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Elektrische Kraftmeßeinrichtung Die Erfindung betrifft eine elektrische
Kraftmeßeinrichtung zur Ermittlung des statischen Anteils einer aus einem statischen
und einem dynamischen Anteil bestehenden Meßgröße unter Verwendung mindestens eines
Meßwertaufnehmers.
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Es bereitet erfahrungsgemäß große Schwierigkeiten, Meßwerte, die
von einem Meßwertaufnehmer ir der Form einer Kombination oder Uberlagerung eines
dynamischen und eines statischen Anteils geliefert werden, korrekt und ohne Schwankungen
zur Anzeige zu bringen bzw. zu einer weiteren Verwertung zur Verfügung zu stellen.
Dies ist unbedingt erforderlich, um den echten, der statischen Komponente entsprechenden
Meßwert mit ausreichender Genauigkeit zur Verfügung zu stellen. Derartige, mit störenden
dynamischen Anteilen überlagerte Meßwerte treten in der-Praxis sehr häufig auf,
beispielsweise bei Drehmomentaufnehmern, wo auf Grund der Drehbewegung dynamische
Anteile in den Meßwert eindringen, bei Anlagen, bei denen Rührwerke oder Mischgeräte
eingesetzt sind, die während des Wägevorganges in Betrieb sind, bei Krananlagen,
wo die zu messende Last am Haken hängt und während der Messung schwankt, bei Flüssigkeitsmeß
einrichtungen, die Pumpenpulsationen unterliegen u. dgl.
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Bei bekannten Einrichtungen wird der dynamische Anteil durch Anwendung
bekannter elektrischer Siebschaltungen herausgefiltert. Hierbei sind die Amplitude
der dynamischen Komponente und die Frequenz, bei der sie auftritt, von wesentlichem
und nachteiligem Einfluß auf die Messung. So kann beispielsweise eine wirksame Filterung
dieser Art bei einer dynamischen Amplitude bis zu etwa 25 O/(h des statischen Anteils
bei Frequenzen in der Größenordnung von 3 Hz und mehr vorgenommen werden, wobei
zwar noch eine leichte und wahrnehmbare dynamische Komponente übrigbleibt, es jedoch
häufig möglich ist, diese innerhalb der zulässigen Toleranz zu halten.
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Häufig weiß man jedoch nicht im voraus, mit welchen Amplituden bzw.
Frequenzen der dynamischen Anteile gerechnet werden muß. Dies macht bei bisherigen
Einrichtungen eine Schätzung erforderlich, welche sehr häufig eine Überdimensionierung
zur Folge hat, manchmal aber auch zu Fehlergebnissen führt. Bei sehr vielen Anwendungsgebieten
treten dynamische Anteile, gemessen von Spitze zu Spitze der Schwankungen in der
Größenordnung von 50 0/( oder mehr der statischen Last und mit Frequenzen von weniger
als 1 Hz auf. Um bei derartigen Fällen eine gute Genauigkeit der Messung zu erzielen,
ist es bei bekannten Einrichtungen erforderlich, während der Durchführung der Messung
die Quelle für die
dynamischen Störungen abzuschalten, beispielsweise also die Mischer
oder Rührwerke stillzusetzen, abzuwarten, bis sich die bewegenden Kranlasten beruhigt
haben u. dgl. Als weiterer Nachteil der bekannten Einrichtungen ist zu bezeichnen,
daß eine ausreichende Filterung die Ansprechzeit der Einrichtung stark erhöht, so
daß auch bei Verwendung schnell ansprechender Instrumente oder sonstiger Weiterverarbeitungsgeräte
eine lange Meßzeit in Kauf genommen werden muß, da sich eine starke Filterung, die
den Genauigkeitsanforderungen genügen würde, nicht mit dem Wunsch nach geringer
Ansprechzeit vereinbaren läßt.
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Bei anderen bekannten Einrichtungen wird die gesamte Meßgröße durch
Gegenkoppeln einer ihr entsprechenden Spannung kompensiert, wie dies als sogenannte
Nullmethode bekannt ist. Hierdurch wird jedoch nicht der dynamische Anteil der Meßgröße
eliminiert. Dies geschieht hier vielmehr dadurch, daß durch Verminderung der Feldwicklungsspannung
des Nullmotors die Schwingungsamplitude bis zum Wert Null reduziert wird, in der
Annahme, daß der sodann angezeigte Wert dem statischen Anteil der Meßgröße entspricht.
Diese aufwendige und hohen Meßqualitätsansprüchen nicht genügende Einrichtung kann
nur dann verwendet werden, wenn sich die zu messende Größe während einer bestimmten
Zeitspanne nicht ändert.
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Weiterhin sind Einrichtungen zur Beseitigung von Schwingungen, die
durch den Einfluß von Bewegungen
der Meßbasis auf eine zu messende
Last hervorgerufen werden, bekannt, bei welchen die Speisespannung der Einrichtung
durch ein Signal gesteuert wird, das von einer denselben Bewegungsemfiüssen unterworfenen
Vergleichsmasse herrührt. Ein Unterschied zwischen der Größe der Last und der Vergleichsmasse
erfordert eine entsprechende Nachregelung des Steuersignals. Hierbei handelt es
sich um eine Art Uberlagerung, die nur für bestimmte Fälle anwendbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Bestimmung
der statischen Komponente einer aus statischem und dynamischen Anteil bestehenden
Meßgröße zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Einrichtungen nicht aufweist.
Diese Einrichtung soll weiterhin wirtschaftlich in ihrer Herstellung, in ihrer Bedienung
und in ihrer Wartung sein, kombiniert mit einer ausreichenden Robustheit und einem
hohen Grad an Stabilität und Betriebssicherheit. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß erfindungsgemäß der mit Hilfe des/der Meßwertaufnehmer gewonnenen elektrischen
Meßgröße eine dem dynamischen Anteil allein entsprechende Größe entgegengeschaltet
ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die dem dynamischen
Anteil allein entsprechende Größe einem parallel zum Ausgang des die den dynamischen
und statischen Anteil enthaltende Meßgröße liefernden Meßwertaufnehmers geschalteten
elektritrischen Netzwerk entnommen werden oder gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken
einem zweiten Meßwertaufnehmer, der derselben Kraftwirkung wie der erstgenannte
Meßwertaufnehmer unterliegt und somit eine der Meßgröße des ersten Meßwertaufnehmers
genau entsprechende, ebenfalls den statischen und dynamischen Anteil enthaltende
Meßgröße liefert. In beiden Fällen kann der dynamische Anteil durch lediglich ihn
allein durchlassende an sich bekannte Mittel diesem Netzwerk bzw. dem Meßwertaufnehmer
entnommen werden und erforderlichenfalls nach Phasenverschiebung und/oder Verstärkung
mit um 1800 verdrehter Phase dem ersten Meßwert entgegengeschaltet werden.
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Besonders geeignet zur Gewinnung der dem dynamischen Anteil allein
entsprechenden Größe aus der den statischen und dynamischen Anteil enthaltenden
Meßgröße sind an sich bekannte Siebmittel. Gemäß weiterem Erfindungsgedanken kann
aber auch die Primärwicklung eines Transformators in das das Gemisch aus statischem
und dynamischem Anteil enthaltende Netzwerk eingefügt sein und an der Sekundärwicklung
des Transformators sodann die dem dynamischen Anteil allein entsprechende Größe
in an sich bekannter Weise abgenommen werden. Auch hier ist, falls erforderlich,
wieder Verstärkung und Phasenverschiebung zur Berücksichtigung der unterschiedlichen
Zeitkonstante vorzunehmen und sodann im Sinne der Erfindung die dem dynamischen
Anteil allein entsprechende Größe der beiden Anteile enthaltenden Meßgröße um 1800
phasenverschoben entgegenzuschalten.
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In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
in schematischer Weise dargestellt. Es zeigt: F i g. 1 einen Stromlaufplan für ein
Gerät mit zwei Meßwertaufnehmern, F i g. 2 und 3 einen Druck (und/oder Zug) bzw.
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Drehmomentaufnehmer,
F i g. 4 eine Schaltung mit einem einzelnen Meßwertaufnehmer,
F i g. 5 eine Anordnung mit einem Doppelmeßwertaufnehmer, der mit einem verstärkten,
dynamischen Signalausgang arbeitet und F i g. 6 eine Anordnung mit einem einzelnen
Meßwertaufnehmer, der ebenfalls mit einem verstärkten, dynamischen Signalausgang
arbeitet.
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Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 sind elektische Meßwert-Aufnahmemittel
vorgesehen, die zwei kraftabhängige Meßwertaufnehmer 1 und 2 einschließen, die der
gleichen Belastung unterworfen sind, indem sie ein gemeinsames lastabhängiges Element
3 (F i g. 2) bzw. 4 (F i g. 3) besitzen. Gemessen wird eine Last oder Kraft, die
auf das Glied 3 einwirkt, das, wie bekannt, aus einer dehnungsempfindlichen Säule
bestehen kann, auf die eine Zug- und/ oder Druckkraft 5 aufgebracht wird. Das Glied
4 kann auch ähnlich, wie in F i g. 3 gezeigt, aus einem Torsionsstab bestehen, auf
dem die beiden Meßwertaufnehmer 1 und 2 gemeinsam befestigt sind.
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Diese Beispiele sollen lediglich das Prinzip der Erfindung illustrieren.
Selbstverständlich ist es auch anwendbar bei anderen elektrischen Kraft-Meßwertaufnehmern.
Das Meßwertaufnabmemittel besitzt elektrische Mittel, die auf die kombinierte statische
und dynamische Komponente ansprechen, wobei solche elektrischen Mittel lediglich
schematisch angedeutet sind mit den bei jedem Meßwertaufnehmer eingesetzten vorzugsweise
vier gekitteten Drahtwiderstandsmeßstreifen 6, 6', die auf den vier Seiten der Säule
3 appliziert und dann zu Wheatstone-schen Brücken 7 und 8 miteinander verbunden
sind. Bei Torsion werden die Meßstreifen, wie in F i g. 3 gezeigt, im Winkel von
450 zur Längsachse angeordnet.
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Die Brücken können mit Gleichstrom von etwa gleicher Spannung, vorzugsweise
jedoch mit Wechselstrom, wie sie generell bei 9 angedeutet, gespeist wer: den. Die
Eingangsseite der Brücke 8 wird über die Leitungen 10 und 11 versorgt, von welchen
in eine ein Justierwiderstand 12 eingefügt ist, um den Ausgang der Brücke justieren
zu können. Ein elektrisches Netzwerk ist an das elektrische Meßwertaufnahmemittel
angeschlossen, damit dieses auf die dynamische Komponente allein anspricht. Dieses
Netz besteht aus einem Kondensator 15 und einem Widerstand 16, die an den Ausgangsklemmen
der Brücke 8 in Reihe geschaltet sind, so daß nur ein pulsierender Gleichstrom,
der der dynamischen Last entspricht, am Widerstand 16 und zwischen Leitung 17 und
Klemme 21 gemessen werden können. Die Leitung 17 ist zum elektrischen Meßwertaufnehmer
zurückgeführt, indem sie an eine der Ausgangsklemmen 18 der Brücke 7 angeschlossen
ist, um deren Ausgangsgröße entgegenzuwirken. Die Eingangsseite der Brücke 7 wird
vom Netzgerät durch die Leitungen 19 versorgt.
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Die andere Ausgangsklemme 20 der Brücke 7 und die Ausgangsklemme 21
der Brücke 8 sind an einen bekannten Meßkreis, generell angedeutet bei 22, angeschlossen,
wobei der Meßkreis ebenfalls vom Versorgungsgerät durch die Leitungen 23 und 24
versorgt wird. Jede Brücke kann durch die Justierwiderstände 25 und 26 am Anfang
auf Null tariert werden.
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Zufolge der beschriebenen Anordnung wirkt der dynamische Ausgang
der Brücke 8 dem dynamischen Ausgang in Brücke 7 entgegen, so daß der Restausgang
von Brücke 7 im wesentlichen nur die Komponente der statischen Kraft darstellt,
der der Meßwertaufnehmer
unterworfen ist. Es ist diese Kraft, die
dann vom Instrument 22 gemessen wird. Indem man den Widerstand 12 justiert, kann
der Grad der gegenläufigen Wirkung in einem vorbestimmten Verhältnis variiert werden.
Im praktischen Einsatz, z. B. bei der Verwägung, ist die Zeitkonstante des Netzwerkes,
die nur auf den dynamischen Ausgang des Meßwertaufnahmemittels anspricht, bei der
geringsten Frequenz der Pulsierung zufriedenstellend.
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Manchmal ist es wegen der Streukapazität, des Schleichwiderstandes,
usw. erforderlich, die Phase des dynamischen Signals, das am Widerstand 16 erscheint,
leicht zu verschieben. Dies kann durch herkömmliche Phasen-Verschiebungsmittel 41
erfolgen.
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Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführung besitzt dasMeßwertaufnahmemittel
eine einzelne elektrische, dehnungsempfindliche Brücke 30, die auf einem dehnungsempfindlichen
Glied, wie 3 oder 4, montiert ist, auf das eine kombinierte dynamische und statische
Kraft aufgebracht wird. Die elektrischenWiderstands-Dehnmeßstreifen auf den vier
Seiten des Gliedes sind bei 31 dargestellt. Die Eingangsstromquelle ist schematisch
durch eine Batterie 32 dargestellt, während die Eingangsklemmen durch Leitungen
33 an die Primärseite eines Transformators 34 angeschlossen sind.
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Auf der Sekundärseite des Transformators ist die dynamische Komponente
mittels Leitung 35 an den Ausgang 36 zurückgeführt, um so der Ausgangsgröße der
Brücke 30 entgegenzuwirken, so daß der Restausgang an den Leitungen 37 und 38 im
wesentlichen nur die statische Komponente darstellt. Ein bekanntes Phasenverschiebungsnetzwerkgerät
40 wird, falls erforderlich, in den Transformatorkreis eingeschaltet. Das elektrische
Meßwertaufnahmemittel 30, welches in F i g. 4 dargestellt ist, spricht daher auf
die kombinierte statische und dynamische Komponente an. Das elektrische Netzwerk,
das aus den Primär-und Sekundär-Transformatorwicklungen 34 sowie dem Phasen-Verschiebungsnetzwerk
40 besteht, spricht nur auf die dynamische Komponente an. Die Leitung 35 dient dazu,
das Netzwerk an das Meßwertaufnahmemittel anzuschließen, um dessen dynamischem Ansprechen
entgegenzuwirken, wodurch die Resultierende an den Klemmen 38 und 37 im wesentlichen
zu einer statischen Komponente wird.
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Die Ausführung nach F i g. 5 erlaubt es, einen relativ schwachen
dynamischen Ausgang der Brücke 8 zu verstärken, indem ein Verstärker 42 zwischen
den Kondensator 15 und die Ausgangsklemme 21 geschaltet wird. Der Ausgang des Verstärkers
wird dann der Brücke 7 sowie dem Meßkreis 22 durch die Leitungen 43 und 44 zugeleitet,
in der gleichen Art, wie dies in F i g. 1 dargestellt ist.
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Wie in Fig. 6 gezeigt, kann auch eine Einzelbrücke 45, die der Brücke
30 entspricht, eingesetzt werden, die einen Verstärker 46 und einen Kondensator
47 besitzt, welche durch eine Leitung 50 mit der Klemme 49 verbunden sind, um so
der dynamischen Komponente der Brücke 30 entgegenzuwirken, damit nur die statische
Komponente an der
Brückenklemme48 und der anderen Ausgangsklemme 51 des Verstärkers
auftritt. Bei F i g. 5 und 6 ist davon ausgegangen, daß ein herkömmlicher Phasenkreis
bereits in der Schaltung der Verstärker 42 und 46 enthalten ist.
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Mit der Erfindung ist ein relativ einfaches, jedoch höchst effektives
System zur alleinigen Messung einer statischen Kraft, der eine dynamische Kraft
überlagert ist, geschaffen. Beim praktischen Einsatz ist es nur erforderlich, den
Grad der Empfindlichkeit und Stabilität im Betrieb zu erzielen, der gewährleistet,
daß die Lastanzeige oder das Zählwerk auf einen gewünschten Genauigkeitsgrad leicht
abgelesen werden kann.