sensorsockel 7 ist
sie flächenhaft
und steif verklebt, so dass ihr dortiger Bereich unverformbar bleibt.
Im unmittelbaren Anschluss an den Sensorsockel 7 zu dem
Keramikrohr 16 hin ist eine Biegezone 24 vorhanden,
auf die sich die wesentlichen Verformungen bei Einleitung einer
Kraft auf das Keramikrohr 16 konzentrieren. Der näher an dem
Keramikrohr 16 liegende Teil 25 der Platte 17 unterliegt
hingegen einer vergleichsweise viel geringeren Verformung. Außerdem ist
die Biegung größer als
die Torsion der Platte 17, so dass eine gute Empfindlichkeit
erreicht wird.
-
In der Biegezone 24 der
Platte 17 sind Sensorelemente 26 angeordnet. Zu
diesen gehören
beispielsweise vier flächenhaft
ausgebildete Widerstände
R1, R2, R3, R4 deren Anordnung insbesondere aus den 3 und 4 hervorgeht.
Die Widerstände R1,
R2, R3, R4 ändern
ihren Widerstandswert in Abhängigkeit
von einer geringfügigen
Verbiegung der Platte 17, indem sich der als auszuwertender Parameter
dienende Widerstandswert entsprechend verringert oder vergrößert. Vorzugsweise
sind sie hochohmig, d.h. sie haben einen Widerstand von z.B. etwa
10kΩ Untereinander
sind sie etwa gleich groß.
-
Zwei Widerstände R1, R4 sind auf der Oberseite
der Platte 17 angeordnet. Die Widerstände R2, R3 sind auf der Unterseite
der Platte 17 angeordnet. Dabei sind R1 und R2 sowie R3
und R4 jeweils deckungsgleich. Die Widerstände R1 und R4 sind nebeneinander
in gleichem Abstand zu einer Kante 27 des Sensorsockels 7 angeordnet,
die sich quer über die
Platte 17 erstreckt und die Biegezone 24 gegen den
unverformten Bereich der Platte 17 abgrenzt. Die Widerstände R1,
R4 sind außerdem
jeweils in gleichem Abstand zu der benachbarten Schmalseite 18, 19 angeordnet.
-
Die Verschaltung zu einer Messbrücke erfolgt
z.B. in der in 7 veranschaulichten
Weise. Die übereinander
angeordneten Widerstände
R1, R2 sind beispielsweise in am gleichen Potential (+) liegenden
Brückenzweigen
parallel zueinander angeordnet. Die ebenfalls übereinander liegenden Widerstände R3,
R4 sind parallel zueinander ebenfalls in am gleichen Potential liegenden
Brückenzweigen
der gleichen Brücke
angeordnet. Mit anderen Worten, die auf unterschiedlichen Flachseiten
der Platte 17 angeordneten Widerstände R1, R2 sind in oberen Brückenzweigen
angeord net. Die Widerstände
R5, R6 liegen an Masse, können
ihren Platz aber auch mit R7, R8 tauschen.
-
Das aus R1 und R2 bestehende Widerstandspaar
liegt nahe der Schmalseite 19 in einer Plattenhälfte. Spiegelsymmetrisch
zu einer Längsachse 28,
die eine etwa mittige Verbindungslinie (parallel zu den Schmalseiten 18, 19)
zwischen dem freien Ende der Platte 17 und dem Sensorsockel 7 bildet,
ist das zweite aus den Widerständen
R3, R4 bestehende Widerstandspaar angeordnet, das in dem unteren
Brückenzweig
angeordnet ist. Die auf der jeweils gleichen Seite der Platte 17 liegenden
Widerstände
R1, R4 bzw. R2, R3 sind hingegen jeweils paarweise in zueinander
diagonalen Brückenzweigen
angeordnet. An den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R1,
R3 ist ein negativer Eingang 31 (invertierender Eingang)
eines Differenzverstärkers 32 angeschlossen.
An den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R2 und R4 ist ein positiver
Eingang 33 (nicht invertierender Eingang) des Differenzverstärkers 32 angeschlossen,
der aus der gleichen Betriebsspannung (+, Masse) wie die aus den
Widerständen
R1, R2, R3, R4 gebildete Brücke 34 angeschlossen
ist.
-
Zu der Brücke 34 gehören außerdem Temperaturkompensationswiderstände R5,
R6. Diese sind wie die Widerstände
R1, R2, R3, R4 flächenhaft
ausgebildet. Sie sind vorzugsweise niederohmig; z.B. haben sie einen
Wert von 25Ω Alle
Widerstände
können
beispielsweise als Dickschichtwiderstände im Siebdruckverfahren oder
bedarfsweise auch als Dünnschichtwiderstände durch
Aufdampfen hergestellt werden. Die Widerstände R5, R6 sind vorzugsweise
aus einem Material ausgebildet, das eine Temperaturcharakteristik
aufweist, die der Temperaturcharakteristik des Materials der Widerstände R1,
R2, R3, R4 entgegen gesetzt ist. Zum Beispiel sind sie PTC-Widerstände. Die
Widerstände
R5, R6 sind vorzugsweise etwa mittig zwischen dem Keramikrohr 16 und
dem Sensorsockel 7 angeordnet. Sie Erfassen damit eine
mittlere oder durchschnittliche Temperatur. Dies kommt der Temperaturkompensation
entgegen.
-
Zwischen den Widerständen R5,
R6 und dem das Keramikrohr 16 tragenden Ende der Platte 17 sind
Widerstände
R7, R8 angeordnet, die ebenfalls als flächenhafte gedruckte Schließwiderstände ausgebildet
sind. Sie dienen als Trennwiderstände für den Brückenabgleich und zum Nullpunktabgleich der
Brücke 34.
Sie sind aus einem temperaturneutralen Material oder alternativ
aus dem Materia1 der Widerstände
R1, R2, R3, R4 oder einem dritten Material ausgebildet. Ihr Temperaturgang
wird dann ebenfalls durch die Widerstände R5, R6 ausgeglichen.
-
Diese liegen in einem Bereich zwischen
R7, R8 und R1, R2, R3, R4. Deshalb wird, selbst wenn ein Temperaturgradient
vorliegt, eine so gute Temperaturkompensation erreicht, dass sich
eine hohe Ansprechempfindlichkeit des Sensors ergibt. Selbst von sehr
kleinen Kräften
verursachte Signale (Widerstandsänderungen)
unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Größe deutlich vom Temperaturausgang
der Brücke 34.
-
Die Widerstände R5, R6 können, wie 1 veranschaulicht, auch
innerhalb der Biegezone 24 angeordnet sein. Die oberen
Brückenwiderstände R7,
R8 sind dabei vorzugsweise symmetrisch zu der Längsachse 28, z.B.
in Nachbarschaft der Schmalseiten 18, 19 angeordnet.
Die oberen, zum Temperaturausgleich dienenden Brückenwiderstände R5, R6 sind ebenfalls vorzugsweise
symmetrisch zu der Längsachse 28 im
Abstand zu den Schmalseiten 18, 19 angeordnet.
Der Abgleich der Brücke 34 auf
minimalen Temperaturgang und Brückenspannung
Null in unbelastetem Zustand erfolgt beispielsweise mittels Laserstrahl
durch partielles Einschneiden der Widerstände R6 und R7. Die sorgfältige und
genaue Temperaturkompensation ermöglicht es, die Ansprechempfindlichkeit
des Fadenspannungssensors auf sehr geringe Fadenzugkräfte <10 mN abzusenken.
-
Der Differenzverstärker 32 weist
zumindest einen Ausgang 35 auf, der die Differenzspannung zwischen
den Eingängen 31, 33 anzeigt.
Bedarfsweise kann ein zusätzlicher
Eingang 36 vorgesehen sein, der eine Offsetspannung zur
Festlegung der Ausgangsspannung des Ausgangs 35 bei Differenzspannung
Null zwischen den Eingängen 31, 33 vorgibt.
Die Offsetspannung kann mit einem Spannungsteiler R9, R10 vorgegeben
werden. Betriebsspannung, Masse und zumindest der Ausgang 35 sind
an einem Ende der Platte 17 in Form von Anschlusskontakten 37, 38, 39 zugänglich.
-
Wie in 2 veranschaulicht
ist, kann der Fortsatz 8 mit einer Dämpfungseinrichtung 41 versehen
sein, die Schwingungen der Platte 17 mindert. Die Dämpfungseinrichtung 41 wird
beispielsweise durch eine Hülse 42 gebildet,
deren Öffnung
etwa senkrecht zu der unteren Flachseite der Platte 17 orientiert
ist. In die Hülse 42 hinein
erstreckt sich ein Stift 43, der fest an der Unterseite
der Platte 17 angebracht ist und die innere Wandung der
Hülse 42 nicht berührt. Zwischen
dem Stift 43 und der Hülse 42 ist ein
Silikonölvorrat
oder eine andere Dämpferflüssigkeit
vorgesehen.
-
Der insoweit beschriebene Fadenspannungssensor 1 arbeitet
wie folgt:
Der Faden 2 läuft zwischen den Wänden 11, 12 in
einem stumpfen Winkel über
das Keramikrohr 16. Hat er dabei keine Spannung lenkt er
die Platte 17 in keiner Richtung aus und er leitet auch
keine Kraft in die Platte 17 ein. Entsprechend befindet
sich die Brücke 34 in
ihrem abgeglichenen Zustand und die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 32 an
dem Ausgang 35 ist Null. Dies bleibt auch bei Temperaturänderungen
so.
-
Tritt eine zumindest geringe Fadenzugspannung
auf, wird das Keramikrohr 18 in einer Querrichtung mit
einer der Fadenzugkraft entsprechenden Kraft beaufschlagt. In 5 ist die sich daraus ergebende
Verformung der Platte 17 sehr stark überhöht dargestellt. Während die
Ruhelage des Keramikrohrs 16 und der Platte 17 gestrichelt
dargestellt ist, ist die ausgelenkte Position in durchgezogenen
Linien veranschaulicht. Tatsächlich
kann die Auslenkung im Mikrometerbereich liegen. 3 veranschaulicht dabei, dass der Faden 2 neben
der Platte 17 beispielsweise parallel zu der Schmalseite 18 verläuft. Der
Faden läuft
dabei in einer Ebene, die die Platte 17 an keiner Stelle
schneidet, sondern im Abstand zu dieser angeordnet ist. Der gesamte
das Keramikrohr 16 radial umgebende Raum kann, soweit es
den zwischen den Wänden 11, 12 liegenden
Teil des Keramikrohrs 16 betrifft, als Fadenlaufweg W dienen.
Der Faden 2 kann dabei an beliebiger Stelle zwischen den
in 3 gestrichelt angedeuteten
Wänden 11, 12 laufen.
Durch den Abstand zwischen dem von dem Faden 2 festgelegten
Kraftangriffspunkt an dem Keramikrohr 16 und der Längsachse 28 der
Platte 17 entsteht ein Hebelarm, mit dem ein an der Platte 17 angreifendes,
die Platte 17 um die Längsachse 28 verdrehendes
Drehmoment M erzeugt wird. Außerdem überträgt das Keramikrohr 16 die
Kraft F auf das Ende der Platte 17. Diese unterliegt somit,
wie 5 veranschaulicht,
sowohl einer Biegung als auch einer Verdrehung (die, wie erwähnt im Mikrometerbereich liegen
können,
d.h. mit bloßem
Auge nicht sichtbar sind). Die Widerstände R1, R2, R3, R4 ändern ihren Widerstandswert
wenigstens ungefähr
in linearer Abhängigkeit
von der Spannung in der Platte 17 bzw. von deren Verformung.
Die lineare Beziehung gilt in einem weiten Messbereich von null
bis 100 Gramm Fadenkraft. Deshalb kann die Brücke 34 als linear betrachtet
werden und die Einflüsse
der Verdrehung und der Verformung können getrennt betrachtet werden.
Die Auslenkung der Platte 17 im Rahmen ihrer Biegebeanspruchung ändert die
Widerstände
R1, R4 gleichsinnig. Ebenfalls gleichsinnig ändern sich die Widerstände R2,
R3. Hingegen ändern
sich die Widerstände
R1, R2 gegensinnig, wie sich auch die Widerstände R3, R4 gegensinnig ändern. Die
Verbiegung der Platte 17 ruft somit eine starke Änderung der
Brückenspannung
hervor, die von dem Differenzverstärker 32 erfasst und
an dem Ausgang 35 als Signal ausgegeben wird.
-
Die Verdrehung der Platte 17 ist
in 6 gesondert veranschaulicht.
Die Widerstände
R2, R3 ändern
sich gegensinnig. Ebenfalls gegensinnig ändern sich die Widerstände R1 und
R4. Beispielsweise nehmen die Widerstandswerte der Widerstände R2,
R4 zu während
die Widerstandswerte der Widerstände R1
und R3 abnehmen. Sind die Widerstände R1, R2, R3, R4 gleich groß wird somit
zwar der aus R1 und R3 gebildete Brückenzweig niederohmiger und
der aus R2 und R4 gebildete Brückenzweig
hochohmiger, jedoch ändern
sich die Potentiale am jeweiligen Spannungsteilerpunkt (zwischen
R1 und R3 bzw. R2 und R4) nicht. Ebenso bleibt die Brückenspannung unverändert und
der Ausgang 35 des Differenzverstärkers 32 gibt kein
entsprechendes Signal ab. Mit anderen Worten, eine Verdrillung oder
Ver drehung der Platte 17 um die Längsachse 28 bzw. die
Beaufschlagung mit einem Drehmoment, dessen Vektor mit der Längsachse 28 parallel
ist, erzeugt kein Signal an dem Ausgang 35. Es ist deshalb
gleichgültig, an
welcher Stelle des Keramikrohrs 16 der Faden 2 über das
Keramikrohr 16 läuft.
Er kann sowohl mittig, wie in 3 dargestellt,
als auch an der Wand 12 als auch nahe an der Wand 11 über das
Keramikrohr 16 laufen.
-
Der durch die Widerstände R7,
R8 vorgenommene Nullpunktsabgleich der Brücke 34 und die Temperaturkompensation
durch die Widerstände
R5, R6 ermöglicht
den Einsatz des Fadenspannungssensors 1 auch zum Messen
ganz geringer Fadenspannungen, beispielsweise im Bereich von null
bis fünf Gramm.
Die Anordnung der Platte 17 neben dem Fadenlaufweg hat
zur Folge, dass nahezu der gesamte sich radial an das Keramikrohr 16 anschließende Raum
frei ist, was dem Fadenspannungssensor 1 viele Anwendungsmöglichkeiten
erschließt.
Beispielsweise kann der Faden 2, wie 2 veranschaulicht, sowohl in relativ
stumpfem Winkel (dick ausgezogene Linie) als auch in weniger stumpfem bis
zu spitzem Winkel über
das Keramikrohr 16 laufen (Faden 2a, in 2 gestrichelt). Eine genaue seitliche
Fadenführung
ist, wie vorstehend erläutert, nicht
erforderlich.
-
Zur Messung von Fadenspannungen ist
ein Fadenspannungssensor 1 vorgesehen, der ein Biegeelement
beispielsweise in Form einer keramischen Platte 17 aufweist.
Von dieser erstreckt sich ein Fadenauflageelement beispielsweise
in Form eines Keramikrohrs 16 seitlich weg. Auf der Platte 17 sind mehrere
Sensorelemente 26 so angeordnet, dass sie eine Biegung
der Platte 17 nicht aber eine Verdrehung derselben erfassen,
wie sie durch den außermittigen
Kraftangriff des Fadens 2 über das Keramikrohr 16 an der
Platte 17 auftreten kann. Während die Sensorelemente 26 beispielsweise
in Form von Widerständen
R1, R2, R3, R4 in der Biegezone 24 der Platte 17 angeordnet
sind, sind Kompensationselemente in Form von Temperaturkompensationswiderständen und
Abgleichswiderständen
(R5, R6, R7, R8) in einem Teil 25 angeordnet, der einer
deutlich geringeren Biegung unterliegt als die Biegezone 24. Der
Teil 25 ist von dem Sensorsockel 7 weiter entfernt
als die Biegezone 24, die sich unmittelbar an den Sensorsockel 7 anschließt.
-
Der neuartige Fadenspannungssensor 1 gestattet
die Messung äußerst geringer
Fadenzugkräfte,
er spricht in Folge der großen
Biegesteifigkeit der Platte 17 sehr schnell an, d.h. er
hat eine sehr hohe Eigenfrequenz und er lässt sich aufgrund des freistehend,
seitlich aus der Sensoranordnung ausragenden Keramikrohrs 16,
das als Fadenauflageelement dient, vielseitig einsetzen.
-
- 1
- Fadenspannungssensor
- 2
- Faden
- 3
- Trägerkörper
- 4
- Befestigungsabschnitt
- 5
- Befestigungsöffnung
- 6
- Schwalbenschwanznut
- 7
- Sensorsockel
- 8
- Fortsatz
- 9
- Abschnitt
- 11,
12
- Wand
- 14,
15
- Öffnung
- 16
- Keramikrohr
- 17
- Platte
- 18,
19
- Schmalseiten
- 21,
22, 23
- Vorsprünge
- 24
- Biegezone
- 26
- Sensorelemente
- 27
- Kante
- 28
- Längsachse
- 31
- Eingang
- 32
- Differenzverstärker
- 33
- Eingang
- 34
- Brücke
- 35,
36
- Ausgänge
- 37,
38, 39
- Anschlusskontakte
- 41
- Dämpfungseinrichtung
- 42
- Hülse
- 43
- Stift
- R1 – R8
- Widerstände