DE2046918A1 - Kraftmeßvorrichtung - Google Patents

Description

• Kraftmessvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Kraftmessvorrichtung mit einem Messwertumformer, der einen ersten elektromochanischen Wandler zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie aufweist, der aus einen piezoelektrischen Kristall besteht, dessen Resonanzfrequenz sich als Funktion einer zu messenden Kraft ändert.
• Eine derartige Vorrichtung ermöglicht die genaue Messung einer Kraft oder eines Gewichts durch ausnutzung elektrischer Frequenzänderungen, die durch die gesteuerte Einwirkung von Kräften auf einen Quarz oder einen anderen piezoelektrischen Kristall erzeugt werden, der durch einen elektrischen Resonanzkreis in Resonanz gehalten wird, um ein digitales Signal und eine numerische Anzeige der Kraft bzw. des Gewichts zu liefern. Das Anwendungsgebiet derartiger Kraftmessvorrichtungen liegt auf dem Gebiet der Messung von Gewichten, von Druck und von integrierenden Beschleunigungsie ssern0 Die bekannten Vorrichtungen erzeugen ein Ausgangssignal in Form einer Gleichspannung bzw. eines Gleichstroms oder einer Spannung bzw. eines Stroms mit fester Frequenz, deren Amplitude den angewandten Kräf ton proportional ist. Im allgemeinen weisen die bekannten Vorrichzungen Wandler auf, die von den elektromechanischen Eigenschaften bestimmter Materialien, die als piezoelektrische oder als magnetostriktive Wirkung bekannt sind, Gebrauch machen. Diese Vorrichtungen führen wegen der art des Ansgangssignals zu Ungenauigkeiten infolge der Eigenschaften anderer Elemente in den Vorrichtungen, ii die die Wandler eingebaut sind. Ein typisches Beispiel ist die Ungenauigkeit der Anzeige infolge von Übertragungsverlusten, die sich gewöhnlich ergeben, wenn das Ausgangssignal über eine Strecke oder über verschiedene Strecken gleichzeitig übertragen wird.
• Solche Ungenauigkeiten sind direkt auf die elektrischen Verluste des Übertragungsmediums zurückzuführen.
• Um diese Nachteile zu vermeiden, wurden andere Wandler verwendet, bei denen Änderungen eines besonderen Parameters eines elektrischen Kreises auftreten. Solche Vorrichtungen weisen Wandler auf, deren Widerstand, Induktivität oder Kapazität durch eine angewandte Kraft geändert wird. Diese Vorrichtungen erfordern Jedoch besondern zusätzliche Kreise und Bauteile, um ein usgange signal in liner für moderne Übertragungssysteme geeigneten Form zu liefern. Solche zusätzlichen Kreise und Bauteile führen zu bestimmten Ungenauigkeiten zwischen den gemessenen Kräften und den übertragenen Daten.
• Ein weiterer Versuch zur Beseitigung der zuvor erwähnten Probleme besteht darin, eine Einrichtung zu verwenden, um eine in Abhängigkeit von einer Kraft veränderbare Frequenz einer festen Frequenz zu überlagern, um eine Seitenbandfrequenz zu erzeugen, die der angewandten Kraft proportional ist. Von einer solchen Einrichtung wird in der digitalen Beschleunigungsmesser der US-Patentschrift 3 033 043 Gebrauch gemacht. Auch derartige Vorrichtungen haben sich wegen der Schwierigkeiten als nicht zufriedenstellend erwiesen, die auf die Frequenz-erift in den Oszillatoren infolge von Wärmezuständen und Alterungserscheinungen zurückzuführen sind.
• Es wurde festgestellt, dass die bei den bekannten Vorrichtungen auftretenden Probleme dadurch beseitigt werden können, dass ein Impulsfrequenz- oder Frequenzdifferenzausgangssignal erzeugt wird, das frei von den Ungenauigkeiten ist, die durch externe Kreise verurnacht werden. Ein Ausgangssignal in Form einer Impulsfrequenz oder einer Frequenzdifferenz hat sich im Gegensatz zu einer Gleichspannung oder einem Gleichstrom als Ausgangssignal aus den folgenden Gründen als wünschenswert erwiesen. Erstens können mittels der heutigen Digtalzähltechniken die Frequenzanderungen gemessen und numerisch angezeigt werden, und zweitens können solche digitalen Ausgangssignale leicht für digitale Rechen- oder Steuerzwecke verwendet werden, und drittens können diese Signale ohne Übertragungsverlaste, denen Gleichstromsignale unterworfen sind übertragen werden.
• Demgemäss wird nach der Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung vorgeschlagen, dass eine Übertragungseinrichtung an dem ersten Wandler angreift, um die zu messende Kraft auf diesen zu übertragen, dass ein zweiter elektromechanischer Wandler elektrische Energie im mechanische Energie umwandelt, und dass der zweite Wandler mit der Übertragungseinrichtung gekoppelt ist, um auf diese eine Kraft entgegengesetzt zu der zu messenden Kraft zu übertragen und periodisch die Grösse der auf den ersten Wandler einwirkenden Kraft zu vermindern, um die Resonanzfrequenz des Kristahls des ersten Wandlers zwischen einer Bezugsfrequenz und einer Frequenz zu ändern, die von der Einwirkung der zu messenden Kraft auf den Kristall abhängt.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.
• Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Messwertumformer der Kraftmessvorrichtung gemäss der Erfindung, Fig. 2 eine Seitenansicht des Umformers der Fig. 1, Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Kraftmessvorrichtung, Fig. 4 ein detailliertes Schaltbild der Vorrichtung der Fig. 3, Fig. 3 ein vereinfachtes Zeitdiagramm, aus dem die Arbeitsweise der Vorrichtung der Fig. 4 hervorgeht, und Fig. 6 einen Längsschnitt eines Messwertumformers in einer weiteren Ausführungsform.
• In den Figuren 1 und 2 der Zeichnungen ist ein Messwertumformer 10 einer Kraftmessvorrichtung mit einem Quarskristall 12, der Leitungen 11 und 13 aufweist und in einer Ausnehmung 14 in der Oberfläche einer Halteplatte 16 ungeordnet ist, einem nicht magnetischen, kraftübertragenden Arm 18, dessen eines Ende um eine Linie bzw.
• Schwenkachse 20 schwenkbar ist und dessen anderes Ende eine Ausnehmung 22 zur Aufnahme der oberen Kante des Kristalls 12 aufweist, und mit einem Solenoid 24, das einen Anker 26 mit einer einstellbaren Stütze 27 für einen Tragarn 28 aufweist, so dass verhindert wird, dass irgendeine Kraft über den Arm 18 auf den Kristall 12 übertragen wird, wenn das Solenoid 24 nicht erregt ist, gezeigt.
• Das Solenoid 24 besitzt ein Joch 28 aus magnetischem Material, dessen unterer Teil als Grundplatte für den Umfermer 10 dient. Das Joch 28 weist ausserdem einen mittleren Schenkel 30 und einen seitlichen Schenkel 32 auf, an dem der Anker 26 und eine Halterung 34 für das schwenkbar gelagerte Ende des k:r-s 18 mittels Schrauben 36 befestigt sind.
• Die Solenoidspule 38 bewirkt, wenn sie über die Leitungen 40, 41 erregt wird, dass der Anker 26 nach unten verstellt wird, wobei er sich um den Punkt 42 biegt.
• Dadurch wird die Stütze 27 von dem Arm 18 entfernt, so dass ein Teil einer Kraft F über den Arm 18 auf den Kristall 12 übertragen werden kann. Ein Bolzen 46 aus nichtmagnetischem Material, z.B. rostfreiem Stahl oder Messing, ist durch eine Bohrung 48 in dem Anker 26 geführt und in das Ende des mittleren Schenkels 30 geschraubt. Der Bolzen 46 wird so eingestellt, dass der Kopf 44 die Anfwärtsbewegung des Ankers 2; begrenzt und ihn in einer vorbestimmten Stellung hält, *enn das Solenoid abgeschaltet wird.
• Obwohl die angewandte Kraft F auf den iri 18 an irgendeiner Stelle übertragen werden kann, ist es oft rwünscht, eine Einrichtung vorzusehen, durch die die Angriffsstelle der Kraft gesteuert werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine verschiebbare Platte 52 vorgesehen, die einen Ansatz aufweist, der sich durch einen Schlitz erstreckt, der in Längsrichtung des Är-s 18 ausgebildet ist. Ausserdem ist eine spindel 34 vorgesehen, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, um die Platte 32 verstellen zu können. Nach dem Prinzip der Hebelwirkung kann die tatsächliche Kraft, die auf den Kristall wirkt, auf einen Wert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs vermindert werden, indem die Platte auf eine geeignete Stelle längs des Arms 18 verstellt wird.
• Dadurch wird die Kraftmesskapazität des Wandler über den Wert erhöht, der nur durch den Kristall bestimmt wird. Die Beziehung zwischen der Kristallfrequenzänderung # f und der angewandten Kraft F kann ausgdrückt werden durch : a æ 1 . F L In dieser Gleichung ist 1 der Abstand zwischen der Schwenkachse 20 und der Nitte der Platte 52 und L der Abstand zwischen der Schwenkachse 20 und der Angriffsstelle der Kraft an dem Kristall. Diese Art der Einstellung hat don weiteren Vorteil, das ein Kraft angriffspunkt längs des Arms 18 ausgewählt werden kann, wodurch die Beziehung zwischen F in üblichen Einheiten so ausgewählt werden kann, dass sie ein leicht berechenbares Vielfaches der in Hertz gemessenen Frequenzänderung a f ist.
• In Fig. 2 ist ein weiteres Merkmal gezeigt, das aus Sicherheitsgründen in die Vorrichtung einbezogen werden kann. Dieses Merkmal ist eine einfache mechanische Überlasteinrichtung, um zu verhindern, dass der Kristall 12 infolge einer übermässigen Kraft, die auf ihn einwirkt, beschädigt wird. Die Überlasteinrichtung besteht aus der Platte 16, die durch eine Feder 60 gegen die nach innen gerichteten Vorsprünge 56 und 58 des Jochs 28 gedrückt wird. Diese Kraft ist die Grenzkraft, der der Kristall 12 ausgesetzt werden kann.
• Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Kraftmessvorrichtung gemäss der Erfindung. Diese enthält einen Messwertumformer 10, der wie der zuvor beschriebene ausgebildet sein kann und von dem weitere Ausführungsformen im folgenden erläutert werden.
• Wie gezeigt ist, ist eine Seite des Kristalls 12 über die Leitung 11 geerdet und die andere ist mit einer Leitung 13 mit einem Oszillator 70 verbunden. Wegen des möglichen Fehlers aufgrund der Kapazität der Leitung 13 ist es im allgemeinen erforderlich, dass der Oszillator 70 so nahe wie möglich an dem Kristall 12 angeordnet wird. Der Oszillator 70 kann irgendeinen gewünschten Schaltungsaufbau besitzen, der von dem gewünschten Frequenzbereich und anderen Betriebseigenschaften abhängt. Die Leitung 40 des Solenoid 24 ist geerdet, während die Leitung 41 des. Solenoids 24 mit dem Ausgang einer digitalen Steuereinrichtung 72 verbunden ist> die das Ausgangssignal einer Energiquelle 74 in ein Impulssignal geeigneter Frequenz für das Solenoid 24 umwandelt.
• Da das Solenoid 24 auf diese Weise abwechselnd mit einer Frequenz, die z.B. O,S Hertz betragen kann, rregt wird, wird der kraftübertragende Arm 18 periodisch drart nach unten verstellt, dass die Kraft F periodisch über den Arm 18 auf den Kristall 12 übertragen wird. Dadurch ergibt sich, dass das Ausgangs signal des Oszillators 70 zwischen der natürlichen Frequenz des zusamzengedrückten Kristalls 12 und einer zweiten Frequenz schwankt, die die natürliche Frequenz des nicht zusaxmengedrückten Kristalls 12 ist. Die Frequenzänderung ist der Kraft F proportional, die auf den Messwertumformer 10 einwirkt. Als Beispiel der Wirkung, die die Kraft F auf das Ausgangssignal des Oszillators hat, wurde festgestellt, dass ein 6,3 Megahertz-Grundschwingungsart-AT-Quarzresonator, der normalerweise in Kristalloszillatoren verwendeten Art eine lineare Frequenzänderung mit einer Empfindlichkeit von 286 Hertz pro 453t59 g zeigt, wenn eine Kompressionskraft längs seiner Kanten und in Richtung der kristallographischen Achse ausgeübt wird.
• Der Ausgang des Oszillators 70 ist mit dem Eingang eines geeigneten digitalen Zählers 76 verbunden, der die Differenz zwischen den Ausgangsfrequenzen des Oszillators 70 misst, wenn der Kristall 12 belastet und unbelastet ist, und diese Differenz als numerische Anzeige der Kraft F wiedergibt. Ausserdem kann ein Ausgangs signal des ZZhlers 76 zu einer zusätzlichen Recheneinrichtung geleitet werden oder au einer entfernten Stelle gemessen werden.
• Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild der gesamten Messvorrichtung. Wie zuvor beschrieben wurde, liefert die Energiequelle 74 eine stabile Ausgangsfrequenz.
• Die Energiequelle ist typischerweise eine Wechselstromquelle mit z.B. 60 Hertz. Das Ausgangs signal der Energiequelle 74 wird zu der digitalen Steuereinrichtung 72 geleitet, die ein Teilernetzwerk 720 aufweist, das die Frequenz des Eingangssignals der Energiequelle 74 in eine Frequenz herunterteilt, die z.B. 0,5 Hertz beträgt. Das 0,5 Hertz-Signal wird dann von dem Leistungstransistors 721 verstärkt und über die Leitung 41 zu den Wicklungen des Solenoide 24 des Messwertumformers 10 geleitet, der dadurch, dass der Arm 18 nach unten verstellt wird, periodisch bewirkt, dass dio unbekannte Kraft F auf den Kristall 12 übertragen wird.
• Wenn der Kristall 12 periodisch beansprucht wird, ändert eich das Ausgangssignal des Oszillators 70 zwischen der natürlichen Frequenz des Kristalls 12 und einer anderen Frequenz, die von der natürlichen Frequenz um einen Betrag verschieden ist, der proportional der Beanspruchung des Kristalls 12 durch die Kraft F ist, die über den Arm 18 übertragen wird. Zum Beispiel kann der Kristall ein 5 Megahertz-AT-Quarzresonator ein und der Ossillator 70 kann zwei Transistoren aufweisen, wobei die verschiedenen Bauteile folgende Werte haben 700 NPN-Transistor 2N918 701 NPN-Transistor 2N1711 702 Kondensator (1300 pF) 703 Kondensator (75 pF) 704 Kondensator (250 pF) 705 Widerstand 4220 X-Ohn) 706 Widerstand 91 K-Ohm) 707 Widerstand (2,7 K-Ohm) 708 Widerstand (8,2 K-Ohm) 709 Widerstand (3,9 K-Ohm) Das Ausgangssignal des Oszillators 70 wird über das logische Gatter 760 des Periodenzählers 76 zu einem binärcodierten Dezimalzähler 761 geleitet, der auf einem Binärzähler 762 arbeitet. Die Anzeigeeinrichtung 763 ist mit dem Dezimalzähler 761 über Gatter 764 bis 767 verbunden. Die logischen Gatter 760, 764 bis 767, die Dezimalanzeigeeinrichtung 763, der Dezimalzähler 761 und der Binärzähler 762 werden wie bei üblichen Rechenanlagen durch die von den Gattern 723 bis 727 der Steuereinrichtung 72, die in der in der Zeichnung gezeigten Weise geschaltet sind, gelieferton Logik g@zteuert.
• Es wird nun anhand der Figuren 4 und 5, wobei A-F der Fig. 4 den Teilen a-f des Zeitdiagra-s der Fig. 5 entspricht, die Arbeitsweise der Messvorrichtung erläutert. Wie bei a in Fig. 5 gezeigt ist, wird zunächst dem Solenoid 24 eine Spannung zugsführt, die die Stütze 27 von dem Arm 18 entfernt und es ermöglicht, dass die unbekannte Kraft F über den Arm 18 auf den Kristall 12 übertragen wird. Daher erzeugt der Oszillator 70 ein Ausgangssignal der Frequenz f1, die um einen Wert grösser ist als die natürliche Frequenz f0 des unbelasteten Kristalls 12, der der Kraft F proportional ist. Während der Zeit, in der die Kraft F auf den Kristall einwirkt, zählen die Zähler 761 und 762 vorwärts. Zu Zeitpunkt t1, der von der Periode des Ausgangssignals der Steuereinrichtung 72 abhängt, wird das Solenoid 24 abgeschaltext, wie a der Fig. 5 zeigt. Dadurch kann die Kraft F nicht mehr auf den Kristall 12 wirken und der Oszillator erzeugt ein Ausgangssignal der Frequenz fO, die die natürliche Frequenz des Kristalls ist. Während dieser Periode, in der die Kraft nicht auf den Kristall wirkt, zählen die Zähler 761 und 762 rückwärts.
• Zum Zeitpunkt t2 wird das Solenoid wieder erregt und die Kraft F kann wider die Ausgangsfrequenz des Oszillators 70 beeinflussen und der Zählvorgang wird wiederholt. Die in der Anzeigeeinrichtung 763 gezeigte Restzahl ist damit der Frequenzänderung #f r f1-f0 zwischen dem belasteten und dem unbelasteten Zustand des Kristalls 12 proportional und ist damit ein direktes Mass der Kraft F, die auf den Messwertumformer einwirkt.
• Selbstverständlich kann zusätzlich zu der Anzeige durch die Anzeigeeinrichtung 763 eine Einrichtung vorgesehen werden, wie durch den Ausgang 768 angegeben ist, mittels der die angegebene, die Kraft F betreffende Information nach Abtastung des Inhalts der Anzeigeeinrichtung 763 unter Anwendung bekannter Techniken digitaler Rechenanlagen zu einer entfernten Stelle übertragen werden.
• Obwohl nur eine bevorzugte Ausführungsform des Messwertumformers 10 im einzelnen beschrieben wurde, der ein Solenoid 24 verwendet, um periodisch die Kraft F auf den Kristall 12 einwirken zu lassen, können auch anstelle des Solenoids andere elektromechanische Einrichtungen verwendet werden. Auch ist es möglich, statt die Kraft F periodisch auf den Kristall 12 einwirken zu lassen, das Solenoid oder eine andere elektromechanische Einrichtung zu verwenden, um periodisch die auf den Kristall 12 einwirkende Kraft zu entfernen oder zu vermindern. Ein derartig Ausführungsform ist in Fig. 6 gezeigt. Sie besitzt einen piezokeramischen oder magnetostriktiven Wandler 80, der sich expandiert und den kraftübertragenden Arm 82 von dem Kristall 12 hebt, wenn das periodische Erregungssignal des Zählers 72 entsprechend den bekannten Prinzipion der piezoelektrischen und magnetostriktiven Einrichtungen zur Anwendung von Kräften zugeführt wird. Eine Feder 84 ist an der Platte 85 befestigt und bewirkt, das der Arm 82 um die Spitze 86 schwenkt, wenn der Wandler 80 erregt wird.
• Eine weitere mögliche Einrichtung, die anstelle des Solenoid 25 verwendet werden kann, ist der piezoelektrische Zweielementenkristallwandler. Bei dieser Einrichtung bewirkt eine an die piezokeramische Schicht angelegte Spannung, das ich die Schicht verbiegt und dadurch die elektrische Energie in mechanische umwandelt0 Eine weitere Ausführungsform der Erfindung weist eine permanent. zeismische Prüfmasse auf, die so angeordnet ist, dass sie eine Kraft auf den Messwertumformer der Fig. 1 ausübt, um ein Beschleunigungsmesser zu bilden.
• Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, dass die auf diese Weise erhaltenen und durch eine der in Fig. 4 und 3 gezeigten Einrichtungen verarbeiteten numerischen Daten leicht durch eine bekannte digitale logische Einrichtung numerisch integriert werden können, um die zurückgelegte Strecke des Messwertumformers zu messen.
• Eine weitere Ausführungsferm verwendet Druckdosen mit flexiblen Membranen od.dgl. in der Wandung eines Druckkessels, um eine dem Strömungsmitteldruck proportionale Kraft auf den Umformer zu übertragen und dadurch eine entfernte numerische Anzeige des Strömungsmitteldrucke zu ermöglichen. Eine derartige Ausführungsform könnte als Höhenmesser oder als Strömungsmitteltiefenmesser verwendet werden.
• Es ist auch möglich, anstelle eines Kompressionskräften unterworfenen Quarzkristalls einen Umformer zu verwenden, bei dem der Kristall Dehnungskräften unterworfen ist.
• Bei dem anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein Solenoid verwendet, bei dessen Erregung ein bestimmter Anteil der zu messenden Kraft auf den Kristall übertragen wird. Die Erregung des Solenoids kann aber auch bewirken, dass nur ein bestimmter Anteil der zu messenden Kraft von dem Kristall entfernt wird, wodurch eine der vorher beschriebenen ähnliche Arbeitsweise hervorgerufen wird.
• Eine weitere Abwandlung ergibt sich dadurch, dass der Hebelarm 18 der Fig. 1 verlängert wird und das Werhältnis 1/L grösser als 1 wird, wodurch eine genaue Messung sehr kleiner Kräfte ermöglicht wird.
• Eine weitere Ausführungsform ergibt hich bei Verwendung eines Querzkristalls, der in einer seiner Obertonschwingungsart in Resonanz ist, z.B. in der dritten Harmonischen. Es wurde festgestellt, dass der Umformer dann eine erheblich grössere Fr-quenz/Kraft-Exptindlichkeit aufweist.
• Anstelle von Quarz als Oszillatormaterial können auch bekannte Materialien wie das Rochelle-Salz, Turmalin und andere piezoelektrische Materialien verwendet werden, um in ähnlicher Weise zu schwingen.
• Bei bestimmten praktischen-Anwendungsfällen kann es erwünscht sein, ein Plättchen eines Hartlötmaterials oder eines Edelmetalls vorzusehen, das auf die Eristalloberfläche in einem kleinen Bereich versprüht wird, in de-die Kraft angreift. Dadurch wird die Last verteilt und die Beanspruchung vermindert, die in dem Kristall um die Kraftangriffsstelle auftreten könnte. Plättchen aus Epoxyharz, die an dem Kristall in den Kraftangriffsbereichen befestigt werden, können als Alternative zu versprühten Metall- oder Hartlötmaterialien verwendet werden.
• Bei einer weiteren Ausführungsform ist nur der Quarzkristall oder der gesamte Umformer der Fig. 1 und 2 in einem Vakuumgehäuse angeordnet, das eine Membran an einem Ende aufweist, um die Kraft messen zu können, die auf den Kristall übertrqen wird. Dadurch kann der Q-Wert des Kristalls wesentlich höher sein als sonst, wodurch die Genauigkeit der Messvorrichtung aus in der Quarzkri stallo szillatortechnologie bekannten Gründen verbessert wird.
• Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit wird dadurch erreicht, dass die Kristalltemperatur thermostatisch gesteuert wird. Dies kann durch eine gesonderte T-tperatursteuereinrichtung bewirkt werden, die an den Kristall angebracht wird, oder durch thermostatische Steurung der Durchschnittssolenoidtemperatur, indem ein Temperaturfühler verwendet wird, um in geeigneter Weise die an die Selenoidspule gelegte Spannung einzustellen.
• Um die mechanische Einschwingzeit zu vermindern, die auf die Einwirkung der Kraft auf den Umformer und auf die Entfernung der Kraft von diesem folgt, kann die zu messende Kraft auf den Umformer über ein Dämpfungsmaterial angewandt eder statt dessen können die Usformerbauteile eingebaute Dämpfungselemente aufweisen.
• Die vorherigen Ausführungsformen der Erfindung liefern ein digitales Signal und eine numerische Anzeige, so dass der Wert eines Gewicht oder einer Kraft genau gemessen werden kann. Die angewandte Kraft kann über einen grossen Bereich von möglichen Werten einen festen Wert aufweisen oder kann sich mit der Zeit ändern.
• Die Vorrichtung erzeugt auch ein Impulsfrequenz - bzw.
• Frequenzdifferenzausgangssignal, das unabhängig von externen Schaltkreisbedingten Ungenauigkeiten übertragen werden kann; daher wird eine hohe Linearität und Genauigkeit erreicht.

Claims (14)

Patentansprüche

1. Kraftmessvorrichtung mit einem Messwertumformer, der einen ersten elektromechanischen Wandler zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrisch. Energie aufweist, der aus eine piezoelektrischen Kristall besteht, dessen Resonanzfrequenz sich als Funktion einer zu messenden Kraft ändert, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übertragungseinrichtung (18,52,54) an dem ersten Wandler (12) angreift, um die zu messende Kraft auf diesen zu übertragen, dass ein zweiter elektromechanischer Wandler elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, und dass der zweite Wandler mit der Übertragungseinrichtung gekoppelt ist, um auf diese eine Kraft entgegengesetzt zu der zu messenden Kraft zu übertragen und periodisch die Grösse der auf den ersten Wandler einwirkenden Kraft zu vermindern, um die Resonanzfrequenz des Kristalls des ersten Wandlers zwischen einer Bezugsfrequenz und einer Frequenz n ändern, die von der Einwirkunfl der zu messenden Kraft auf den Kristall abhängt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wandler ein Solenoid (24) ist, dessen Anker (26) geeignet ist, eine Kraft auf die Übertragungseinrichtung (18,52,54) zu übertragen, u die zu messende Kraft, die auf den Kristall einwirkt, auf einen vorbestimmten Wert zu vermindern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen an den ersten Wandler (12) angeschlessenen Oszillator (70), der von dem ersten Wandler gesteuert wird und dessen Ausgangsfrequenz sich als Funktion der auf den Kristall des ersten Wandlers wirkenden Kraft ändert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wandler ein piezokeramischer Wandler ist, der, wenn er elektrisch erregt wird, eine Kraft auf die Übertragungseinrichtung ausübt, um die zu messende Kraft, die auf den Kristall des ersten Wandlers wirkt, auf einen vorbestimmten Wert zu vermindern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wandler ein magnetostriktiver Wandler (80) ist, der, wenn er elektrisch erregt wird, eine Kraft auf die Übertragungseinrichtung ausübt, um die zu messende Kraft, die auf den Kristall des ersten Wandlers wirkt, auf einen vorbestimmten Wert zu vermindern.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Kristall ein Quarz, ein Rechelle-Salz oder ein Turmalin ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen periodischen Zähler (76) der an den Ausgang des Onzillat-rs (70) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine digitale Steuereinrichtung (72), die den zweiten Wandler und den Zähler (76) steuert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler (76) eine Vergleichseinrichtung aufweist, die ein Ausgangssignal erzeugte das die Differenz zwischen der Bezugsfrequenz und der Frequenz des ersten Wandlers angibt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung aus einem Tragarm (18) besteht, dessen eines Ende schwenkbar befestigt ist und dessen anderes Ende an dem ersten Wandler angreift.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Platte (52), an der die zu messende Kraft angreift und einen Schlitz, in den die Platte (52) mit einem Ansatz eingreift.

12. Verrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichn-tt dass die Platte (52) mittels einer Spindel (54), die durch den Ansatz verläuft, in dem Schlitz des Arms (18) verstellbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch eine an dem Anker (26) des Solenoids befestigte Stütze (27), die an dem Arm (18) der Übertragungseinrichtung angreift.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wandler zwischein der Übertragungseinrichtung und einer Platte (16) gehalten wird, und dass auf die Platte (16) eine Feder (60) entgegen der an der ersten Wandler angreifenden Kraft einwirkt, wobei die Feder (60) die maximale messbare Kraft bestimmt.