DE2046918C3 - KraftmeBanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßanordnung, die einen mechanisch-elektrischen Wandler aufweist, der aus einem piezoelektrischen Kristall besteht, dessen Resonanzfrequenz sich als Funktion der zu messenden Kraft ändert, die ferner eine Übertragungseinrichtung aufweist, die die zu messende Kraft auf den piezoelektrischen Kristall überträgt, und die Einrichtungen aufweist, um die Differenz der Frequenz bei Krafteinwirkung und ohne Krafteinwirkung zu messen.

Bekannte Kraftmeßanordnungen erzeugen ein Ausgangssignal in Form einer Gleichspannung bzw. eines Gleichstromes oder einer Spannung bzw. eines Stroms mit fester Frequenz, deren Amplitude der zu messenden Kraft proportional ist. Im allgemeinen weisen die bekannten Anordnungen Wandler auf, die von den elektromechanischen Eigenschaften piezoelektrischer oder magnetostriktlve Materialien Gebrauch machen. Die Art des Ausgangssignals dieser Anordnungen führt zu Meßfehlern infolge der Eigenschaften der übrigen Elemente dieser Anordnungen. Ein typisches Beispiel sind Anzeigefehler infolge elektrischer Übertragungsverluste auf den Übertragungswegen des Ausgangssignals.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wurden andere Wandler verwendet, bei denen Änderungen eines besonderen Parameters eines elektrischen Kreises auftreten. Solche Anordnungen weisen Wandler auf, deren Widerstand, Induktivität oder Kapazität durch die

■jo zu messende Kraft geändert wird. Diese Anordnungen erfordern jedoch besondere zusätzliche Kreise und Bauteile, die das Ausgangssignal in einer für moderne Übertragungssysteme geeigneten Form liefern. Solche zusätzlichen Kreise und Bauteile führen wiederum zu bestimmten Ungenauigkeiten zwischen den gemessenen Kräften und den übertragenen Daten.

Zur Beseitigung der zuvor erwähnten Probleme wird bei einem aus der US-PS 30 33 043 bekannten digitalen Beschleunigungsmesser einer festen Frequenz eine in

bo Abhängigkeit von einer Trägheitskraft veränderbare Frequenz überlagert. Es entsteht eine Seitenbandfrequenz, die der zu messenden Kraft proportional ist

Bei einer aus der GB-PS 10 31972 bekannten Kraftmeßanordnung wird ein aus magnetisierbarem , oder magnetostriktivem Material bestehenden Element mittels einer an einen Oszillator gekoppelten Spule zu Resonanz erregt. Anstelle der Spule kann auch ein piezoelektrischer Kristall zur Anfachung der Schwin-

gungen benutzt werden. Die Resonanzfrequenz des Elements ändert sich abhängig von der auf das Element einwirkenden Kraft Die Größe der Kraft kann ermittelt werden, indem mittels eines Frequenzmessers die Resonanzfrequenz des Elements sowohl im unbelasteten als auch im belasteten Zustand gemessen und die Differenzfrequenz gebildet wird. Die Differenzfrequenz ist der auf das Element einwirkenden Kraft proportional.

Schließlich ist es aus der DE-AS 12 03 015 bekannt, to die einer zu messenden Kraft proportionale Auslenkung eines Federstabs dadurch zu messen, daß die Verstimmung eines Resonanzkreises ermittelt wird, dessen Spule im Abstand von einem ortsfesten Metallstab an dem Federstab befestigt ist Der Resonanzkreis bildet das frequenzbestimmende Element eines Oszillators, dessen Schwingungen während festgelegter Zählperioden gewählt werden. Die gezählte Schwingungszahl ist proportional zur Ausgangsfrequenz des Oszillators. Die an dem Federstab angreifende Kraft ist ihrerseits proportional zur Differenz zwischen den Ausgangsfrequenzen des Oszillators im belasteten und unbelasteten Zustand des Federstabs. Zur Ermittlung der Differenz kann ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler benutzt werden.

Bei sämtlichen vorstehend erläuterten Kraftmeßeinrichtungen ist jedoch die Frequenzkonstanz der benutzten Oszillatoren und sonstigen zur Ermittlung der Frequenzdifferenz benutzten Einrichtungen nur ungenügend. Aufgrund von Temperaturschwankungen und dergleichen können Frequenzdriftfehler auftreten, die zu Meßfehlern führen. Derartige Meßfehler treten insbesondere dann auf, wenn Kräfte Ober längere Zeit, beispielsweise über mehrere Stunden hinweg, kontinuierlich gemessen werden sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg zu zeigen, wie bei einer Kraftmeßanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bezeichneten Art auch bei zeitlich lang andauernden Messungen Nullpunktdriftfehler, wie sie insbesondere durch temperaturabhängige Frequenzverschiebungen entstehen, ausgeglichen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein elektrisch-mechanischer Wandler vorhanden ist, daß der elektrisch-mechanische Wandler einschließlich Steuerung derart ausgebildet und mit der Übertragungseinrichtung gekoppelt ist, daß auf die Übertragungseinrichtung eine Kraft entgegengesetzt zu der zu messenden Kraft übertragen wird und periodisch die auf den Kristall einwirkende Kraft aufgehoben wird.

Im Gegensatz zu den bekannten Kraftmeßanordnungen wird periodisch abwechselnd die Resonanzfrequenz des durch die zu messende Kraft belasteten und des unbelasteten Kristalls gemessen. Damit kann auch bei länger dauernden Kraftmessungen der Nullpunkt sukzessive korrigiert, und es können Frequenzdriftfehler ausgeglichen werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt ω

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Meßwertumformer der Kraftmeßvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 eine Seitenansicht des Umformers der F i g. 1,

Fig.3 ein Blockschaltbild einer Kraftmeßvorrich- b5 tung,

F i g. 4 ein detailliertes Schaltbild der Vorrichtung der Fig. 3,

F i g. 5 ein vereinfachtes Zeitdiagramm, aus dem die Arbeitsweise der Vorrichtung der Fig.4 hervorgeht, und

F i g. 6 einen Längsschnitt eines Meßwertumformers in einer weiteren Ausführungsform.

In den F i g. 1 und 2 der Zeichnungen ist ein Meßwertumformer 10 einer Kraftmeßvorrichtung mit einem Quarzkristall 12, der Leitungen 11 und 13 aufweist und in einer Ausnehmung 14 in der Oberfläche einer Halteplatte 16 angeordnet 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 Tragarm 18 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 Umformer 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 Arms 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 nichitmagnetischem 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 Aufwärtsbewegung des Ankers 26 begrenzt und ihn in einer vorbestimmten Stellung hält wenn das Solenoid abgeschaltet wird.

Obwohl die angewandte Kraft F auf den Arm 18 an irgendeiner Stelle übertragen werden kann, ist es oft erwünscht, 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 Arms 18 ausgebildet ist. Außerdem ist eine Spindel 54 vorgesehen, wie in F i g. 1 und 2 gezeigt ist, um die Platte 52 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 Wandlers über den Wert erhöht der nur durch den Kristall bestimmt wird. Die Beziehung zwischen der Kristallfrequenzänderung Af und der angewandten Kraft F kann ausgedrückt werden durch:

In dieser Gleichung ist L 1 der Abstand zwischen der Schwenkachse 20 und der Mitte der Platte 52 und L 2 der Abstand zwischen der Schwenkachse 20 und der Angriffsstelle der Kraft an dem Kristall. C ist eine Proportionalitätskonstante. Diese Art der Einstellung

hat den weiteren Vorteil, daß ein Kraftangriffspunkt 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 Frequenzänderung4/ist.

In F i g. 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, to 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 gedruckt wird. Diese Kraft ist die Grenzkraft, der der Kristall 12 ausgesetzt werden kann.

F i g. 3 zeigt ein Blockschaltbild einem Ausführungsbeispiel der Kraftmeßvorrichtung. 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 ^;st es im allgemeinen erforderlich, daß der Oszillator 70 so nahe wie möglich an dem Kristall 12 angeordnet wird. Der Oszillator 70 kann irgendeinen gewünschten Schaltungsaufbaii besitzen, der von dem gewünschten Frequenzbereich und anderen Betriebseigenschaften abhängt. Die Leitung 40 des Solenoids 24 ist geerdet, während die Leitung 41 des Solenoids 24 mit dem Ausgang einer digitalen Steuereinrichtung 72 verbunden ist, die das Ausgangssignal einer Energiequelle 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. 0,5 Hertz betragen kann, erregt wird, wird der kraftübertragende Arm 18 periodisch derart nach unten verstellt, daß die Kraft F periodisch über den Arm 18 auf den Kristall 12 übertragen wird. Dadurch ergibt sich, daß das Ausgangssignal des Oszillators 70 zwischen der natürlichen Frequenz des zusammengedrückten Kristalls 12 und einer zweiten Frequenz schwankt, die die natürliche Frequenz des nicht zusammengedrückten 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-Megahcrtz-Gründschvvirigüngsärt-AT-Qüarzresöriäior, der normalerweise in Kristalloszillatoren verwendeten Art eine lineare Frequenzänderung mit einer Empfindlichkeit von 286 Hertz pro 453,59 ρ 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 Ausgangssignal des Zählers 76 zu einer zusätzlichen Recheneinrichtung geleitet werden oder an einer entfernten Stelle gemessen werden.

F ig. 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 Ausgangssignal der Energiequelle 74 wird zu der digitalen Steuereinrichtung 72 geleitet die ein Teilernetzwerk 720 aufweist, das die Frequenz des Eingangs signals der Energiequelle 74 in eine Frequenz herunterteilt, die z. B. 0,5 Hertz beträgt Das 0,5-Hertz-Signal wird dann von dem Leistungstransistor 721 verstärkt und über die Leitung 41 zu den Wicklungen des Solenoids 24 des Meßwertumformers 10 geleitet, der dadurch, daß der Arm 18 nach unten verstellt wird, periodisch bewirkt daß die unbekannte Kraft Fauf den Kristall 12 übertragen wird.

Wenn der Kristall 12 periodisch beansprucht wird, ändert sich das Ausgangssignai 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 sein und der Oszillator 70 kann zwei Transistoren aufweisen, wobei die verschiedenen Bauteile folgende Werte haben:

700 701 702 703 704 705 706 707 708 709

NPN-Transistor2N918
NPN-Transistor2N1711
Kondensator(1300 pF)
Kondensator (75 pF)
Kondensator (250 pF)
Widerstand (220 K-Ohm)
Widerstand (1 K-Ohm)
Widerstand (2,7 K-Ohm)
Widerstand (8,2 K-Ohm)
Widerstand (33 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, gelieferten Logik gesteuert

Es wird nun anhand der F i g. 4 und 5, wobei A—Fder Fig.4 den Teilen a—/des Zeitdiagramms der Fig.5 entspricht die Arbeitsweise der Meßvorrichtung erläu-

ic UCi a 111 1 ig j gc£cig£i

IClU Tr ic g gg

Solenoid 24 eine Spannung zugeführt, die die Stütze 27 von dem Arm 18 entfernt und es ermöglicht daß die unbekannte Kraft Füber den Arm 18 auf den Kristall 12 übertragen wird. Daher erzeugt der Oszillator 70 ein Ausgangssignal der Frequenz ^, die um einen Wert größer ist als die natürliche Frequenz k 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. Zum Zeitpunkt ii, der von der Periode des Ausgangssignals der Steuereinrichtung 72 abhängt wird das Solenoid 24 abgeschaltet, wie 2 der Fi g. 5 zeigt Dadurch kann die Kraft F nicht mehr auf den Kristall 12 wirken und der Oszillator erzeugt ein Ausgangssignai der Frequenz k, 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 fe wird das Solenoid wieder erregt und die Kraft F kann wieder die Ausgangsfrequenz des Oszillators 70 beeinflussen und der Zählvorgang wird wiederholt. Die in der Anzeigeeinrichtung 763 gezeigte Restzahl ist damit der Frequenzänderung Af=f\-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 Ausfüljrungsform 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 /-"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. Eine derartige Ausführungsform ist in F i g. 6 gezeigt Sie besitzt einen piezokeramischen oder magnetostriktiven Wandler 80, der sich expandiert und )o den kraftübertragenden Arm 82 von dem Kristall 12 hebt, wenn das periodische Erregungssignal des Zählers 72 entsprechend den bekannten Prinzipien der piezoelektrischen und magnetostriktiven Einrichtungen zur Anwendung von Kräften zugeführt wird. Eine Feder 84 J5 ist an der Platte 85 befestigt und bewirkt, daß der Arm 82 um die Spitze 86 schwenkt, wenn der Wandler 80 erregt wird.

Eine weitere mögliche Einrichtung, die anstelle des Solenoids 25 verwendet werden kann, ist der piezoelektrische Zweielementenkristallwandler. Bei dieser Einrichtung bewirkt eine an die piezokeramische Schicht angelegte Spannung, daß sich die Schicht verbiegt und dadurch die elektrische Energie in mechanische umwandelt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel weist eine permanente seismische Prüfmasse auf, die so angeordnet ist, daß sie eine Kraft auf den Meßwertumformer der F i g. 1 ausübt, um ein Beschleunigungsmesser zu bilden.

Eine weitere Ausführungsform 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 Strömungsmitteldrucks 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 ω unterworfen ist

Bei dem anhand der Fig. 1 bis 5 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 F i g. 1 verlängert wird und das Verhältnis LML2 größer als 1 wird, wodurch eine genaue Messung sehr kleiner Kräfte ermöglicht wird.

Eine weitere Ausführungsform ergibt sich bei Verwendung eines Quarzkristalls, der in einer seiner Obertonschwingungsart in Resonanz ist, z. B. in der dritten Harmonischen. Es wurde festgestellt, daß der Umformer dann eine erheblich größere Frequenz/ Kraft-Empfindlichkeit 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 Kristalloberfläche in einem kleinen Bereich versprüht wird, in dem 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 F i g. 1 und 2 in einem Vakuumgehäuse angeordnet, das eine Membran an einem Ende aufweist, um die Kraft messen zu können, die auf den Kristall übertragen wird. Dadurch kann der Q-Wert des Kristalls wesentlich höher sein als sonst, wodurch die Genauigkeit der Meßvorrichtung aus in der Quarzkristalloszillatortechnologie bekannten Gründen verbessert wird.

Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit wird dadurch erreicht, daß die Kristalltemperatur thermostatisch gesteuert wird. Dies kann durch eine gesonderte Temperatursteuereinrichtung bewirkt werden, die an den Kristall angebracht wird, oder durch thermostatische Steuerung der Durchschnittssolenoidtemperatur, indem ein Temperaturfühler verwendet wird, um in geeigneter Weise die an die Solenoidspule 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 oder statt dessen können die Umformerbauteile eingebaute Dämpfungselemente aufweisen.

Die vorherigen Ausführungsbeispiele liefern ein digitales Signal und eine numerische Anzeige, so daß der Wert eines Gewichts oder einer Kraft genau gemessen werden kann. Die angewandte Kraft kann über einen großen Bereich von möglichen Werten einen festen Wert aufweisen oder kann »ich mit der Zeit ändern.

Die Vorrichtung erzeugt auch ein Impulsfrequenzbzw. Frequenzdifferenzausgangssignal, das unabhängig von externen schaltkreisbedingten Ungenauigkeiten übertragen werden kann; daher wird eine hohe Linearität und Genauigkeit erreicht

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Kraftmeßanordnung, die einen mechanischelektrischen Wandler aufweist, der aus einem piezoelektrischen Kristall besteht, dessen Resonanzfrequenz sich als Funktion der zu messenden Kraft ändert, die ferner eine Übertragungseinrichtung aufweist, die die zu messende Kraft auf den piezoelektrischen Kristall überträgt, und die Einrichtungen aufweist, um die Differenz der Frequenz bei Krafteinwirkung und ohne Krafteinwirkung zu messen, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch-mechanischer Wandler (24; 26; 80) vorhanden ist, daß der elektrisch-mechanische Wandler (24; 26; 80) einschließlich Steuerung (72, 74, 4 i) derart ausgebildet und mit der Übertragungseinrichtung (18, 22, 52) gekoppelt ist, daß auf die Übertragungseinrichtung (18, 22, 52) eine Kraft entgegengesetzt zu der zu messenden Kraft übertragen wird und periodisch die auf den Kristall (12) einwirkende Kraft aufgehoben wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch-mechanische Wandler ein Solenoid (24) ist, dessen Anker (26) geeignet ist, eine Kraft auf die Übertragungseinrichtung (18, 52, 54) zu übertragen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (12) Bestandteil des frequenzbestimmenden Kreises eines Oszillators (70) ist und abhängig von der auf ihn wirkenden Kraft die Ausgangsfrequenz des Oszillators (70) ändert

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch-mechanische Wandler ein piezokeramischer Wandler ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch-mechanische Wandler ein magnetostriktiver Wandler (80) ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall ein Quarz, ein Rochelle-Salz oder ein Turmalin ist.

7. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen periodischen Zähler (76), der an den Ausgang des Oszillators (70) angeschlossen ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler als Vorwärts-Rückwärts-Zähler (761, 762) ausgebildet ist, und daß die Steuerung (72) den Vorwärts-Rückwärts-Zähler (761, 762) bei erregtem elektrisch-mechanischen Wandler (24, 26; 80) in der einen Zählrichtung und bei aberregtem elektrisch-mechanischen Wandler (24, 26; 80) in der anderen Zählrichtung zum Zählen einschaltet.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (76) eine Vergleichseinrichtung aufweist, die ein Ausgangssignal erzeugt, das die Differenz zwischen der Bezugsfrequenz bei unbelastetem Kristall (12) und der Frequenz bei belastetem Kristall (12) angibt.

10. Anordnung 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 Kristall (12) angreift, und daß eine an dem Anker (26) des Solenoids befestigte Stütze (27) vorhanden ist, die an dem Arm (18) der Übertragungseinrichtung angreift.

11. Anordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Platte (52), an der die zu messende Kraft angreift, und einen Schütz in Längsrichtung des Tragarms (18), in den die Platte (52) mit einem Ansatz eingreift

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß die Platte (52) mittels einer Spindel (54) die durch den Ansatz verläuft, in dem Schlitz des Arms (18) verstellbar ist

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (12) zwischen der Übertragungseinrichtung (52, 18, 22) und einer Platte (16) gehalten wird, daß auf die Platte (16) eine Feder (60) entgegen der an dem Kristall (12) angreifenden Kraft einwirkt, und daß die Feder (60) die maximale meßbare Kraft bestimmt