DE1943566A1 - Auswertschaltung zur direkten digitalen Kraftmessung - Google Patents

Auswertschaltung zur direkten digitalen Kraftmessung

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Description

  • Auswertschaltung zur direkten digitalen Kraftmessung Die Erfindung betrifft eine Auswertschaltung zur direkten digitalen Kraftmessung durch lineare Frequenzänderung eines Oszillators.
  • Frequenzanaloge Signale haben gegenüber amplitudenanalogen Signalen für viele Anwendungen Vorteile. So sind sie z.B.
  • unempfindlich gegen Fremdspannungen wie z.B. Thermospannungen oder Driften von Gleichspannunsverstärkern sowie gegen änderungen der Parameter der Übertragungsleitungen. Frequenzen kann man mit di-Digitalen Zählern durch Auszählen der Schwingungsperioden sehr genau messen. Ebenso genau läßt sich die inverse Größe der Frequenz, die Periodendauer durch Zählen der Impulse einer Bezugsfrequenz gut meßtechnisch erfassen. Ein Vorteil der frequenzanalogen Meßwertdarstellung ist weiterhin die zur Weiterverarbeitung und Speicherung günstige Digitalisierung der Meßgröße. Wesentlicn für eine einfache Auswertschaltung ist eine lineare Abhängigkeit zwischen Meß- und Ausgangsgröße. Bei allen LC-, RC-und RL-Oszillatoren ergeben sich ähnlich dem Wurzelgesetz der Thomson'schen Schwingungsformel nichtlineare Zusammenhänge zwischen dem frequenzsteuernden Element und der Ausgangsgröße. As sind Linearisierungsschaltungen hierfür bekannt, die jedoch einem beträchtlichen Mehrauf wand an Bauelementen (Gleichspannungsverstärker, Hegelschaltungen, Kompensationsschaltungen usw.) erfordern.
  • Es ist auch schon die Anwendung druckempfindlicher Transistoren in getriggerter Schaltung mit Pulsdauermodulation bekannt. Die Impulsdauermodulation geht dabei aber nur in kleinen Bereichen mit dem Druck linear. Eine Temperaturkompensation ist nicht vorgesehen.
  • Bekannt ist schließlich eine druckempfindliche Halbleiteranordnung mit druckempfindlichen Transistor, dessen Druckbeanspruchung über ein Biegeelement erzielt wird. Dazu wird ein streifenförmiger Halbleiterkörper an einem Ende fest auf einer Unterlage-eingespannt, während sein restlicher Teil frei schwebt.
  • Auf den Halbleiterkörper wird mindestens ein aktives Halbleiterelement derart angeordnet, daß es auf dem frei schwebend* reil aufliegt. Das Ende des frei schwebenden Teils wird außerhalb des aktiven Halbleiterelementes den Druckänderungen unterworfen.
  • Das aktive Halbleiterelement kann dabei insbesondere in der Mitte des frei schwebenden Teils angeordnet sein.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine für die direkte digitale Kraftmessung dadurch besders gut brauchbare huswertschaltung zu erzielen, daß zwischen der zu messenden Kraft und dem Ausgang der Auswertschaltung in weitem Bereich eine lineare Beziehung besteht und daß es sich dabei durch Ausschaltung von Drift und durch Anwendung einer Temperaturkompensation um eine eineindeutige Beziehung handelt.
  • Diese Aufgabe wird erE dungsgemäß dadurch gelöst, daß zum erhalt der linearen, zur Meßgröße proportionalen digitalen Ausgangsgröße im Zeitglied des Oszillators der Auswertschaltung ein von der Meßgröße beeinfluß6arer Halbleiter liegt, der eine eingeprägten Strom liefernde Stromquelle für die lineare Aufladung eines Kondensators ist. Als Halbleiter kann insbesondere ein druckempfindlicher Transistor oder ein von der Meßgröße beeinflußbarer Widerstand in Form eines Halbleitergebers Verwendung finden.
  • l4an erhält auf diese leise eine für Meßzwecke gut geeignete Auswertschaltung mit linearer beziehung zwischen der MeX-größe und dem Ausgangssignal. Für eine Temperaturkompensation kann leicht gesorgt werden. Der elektronische Aufwand ist dabei gering und somit eine preisgünstige Herstellung der Auswertschaltung möglich.
  • Weitere dinzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Leichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigen Fig. 1 eine Prinzipschaltung zur irläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Auswertschaltung, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Auswertschaltung mit einem druckempfindlichen Transistor, Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Auswertschaltung mit passiven Halbleitergebern, Fig. 4 eine praktische Ausführungsform des passiven Halbleitergebers mit einer Vorrichtung zur Temperaturkompensation, Fig. 5 die Anordnung des Halbleitergebers von Fig. 4 auf einem kraftverstärkenden Biegeelement, und Fig. 6 eine Ariauterung zur Anordnung nach Fig. 5.
  • Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Åuswertschaltung. Die Schaltung besteht aus einem astabilen Multivibrator, der durch zwei Transistoren T1 und T2 mit Arbeitswiderständen R1 und h11 gebildet wird. Die beiden Transistoren sind über Kondensatoren G'1 und C2 rückgekoppelt. Die Aufladung der Kondensatoren erfolgt linear über Stromquellen T3 bzw. T4, die durch einen von der Meßgröße beeinflußten Halbleiter so verändert werden können, daß eine lineare, der Meßgröße proportionale digitale Ausgangsgröße entsteht. Zwei weitere Transistoren T5 und T6 dienen zum schnellen Entladen der beiden Kondensatoren Cl und C2.
  • Zum besseren Verständnis der Funktion sei angenommen, daß zunächst der Transistor T1 gesperrt ist und der Transistor T2 Strom zieht. Eine Diode Dl ist dann gesperrt, aber der Transistor T5 sowie eine Diode D2 leiten. Weiter sind dann auch der Transistor T6 sowie eine Diode D3 gesperrt, während-Diode D4 leitet. Die Stromquelle T3 liefert nun den Basisstrom für den leitenden Transistor T2. Die Stromquelle T4 lädt den Kondensator C2 linear auf, bis der Transistor T1 an seiner Basis ein solches Potential erhält, daß er leitend wird. Durch den bekannten Rückkoppelmechanismus Eines astabilen Multivibrators wird nun der Transistor T2 gesperrt. Der vorher gesperrte Transistor T6 sowie die Diode D3 werden leitend und entladen den Kondensator C2 über den Widerstand R10, so wie vorher T5 den Kondensator Cl über den Widerstand R2 entladen hatte. Nun liefert die Stromquelle T4-den Basistrom für den leitenden Transistor T1, während die Stromquelle T3 den Kondensator Cl auflädt. Nach diet sem Zyklus wiederholt sich das Ganze von vorne.
  • Die Zenerdiode Z sowie die Dioden D1 bis D4 sorgen für eine konstante Spannungsänderung über den beiden Ladekondensatoren CI und C2. Der Transistor T7 dient zur Verbesserung der Ausgangskurvenform. zur wird direkt an den Emitterwiderstand R13 vom Transistor T2 angekoppelt. Die Widerstände R5, S6, R7, R8, R9 und R14 dienen zur Arbeitspunkteinstellung. Am Ausgang A kann die digitale Ausgangsgröße von der Auswertschaltung abgenommen werden.
  • Fig. 2 zeigt eine Auswertschaltung, bei der die Stromquelle T3 durch einen druckempfindlichen Transistor D ersetzt wird. Über einen Widerstand R21 wird der Kondensator Cl linear aufgeladen, was zu einer linearen, zur Meßgröße proportionalen Frequenzänderung am Ausgang A führt. Die Stromquelle T4 ist dabei durch einen Widerstand R20 ersetzt, der so auszuwählen ist, daß die Linearität gewährleistet ist. Die Arbeitspunkteinstellung des druckempfindlichen Transistors D erfolgt über einen Spannungsteiler aus Widerständen R8, Kaltleiter KL1, H29, 1115, R16 und Heißleiter Htl sowie den Spannungsteiler H1£2, R17, 1116, R19 und R6. R6 und R18 sind als Potentiometer ausgebildet und dienen zur Frequenzjustierung. R9 kann auch als Zenerdiode ausgelegt werden. Zur Verdoppelung des Meßeffektes kann man den Ladewiderstand R20 des Kondensators C2 durch eine der zur AN-ladung des Kondensators Cl dienende gleiche Anordnung mit einem zweiten druckempfindlichen Transistor ersetzen.
  • Fig. 3 zeigt eine weitere Modifikation der Schaltung.
  • Die Emitterwiderstände R3 und R4 der aus üblichen Transistoren aufgebauten Stromquellen T3 und T4 von Fig. 1 werden hier durch passive Halbleitergeber H1 und H2 gebildet, deren Widerstand von der Meßgröße beeinflußt wird, was zu einer Linearen Periodendaueränderung am Ausgang A führt.
  • Wie bereits beim druckempfindlichen Transistor beschrieben, werden zur Verdoppelung des Meßeffektes hier beide @@nden satoren C1 und C2 über je einen Halbleiter Hl und H2aufgeladen.
  • Fig. 4 zeigt den Aufbau eines solchen passiven Halbleitergebers. Auf ein Halbleiterplättchen 1 werden in vom Gebiet der integrierten Schaltung bekannter Technik die beiden von der Meßgröße beeinflußten Elemente 2 und 3 sowie ein von der Meßgröße unbeeinflußtes Temperaturkompensations-Element 4 aufgebracht. Dieses wird durch ein Verbindungsstück 5, das nichts zum Widerstand beiträgt, mit den von-der 1\IIeßgrölje beeinflußten Elementen 2 und 3 verbunden.-Anschlüsse 6, 7, 8 und 9 verbinden die Elemente mit den mit gleichen Ziffern bezeichneten Punkten von Fig. 3. Durch geeignete Formgebung, d.h. Verjüngung des Querschnitts wird der Hauptanteil des von der Meßgröße beeinflußten Haltleiterwiderstandes in das Gebiet maximaler Dehnung gelegt.
  • Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Halbleiterplättchen 1 auf einem Biegeelement 10 mit bekannten Mit In derart aufgebracht ist, daß der Hauptanteil des jeweiligen Widerstandes der Elemente 2 und 3 über einer Einkerbung 11 des Biegeelementes 10 im Bereich größter Dehnungen liegt. Am nicht eingespannten Ende des Biegeelementes 10 greift die Kraft F an, wodurch das Biegeelement 10 als Kraftverstärker wirkt. Das Biegeelement 10 wird z.B. mittels einer Schraubvorrichtung 12 auf einer Halterung 13 befestigt.
  • Fig. 6 zeigt das gemäß Fig. 5 angeordnete Halbleiterplättchen 1 in einer Draufsicht, die seine genaue Lage auf dem Biegeelement 10 bzw. über dessen Einkerbung 11 erläutert.
  • Die angegebenen Schaltungen eignen sich überdies gut zur Temperaturkompensation. Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung mit einem druckabhängigen Transistor wird durch den Spannungsteller R8, R15, Kaltleiter KL1, R29, R16 mit dem Heißleiter Htl die Versorgungsspannung V der Stromquelle D sowie die Basisvorspannung der Stromquelle über den Spannungsteiler R6, R18, R17 mit dem Heißleiter HL2 so geregelt, daß ein Temperaturfehler ausgeglichen wird.
  • Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltung mit passiven Halbleitergebern wird die Temperaturkompensation durch Andern der Versorgungsspannung der Stromquellen T3 und T4 bewirkt.
  • Dies wird durch einen Spannungsteiler 27, Heißleiter 11113, R26 sowie R25, R2@ und Halbleiterelement H3 erreicht. Dieses zur Temperaturkompensation dienende Haluleiterelement H3 ist das Element 4 von Fig. 4, das zusammen mit den von der Kraft veränderten Elementen 2 und 3 in integrierter Technik auf einem Halbleiterplättchen aufgebracht ist.
  • iviit der in Fig. 3 dargestellten Regelschaltung kann man auch die Temperaturabhängigkeit der Emitter-Basis-Dioden der Stromquellen T3 und T4 kompensieren. Ein Transistor T9 mit seinem Widerstand 22, der den gleichen Widerstandswert besitzt wie der Halbleitergeber Hl bzw. H2, fuhrt den gleichen Strom wie die beiden Stromquellen T3 und T4. Durch gemeinsamen Basisanschluß von Transistoren T10 und Til, die Emitterwiderstände T23 und R24 aufweisen, fließt auch in diesen Transistoren der gleiche Strom wie in der Stromquelle und im Transistor T8. Bei diesem Transistor ist die Basis-Kollektorstrecke kurzgeschlossen, so daß nur die Emitter-Basis-Diode von Transistor T6 wirksam ist. Der an dieser Emitter-Basisstrecke anliegende Spannungsabfall hat den gleichen Temperaturgang wie die Emitter-Basisstrecken der Stromquellen T3 und T4, wirkt jedoch deren Anderung entgegen.

Claims (9)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e
    Auswertschaltung zur direkten digitalen Kraftmessung durch lineare Frequenzänderung eines Uszillators, dadurch gekennzeichnet, daß zum erhalt einer linearen, zur Meßgröße proportionalen digitalen husgangsgröe im Zeitglied des Oszillaltors (Tl, T2, 111, 1111) ein von der Meßgröße beeinflußbarer Halbleiter (D, H1, 112) liegt, der eine eingeprägten Strom liefernde Stromquelle für die lineare Aufladung eines Kondensators (C1, C2) ist.
  2. 2. 2. Auswertschaltung nach anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter ein druckempfindlicher Transistor (aktiver Vierpol D) ist (Fig. 2).
  3. 3. Auswertschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter ein von der Meßgröße beeinflußbarer Widerstand (passiver Halbleitergeber H1 bzw. H2) ist, der zum Bestimmen des Kollektorstromes und damit des Kondensatorladestroms im Zeitglied des Oszillators als Emitterwiderstand in eine Transistorschaltung (T3, T4) geschaltet ist (Fig. 3).
  4. 4. Auswertschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verdoppelung des Meßeffektes je ein Halbleiter (D, H1, H2) in zwei RC-Koppelgliedern angeordnet ist.
  5. 5. Auswertschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der passive Halbleitergeber aus einem Halbleiterplättchen (1) besteht auf das in integrierter Technik beide von der Meßgröße beeinflußte Elemente (2, 3) sowie ein von der Meßgröße unbeeinflußtes, der Temperaturkompensation dienendes Element (4) aufgebracht sind (Fig. 4).
  6. 6. Auswertschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen (1) in der Mitte eines als Kraftverstärker wirkenden, an sich bekannten Biegeelementes (10) über eine quer verlaufende Einkerbung (11) des Biegeelementes aufgebracht ist (Fig. 5).
  7. 7. Auswertschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur selbsttätigen Temperaturkompensation durch Andern der Versorgungsspannung der Stromquelle bzw. durch Anderung der Basisvorspannung der Stromquelle temperaturabhängige Glieder (5,Kl1, Htl, HL2, HL3) vorgesehen sind.
  8. 8. Auswertschaltung nach den Ansprüchen 5 oder 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Glieder (4) auf dem Halbleiterplättchen (1) in integrierter Technik aufgebracht sind.
  9. 9. Auswertschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis d, dadurch gekennzeichnet, daß in einer aegelschaltung zur Kompensation der Emitter-Basis-Spannungstemperaturabhängigkeit der Stromquelle (T3, T4) durch Nachführen des Ladestromes des Zeitgliedes in einem als Emitter-Basis-Übergang geschalteten, der Stromquelle gleichen Transistor (T9) ein zu dem der temperaturabhängigen Emitter-Basis-Diode der Stromquelle entgegengesetzter Spannungsabfall vorgesehen ist (Fig. 3).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2903310A1 (de) * 1978-02-10 1979-08-23 Richard Bent Nissen Henkel mit leicht abnehmbaren handgriffen

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2903310A1 (de) * 1978-02-10 1979-08-23 Richard Bent Nissen Henkel mit leicht abnehmbaren handgriffen

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DE1943566B2 (de) 1977-05-26

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