DE2016428A1

DE2016428A1 - Wägevorrichtung bzw. Waage

Info

Publication number: DE2016428A1
Application number: DE19702016428
Authority: DE
Inventors: Robert Pincus Spring Valley; Bailey Stephen Peter Mahopac; N.Y.; Miller Marvin Teanjck N.J.; Miller (V.St.A.)
Original assignee: Metrodyne Corp., Montvale, N.J. (V.St.A.)
Priority date: 1969-04-16
Filing date: 1970-04-07
Publication date: 1970-10-29
Also published as: BE748978A; GB1299279A; IE33784L; JPS5019057B1; IL34077A; FR2043421A5; IL34077A0; SE367870B; NL7005249A; IE33784B1; SE367870C; SU370800A3; CH524137A; US3565195A

Description

Dlpl.-Ing. EIDENEIER
Dipl.-Chem. Dr. R U F F Dlpl.-Ing. J. B EIE R

7 STUTTGART. 1 Neckarstraße 5O

Telefon BJBJJBJBBJi 2270S1

Anmelderin: Metrodyne Corporation 6· April 1970 200 Summit Avenue JB/Fi

Kontvale, New Jersey
USA

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Wägevorrichtung bzw. Waage

Die Erfindung betrifft eine Wägevorrichtung bzw. Waage, und insbesondere eine Waage, die die Änderung der elektrischen Kapazität einer Wägematte, die Bit einer zu messenden Kraft belastbar ist, benutzt;

Die Waage nach der Erfindung besitzt eine dünne, flexible Wägematte, deren elektrische Kapazität sich linear mit der Grüße eines auf die Wägematte aufgebrachten Gewichts ändert. Die Hatte ist im wesentlichen aus elektrisch leitenden Flachmaterialien oder Schichten gebildet, die durch Elemente von dielektrischem nichtleitendem elastomerischen Material getrennt sind. Die leitenden Schichten bilden die Platten eines Kondensators, und wenn ein Gewicht auf die Matt· gebracht wird, wird das elastomerisehe Dielektrikum zwischen den Schichten zusammengedruckt; der Abstand zwischen den Schichten wird verringert, und die Kapazität des Wägematten-Koiidensators erhöht sich. Unterhalb eines

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bestimmten Werts aufgebrachter Belastung verhält sich die Änderung der Dicke eines elastomerischen Trennelements unter Druck linear zu der auf das Element aufgebrachten Intensität der Kraft, und innerhalb dieses Belastungsbereichs variiert die Kapazität der Matte linear zur Belastung· Oberhalb dieses Belastungsbereichs ändert sich die Dicke des unter Druck befindlichen elastomerischen Elements jedoch nicht linear zur aufgebrachten Belastung. In einer später beschriebenen vorteilhaften AusfUhrungsform der Erfindung werden die elastomerischen dielektrischen Elemente zur Erweiterung des nutzbaren Bereichs linearer kapazitiver Änderung der Wägematte besonders angeordnet.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wägematte als Sandwich aus drei elektrisch leitenden Schichten ausgebildet, die durch zwei elastomerIsche dielektrische Lagen zur Bildung eines zweimal unterteilten elektrischen Kondensators getrennt sind. Die dielektrischen Schichten sind ihrerseits aus vielen entweder voneinander getrennten oder miteinander verbundenen, in Abstand voneinander befindlichen elastomerischen Trennelementen zusammengesetzt, und die mittlere leitende Schicht besteht auch aus einem verformbaren elastomerischen Material. Wenn die Matte nach der bevorzugten AusfUhrungsform innerhalb des bereits erwähnten Belastungsbereichs belastet wird, ändert sich die Kapazität eines Jeden Abschnitts des Kondensators linear zur aufgebrachten Belastung. Wenn die Belastung jedoch den Punkt erreicht, bei dem die Verformung der dielektrischen Elemente sonst nichtlinear werden würde, beginnt sich die mittlere leitende Schicht selbst zu verformen und neigt so dazu, die Druckbelastung auf die dielektrischen Trennelemente zu senken und schafft wirksam einen erweiterten Bereich, in dem sich die Mattenkapazität linear zur Belastung ändert. Durch die zweimal unterteilte Form

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der Wägematte wird es auch möglich, daß die elektrische Erdung der beiden äußeren Platten des Nattenkondensators die Hatte von den Auswirkungen von Streukapazitäten in der Nachbarschaft abschirmt·

Die erfindungsgemäße Waage besteht im wesentlichen aus einer Wägematte, die in einem Bereich mit Kräften belastbar ist. Die Matte besitzt wenigstens zwei elektrisch leitende Schichten, die durch eine verformbare dielektrische Schicht mit einer wirksamen linearen Deformations-Charakteristik (Deformations-Kennlinie)und vernachlässigbarer elastischer Hysterese bei Belastung der Matte in dem genannten Kraftbereich getrennt sind.'Zusätzlich sind an I die leitenden Schichten angeschlossene Schaltungen vorgesehen, die die Änderung der elektrischen Kapazität der » Matte bei Belastung messen sollen.

Die Wägematte nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine erste und zweite elektrisch leitende Schicht, die durch eine Vielzahl von ersten, entweder einzelnen oder gemeinsamen dielektrischen elastomerischen in Abstand voneinander angeordneten Trennelementen getrennt sind. Eine dritte elektrisch leitende Schicht wird von der zweiten leitenden Schicht durch eine Vielzahl von in Abstand zueinander befindlichen dielektrischen Trennelementen getrennt. Die zweite leitende Schicht I ist aus einem verformbaren Material gebildet.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Einige Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert« Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des mechanischen Aufbaus der variablen Kondensator-Wägematte ;

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Fig· IA und IB Schnitte von elastomerIschen Trennelementen mit einer Vielzahl von verbundenen bzw. gemeinsamen Elementen;

Fig. 2 eine Teil-Ansicht von Flg. 1 mit den elektrischen Anschlüssen zu den verschiedenen Schichten der Wägematte;

Fig. 3 ein vereinfachtes Bloclcschaltblld einer elektrischen Schaltung, die für die in Fig. 1 und 2 gezeigte Matte geeignet ist, und

Fig. 4 ein Diagramm, das die Zeitbeziehung zwischen den verschiedenen Wellenformen der Spannungen darstellt, die in der in Flg. 3 gezeigten Schaltung auftreten·

Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Wägematte nach der Erfindung. Die Matte 10 besitzt äußere leitende Schichten 11 und 12 und eine in der Mitte angeordnete leitende Schicht 13, die, wie in der Zeichnung gezeigt, durch isolierende, nachgiebige Schichten 14 und 15, getrennt ist. Die Schichten 11, 12 und 13 können aus einem beispielsweise nach Katalognummer N-2170-A der Rabestos Company nachgiebigen, leitenden Gummimaterial mit einer Dicke von 0,055 inch (ca· 1,36mm) und einer Shore-Härte von 60 bestehen. Die dielektrischen Trennschichten 14 und 15 weisen viele, in Abstand voneinander angeordnete Ournmistreifen auf, die mit den Innenflächen der leitenden Schichten 14 und 15 verbunden bzw. verklebt und so ausgerichtet sind, daß die Streifen der einen Schicht im rechten Winkel zu den Streifen der anderen Schicht liegen. In Abständen von 1/16 in. (ca. 1,6mm) angeordnete Streifen aus reinem Gummi, 1/16 in. (ca. 1,6m«) im Quadrat brächten in der in Fig. 1 gezeigten Wägematte zufriedenstellende Leistungen hervor. Als geeignetes Gummi kann das

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der Easth&ropton Rubber Company (Katalognummer HT-184) verwendet werden.

Wie in Fig« IA und IB gezeigt, sind die voneinander in Abstand angeordneten dielektrischen Trennschichten durch Stege 14B verbunden· In dieser Form lassen sich die vielen Trennelemente bequem gießen, pressen, spritzen, bzw· extrudieren oder maschinell als Einheit mit den für eine gegebene Wägematte gewünschten Gesamtabmessungen herstellen.

Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Äußeren leitenden Schichten 11 und 12 jeweils mit elektrischen Anschlüssen 20 und 21 versehen und die mittlere oder innere Schicht 13 ist mit einem elektrischen Anschluß 22 versehen. Beim Betrieb werden die Anschlüsse 20 und 21 vorzugsweise durch •inen leitenden Steg 23 zur Bildung einer der Platten eine· variablen Kondensators miteinander verbunden, und der Anschluß 22 wird als Verbindung zu der in Fig. 3 gezeigten elektrischen Schaltung durch ein Koaxialkabel 25 verwandt.

Wenn die dünne flexible Matte 10 mechanisch belastet wird, lindert sich die elektrische Kapazität zwischen den leitenden (miteinander verbundenen) Schichten 11, 12 und der Schicht 13 aufgrund der Druckverformung der Streifen 14 und 15 der isolierenden Gummischichten. Wenn die Belastung einen Grad erreicht, bei dem die Verformung der Streifen 14 und 15 nicht mehr linear zu der aufgebrachten Belastung ist, beginnt sich die mittlere leitende Schicht 13 selbst au verformen und ermöglicht den Gummistreifenabschnitten 14, die nicht unmittelbar gegenüber den Gummistreifen 15 liegen, sich nach, unten zur leitenden Schicht 12 hin aus-■ubauchen. Auf ähnliche Weise neigen die Streifenabschnitte 15, die nicht unmittelbar gegenüber den Streifen 14 liefen, dazu, sich nach oben zur Schicht 11 hin zu bewegen,

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Es wird angenommen, daß die Wirkung dieser gegenseitigen Bewegung von Abschnitten der Trennstreifen 14 und 15 zusammen mit der Verformung der mittleren Schicht 13 die Druckbelastung auf die Gummistreifen verringert und daß der Bereich der linearen Kapazitätsänderung der Matte IO wirkungsvoll erhöht wird. Es wurde ermittelt, daß die Kapazität einer nach Fig. 1 und 2 gebauten 2ft χ 2ft (60cm χ 60cm) großen Matte sich linear als Funktion eines bis zu 1 000 pounds (454kg) getesteten aufgebrachten Gewichts mit einer maximalen Belastung von 125psi (8,8kg/cm ) än- ^ derte und auch, daß unter diesen Umständen die Kapazitätsänderung unabhängig war von der mit dem Gewicht bedeckten Mattenfläche.

Nach einer bevorzugten Methode zum elektrischen Messen der Änderung der Kapazität der Matte und demzufolge des tatsächlichen auf die Matte gebrachten Gewichts, wird eine Stromquelle konstanten Stroms wiederholt an die Kondensatorplatten der Matte zur Erzeugung einer linearen Sägezahn-Spannung (d.h. einer Spannung mit linear ansteigender Funktion) von konstanter Frequenz und konstanter Amplitude angelegt. Ihre Zeitdauer ändert sich direkt mit der Kapazität der Matte.

* Die Beziehung zwischen Lade-Strom, Kondensator-Spannung und Ladezeit ist wie folgt definiert:

^C«^V

- t_f (1)

Dabei ist

I - der dem Kondensator zugeführte konstante Stromwert,

C · Kapazität der Matte,
t.« die benötigte Zeit, um C auf V- aufzuladen,

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V. * konstanter Wert der Endspannung am Kondensator.

Da die Werte von V- und I für alle Gewichtswerte konstant bleiben, kann die Gleichung (1) wie folgt vereinfacht werden:

C_nK . t_f (2)

Dabei ist K » V_f/I eine Konstante. Aus der Gleichung (2) ist ersichtlich, daß C_n und t_f in linearer Beziehung stehen, d.h. wenn C_m steigt, dann steigt auch die Ladezeit t.» So ist die Xnderung der Kapazität proportional sur Xnderung des Gewichts, die direkt durch Messung der Xnderung der Aufladezeit t_f bestimmt werden kann. Die letztere läßt sich leicht bestimmen, indem man die Änderung des Nutzungsfaktors der Sägezahnspannung mißt, die von der belasteten Hatte, wie Im einzelnen in Verbindung mit Fig. 3 und 4 erklärt werden wird, erzeugt wird·

Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer, elektronischen Schaltung, die dazu vorgesehen 1st, die Wäge-» matte variabler Kapazität mit wiederholten Impulsen konstanten Stroms elektrisch zu speisen und dadurch durch Gewicht auf der Matte erzeugte Kapazitätsänderungen anzuzeigen. Die Schaltung weist.einen frequenzkonstanten Oszillator 30 auf, der eine Reihe von Rechteck-Ausgangsimpulsen 31 mit fester Wiederholungsfrequenz erzeugt, die einem Differenziergerät 32 und einer logischen Schaltung 33 zugeführt werden. Differenzierte Taktimpulse 35 werden dem "S" (set)-Eingang einer Flip-Flop-Schaltung 40 zugeführt, was ein Hochgehen (auf seinen hohen Pegel) des ^MQ^W-Ausgangs und ein Heruntergehen des "©."-Ausgangs 49 bewirkt. Ein Herunterschalten des "Q^f<- Aus gangs 49 bewirkt, daß sich ein Klemmechalter 41, der über das Koaxialkabel 25 verbunden ist, öffnet. Bei geöffnetem Schalter 41 wird die Kapazität der Matte 10 durch einen konstanten Strom I

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aufgeladen, der, wie dargestellt, durch einen Bootstrap-Generator mit einem Verstärker A* und einen Regler 42 für konstante Spannung zugeführt wird.

Eine linear ansteigende (Sägezahn-)Spannung 45 wird über die Platten 11, 12 und 13 der Matte 10 entwickelt, und da sie von dem Verstärker A₁ verstärkt wird, dem Eingang eines bistabilen !Comparators Α« zugeführt· In dem Zeitpunkt, an dem die Amplitude der Sägezahnspannung 45 eine Bezugsspannung V. übersteigt, wird der Ausgang des Komparator s Ap auf den hohen Ausgangspegel geschaltet und bewirkt so, daß sich die Flip-Flop-Schaltung 40 rückstellt. Nachdem die Flip-Flop-Schaltung 40 rückgestellt ist, wird der Q-Ausgang 49 auf seinen hohen Pegel geschaltet und bewirkt ein Schließen des Klemmschalters 41 und eine Entladung der Kapazität der Matte 10. Gleichzeitig wird der Q-Ausgang von 40 heruntergeschaltet. Die entstehenden Rechteckimpulse 50 variabler Breite und fester Frequenz mit dem Q-Ausgangswert werden einer.logischen Schaltung 33 zugeführt, die vorgesehen ist, die Oszillator-Impulse 31 von den Impulsen 50 variabler Breite zu subtrahieren· Beim Betrieb wird ein Impulsbreite-Kontrollgerät 60 für den Regler 42 für konstante Spannung so einreguliert, daß die Taktimpulse 31 vom Oszillator in der Breite gleich sind wie die Impulse 50, die auftreten, wenn auf der Matte 10 keine Last ist und in diesem Zustand eine Aufhebung und ein Nullsignal aus der Schaltung 33 hervorrufen. Wenn eine Last auf die Matte gebracht wird, verbreitert sich der Q-Impuls 50 und die resultierenden Impulse 61 variabler Breite, die am Ausgang der logischen Schaltung 33 erzeugt werden, werden einem integrierenden Filter 70 zugeführt, das eine Gleichspannung erzeugt, dessen Amplitude proportional zur Breite der Impulse 61 und daher proportional zu dem auf die Matte

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10 aufgebrachten Gewicht ist. Es ist ein Meßgerät 80 vorgesehen, das die Ausgangs-Gleichspannung des Filters 70 mißt und auf einer geeichten Skala Gewichteinheiten direkt anzeigt·

Die von verschiedenen Schaltungen in Fig· 3 hergestellten Wellenformen elektrischer Spannung sind in Fig. 4 in ihrem zeitlichen Zusammenhang gezeigt und durch die gleichen Zahlen wie in Fig. 3 gekennzeichnet. Die Mattenspannung 45 ist eine linear ansteigende oder Sägezahnspannung ■it

a) einer durch die Bezugsspannung V- festgelegten konstanten maximalen Amplitude,

b) einer durch die Oszillator-Impulse 31 festgelegten konstanten Wiederholungsfrequenz und

c) einer variablen Zeitdauer t-, die durch die Mattenkapazität 10 bestimmt wird, die wiederum durch das auf die Mattenoberfläche gebrachte Gewicht bestimmt wird.

Die Vorderkante 49a der Q-Impulse 49 ist festegesetzt durch die Einstellung der Flip-Flop-Schaltung 40 durch die differenzierten Taktimpulse 35, und die variable Hinterkante 49b ist festgelegt durch die Rückstellung der Flip-Flop-Schaltung 40 durch den Ausgang des Komparators A₂* Die Kapazität der Matte 10 wird so durch den Klemmschalter 41 wiederholt entladen, unmittelbar nachdem sie auf ihre maximale Endspannung V_f aufgeladen wurde, worauf der Klemmschalter wieder geöffnet und die Matte wieder auf V_f In einer durch die Mattenbelastung bestimmten Zeitdauer aufgeladen wird·

Es wurde eine bevorzugte AusfUhrungsform der Wägematte und

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des damit susamoenwirkenden elektronischen Meßgeräts beschrieben, doch sind im Rahmen der Erfindung verschiedene Abänderungen möglich, sowohl in der Auswahl geeigneter elastomerischer Materialien als auch in den Schaltungen für die Kapazitätsmessung·

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Claims

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Ansprüche

Wägevorrichtung bzw. Waage mit einer Wägematte, die In einem Bereich mit zu messenden Kräften belastbar 1st, dadurch gekennzeichnet, daß die Matte (10) wenigstens zwei elektrisch leitende Schichten (11,12,13) besitzt, die durch eine verformbare dielektrische Schicht (14,15) getrennt sind, die beim Belasten der Matte (10) in dem Bereich der Kräfte eine im wesentlichen lineare Deformations-Chrakteristik aufweist, wobei sich die elektrische Kapazität der Wägematte in Übereinstimmung mit der Grüße des auf die Matte aufgebrachten Gewichts ändert.

2· Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine an die Schichten angeschlossene Einrichtung zur Messung der elektrischen Kapazität der Matte aufweist.

3· Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie an die Schichten angeschlossene Mittel zur Messung der Xnderung der elektrischen Kapazität der Matte bei ihrer Belastung aufweist.

4· Waage mit einer WUgematte, die mit einer zu messenden Kraft belastbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Matte (10) eine erste elektrisch leitende Schicht (11) und eine zweite elektrisch leitende Schicht (13) aus verforobärem elastomerischen Material, eine Vielzahl von in Abstand voneinander angeordneten ersten dielektrischen elastomerischen Elementen (14), die die erste und zweite Schicht (10,11) trennen, eine dritte elektrisch leitende Schicht (12) und eine Vielzahl von in Abstand voneinander angeordneten zweiten dielektrischen

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Elementen (15) besitzt« die die zweite und dritte Schicht (13, 12) trennen.

5· Waage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten dielektrischen elastomerischen Elemente (14) eine Vielzahl parallel in Abstünden voneinander angeordneter elastomerischer Streifen und die zweiten dielektrischen elastomer riechen Elemente (15) eine Vielzahl parallel in Abständen voneinander angeordneter elastomerischer Streifen aufweisen, wobei die Streifen der ersten Elemente (14) zu denen der zweiten Elemente (15) nicht parallel .sind.

6· Waage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur elektrischen Verbindung der ersten und dritten Schicht (11, 12) und eine an die erste und zweite Schicht (11,13) angeschlossene Schaltung zur Messung der elektrischen Kapazität der Matte (10) aufweist.

7. Waage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur elektrischen Verbindung der ertten und dritten schicht (11,12) und eine an die erste und zweite Schicht (11,13) angeschlossene Schaltung zur Messung dsr Änderung der elektrischen Kapazität der Matte (10) bei ihrer Belastung aufweist.

8. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine Einrichtung (A₁, 42) zum Aufladen der Matte 410) mit konstantem Strom auf eine vorbestimmte Spannung und einen Zeitgeber

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sum Messen der sum Aufladen der Matte auf die Spannung benötigten Zeit aufweist.

9· Waage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen Komparator (A₂) zum. Vergleichen * der zum Aufladen der Matte auf die Spannung benötigten Zeiten bei verschiedenen Belastungsbedingungen aufweist·

10· Waage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine automatische Einrichtung zum periodischen Anschließen der Einrichtung für konstanten Strom an die Matte und eine Schalteinrichtung zum periodischen Entladen der ersten und zweiten Schicht auf« weist,.wenn sie nicht an die Einrichtung für konstanten Strom angeschlossen sind.

11· Waage nach- Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Schicht (11,13) aus einem verformbaren elastomerIschen Material bestehen·

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