DE2055794C - Kraftmeßzelle - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eint Kraftmeßzelle bestehend aus einem Kreisel mit in waagerechter Lage stabilisierter Symmetrieachse, dessen durch die digital zu bestimmende Kraft hervorgerufene Präzessionsbewegung ein Maß dieser Kraft ist.

Kreisel mit in waagerechter Lage stabilisierter Symmetrieachse sind bereits hinlänglich bekannt (G r a m m e 1, Bd. I und Bd. II)

Es ist ein Gyroskopischer Druckmesser (deutsche Patentschrift 400982) bekannt, bei dem die analoge Anzeige des zu messenden Druckes durch einen Hebei erfolgt, der über elektrische Kontakte gleitet und mit Hilfe von Magneten in eine der Größe des zu messenden Druckes entsprechende Lage gebracht · wird. Vorrichtungen zur Krafteinleitung sind bei diesem Druckmesser nicht bekannt. 4»

Ferner ist ein Maßgerät zur Kraftumwandlung (deutsche Auslegeschrift I 230594) bekannt, bei dem mindestens drei, vorzugsweise vier Rotoren zur Kraftmessung benötigt werden, die an einer über eine Zahnradkombination angetriebene Welle vorgenommen wird. Über die Einleitung der Kraft ist bei diesem Meßgerät nichts bekannt.

Schließlich ist ein Druckmesser (britische Patentschrift 498112) bekannt, bei dem der Druck über einen Hebel eingeleitet wird, dessen eines Ende am Kopf des Rahmens und das andere Ende auf einer sich auf der Kreiselrotorwelle abstützenden Stange gelagert ist, so daß die Bewegungen dieser durch ein Zahnradgetriebe angetriebenen Welle auf den Hebel übertragen werden können, wodurch das Meßcrgebnis unerwünscht beeinflußt werden kann. Der Zeiger für die analoge Anzeige und der Drehzahlmesser für die digitale Anzeige werden durch eiii umfangreiches mechanisches Antriebsaggregat, welches am Kopf des Kreiselrahmens angreift, betätigt. Die Genauigkeit der Druckmessung dieser Anordnung hängt also wesentlich von der Präzision und der Gleichmäßigkeit der Bewegung dieses Antriebsaggregats ab.

Die bekannten Anordnungen zeigen zur Krafteinleitung lediglich Vorrichtungen, die mit Nachteilen für das Meßergebnis behaftet sind. Die Erfassung bzw. Anzeige der durch die zu messende Kraft hervorgerufene Präzessionsbewegung erfolgt bei den be-

kannten Anordnungen über mehr oder minder umfangreiche mechanische Antrfebsvorrichtungen, die durch die Prstzessionsbewegung angetrieben werden müssen, der sie dabei wesentliche Energie entziehen. Dies verfälscht jedoch das Meßergebnis in unerwünschter Weise,

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden und eine Kraftmeßzelle zur Verfugung zu stellen, die bei der Erfassung bzw. Anzeige der zu messenden Kraft der durch diese hervorgerufenen Präzessionsbewegung keine Energie entzieht und zur Krafteinleitung eine vorteilhaft einfache Vorrichtung aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Kraftmeßzelle der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Krafteinleitung eine um die Vertikalachse drehbar gelagerte Aufhängung an einem mit seinem einen Ende am inneren und mit seinem andeien Ende am äußeren Kreiselrahmen beweglich gelagerten Hebel und zur Erfassung des durch die Krafteinleitung hervorgerufenen Moments eine die Präzessionsbewegung mitmachende Impulsscheibe vorgesehen sind.

Auf Grund der Impulsscheibe, die direkt an einem die Präzessionsbewegung des Kreisels mitmachenden Teil, z. B. an einem der beiden Rahmen oder vorzugsweise auf der PräzessionsweHe angebracht ist, zeichnet sich die erfindungsgemäße Kraftmeßzelle besonders dadurch aus, daß sie — ohne dem Meßobjekt Meßenergie zu entziehen und bedarfsweise mit minimaler Verstärkung — digitale Anzeigewerte zur Verfügung stellt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ihr Anzeigebereich stark vergrößert werden kann, indem dieser bei einer einzigen Kraftbestimmung mehrmals durchlaufen wird. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, durch einfache Variation der für eine Kraftbestimmung angesetzten Zeit die Größe des durch eine bestimmte Kraft hervorgerufenen Ausschlages fast beliebig zu ändern. Auch die leichte Verschiebungsmöglichkeit der Kraftangriffspunktes der zu messenden Kraft zwecks Änderung ihres Abstandes vom Schwerpunkt des Kreisels und die damit verbundene Änderungsmöglichkeit des durch die Kraft hervorgerufenen Drehmomentes stellt einen weiteren Vorteil dar. Darüber hinaus benötigt die erfindungsgemäße Kraftmeßzelle keinen bei jeder Messung, an einem vorbestimmten Ausgangspunkt zu justierenden Nullpunkt, so daß bei ihr alle mit dem Nullpunkt zusammenhängenden Fehler vermieden sind. Durch die Lagerung des Hebels erfolgt die Krafteinleitung stets gleich und ohne unerwünschte Beeinflussung des Meßergebnisses.

Diese Eigenschaften machen die erfindungsgemäße Kraftmeßzelle besonders für wägetechnische Anwendungen geeignet, auf die bei dei an Hand der in den Zeichnungen aufgezeigten Ausführungsbeispielen besonders Bezug genommen wird.

An Hand der Fig. 1 wird das Prinzip der erfindungsgemäßen Kraftmessung aufgezeigt. Fig. 1 zeigt schematisch in Perspektive einen kardanisch aufgehängten Kreisel, der auf der Grundplatte 1 aufgebaut ist. Die Welle 2 ist in einem Ansatz 3, z. B. mittels Kugellager, um die Vertikalachse drehb?r gelagert. Die Welle 2 trägt den äußeren Rahmen 4, in welchem mittels der Lager 515 der innere Rahmen 6 um die durch diese Lager bestimmte Horizontalachse drehbar gelagert ist. Im Rahmen 6 ist mittels der Lager 8/8 die Welle 7 der Schwungmasse 9 gelagert, in der

auch der Antrieb untergebracht ist. Der Antrieb des Kreiselrotors kann in bekannter Weise z.B. durch einen batteriegespeisten Motor· erfolgen, der zusammen mit seinen Speisebatterien, seiner elektronischen Drehzahlregelung und Drehzahlkonstanthaltung einen Teil der Schwungmasse bildet. Die Achse der Welle 7 ist die Symmetrieachse oder die Figurenachse des Kreisels, sie steht auf der Achse der Lager 5/5 und auf der Vertikalachse senkrecht. Mit G

mittelbar z. B. über einen weiteren Hebel angrc>^ft· Durch diese Anordnung wird erreicht, daß an Stelle der zu wägenden Last die Gehänge die Präzessionsbewegung des Kreisels mitmachen, von denen eines 5 belastet ist. Die Größe der am rotierenden Kreisel direkt angreifenden Kraft wird in diesem Falle durch das Über- oder Untersetzungsverhältnis des Hebels

bestimmt. , .

stellen ein Ausführungsbci-

Die Fig.2,3 und 4

ist die außerhalb des Kreiselschwcrpunktes angrei- io spiel dar, bei dem die zu wägende Last mittelbar am

fende Kraft, bzw. die zu wägende Last, bezeichnet. rotierenden Kreisel angreift. Die F i g. 2 zeig! die

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Die Erfassung und/oder Anzeige der durch die zu messende Kraft hervorgerufene Präzessionsbewegung erfolgt dadurch, daß man den Rahmen 6 oder die

Draufsicht und die Fig.4 den oberen Teil dieser in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung in vergrößertem MaLS-

— ..„ „.„ stab. Die Fig.3 gibt eine Seitenansicht der Fig.2

Welle 2 mit einer an sich bekannten Impulsscheibe 15 wieder. Zwecks leichterem Verständnis sind bei dieycrsieht, deren Abtastorgane (z. B. Hallsonden oder sen Figuren die nicht um eine Achse rotierbaren -Fotozellen) die die Präzessionsbewegung mitma- Teile waagerecht schraffiert. Die um die vertikale chende Impulsscheibe abtasten und Abtastimpulse Achse drehbaren Teile sind senkrecht schraffiert, einem Impulszähler zuführen. Dieser Impulszähler Teile, die sowohl um die Vertikalachse als auch um wird mittels eines Zeitgeber (z. B. Stopp- oder 20 eine horizontale Achse drehbar sind, haben eine von Quarzuhr, Impulsgeber od. dgl.) gestartet und nach rechts nach links verlaufende Schraffur, während einer vorbestimmten Zeit gestoppt. Die vom Impuls- Teile, die außer um diese beiden Achsen auch noch zähler in der vorbestimmten Zeit ermittelte Impuls- um die durch die Motorwelle bestimmte zweite honzahl entspricht der Größe der die Präzessionsbewe- zontale Achse rotierbar sind, eine von links nach gung verursachenden Kraft. Die Impulszahl kann di- 25 rechts verlaufende Schraffur aufweisen,
rekt oder in entsprechende Gewichtswerte umgewan- Aut der Grundplatte 10 ist das Gestell II bcfe-

clelt mittels Anzeigeröhren angezeigt oder an Re- stigt, das oben mit der Platte 12 und unten mit der chenanlagen oder Druckwerke weitergeleitet werden. Platte 12 u abgeschlossen ist. Der rotaiionssymmeiri-Je größer bei vorgegebenem Drehimpuls des sehe Teil 16 trägt die Kugellager 13 und 13«, in die Kreisels das einwirkende Drehmoment der zu mes- 30 die in der Platte 12 bzw. 12 λ befestigten Wellensenden Kraft ist, um so größer ist die Präzessionsge- stumpfe 14 bzw. 14 α eingreifen. Die Teile 13 und s< hwindigkeit, die daher leicht durch Änderung des 13 a und die Teile 14 und U α bestimmen die Verti-Abssandes des Angriffspunktes der zu messenden kalachse des Kreisels. Der rotationssymmetnscne Kraft vom Kreiselschwerpunkt variiert werden kann. Gehäuseteil 17 trägt die beiden Schneiden 62, mittels Die Präzessionsgeschwindigkeit könnte auch Jurch 35 welcher er auf an der Innenfläche des Teiles 16 anÄnderung des Drehimpulses des Kreisels, also durch gebrachten Schneidenlager!! oder Pfannen 63 um ύκ Änderung der Drehgeschwindigkeit des Kreisels oder auf der Bildebene senkrecht stehende Horizontalder Kreiselmasse variiert werden. Da die bei vorge- achse 20 drehbar gt lagert ist. Im Gehäuseteil 17 ist gebenem Drehimpuls des Kreisels durch die zu ,nes- der Motor 18 befestigt, der beim Ausfuhrungsbeisende Kraft verursachte Präzessionsgeschwindigkeit 40 spiel ein Drehstromsynchronmotor ist, dessen Strom-■/mit kleiner werdender Kraft abnimmt, ist es von Versorgung auf eine der bekannten Arten erfolgt. Als Vorteil, für kleine Kräfte entsprechend große und für Kreiselantrieb kann an Stelle des Motors auch jeder große Kräfte entsprechend kleine Meßzeiten anzuset- andere bekannte Kreiselantrieb verwendet werden, zen. Die verschiedenen Meßzeiten können vor der Die um die zur Horizontalachse 20 senkrechte Hon-Anzeige oder Weitergabe des Ge*ichts berücksich- 45 zontalchse rotierbare Welle 19 des Motors 18 tragt tigt werden. Es kann vorgesehen werden, daß bei zu die Schwungmasse 21, auf der die Impulsscheibe 22 geringem Anzeigewert für eine bestimmte Kraft in befestigt ist. Die z. B. auf dieser Scheibe aufmagnetieiner bestimmten Zeit, diese Zeit automatisch ver- sierten Impulse werden mittels (nicht dargestellten) größert wird. Bei zu großem Anzeigewert kann um- ortsfesten Hallsonden abgetastet. Das Gehäuse wird /gekehrt verfahren werden. An Stelle für eine be- 50 durch die am Gehäuseteil 17 angebrachten Gehause-Etimmte Kraft die in einer vorbestimmten Zeit durch- teile 17« und 17b vervollständigt, die die Schneiden laufene Impulszahl zu ermitteln, kann auch die zum 15 a bzw. ISb tragen. Diese Schneiden ISa und \Sb

werden abwechselnd mit der halben am Hebel 24 wirkenden Kraft mittels der diesen Hebel tragenden 55 Doppelgehänge 23 α bzw. 23 b belastet. Mit der abwechselnden Belastung der beiden Schneiden ändert sich die Richtung der Präzessionsbewegung des Kreisels, d. h. die Richtung der Drehung des Kreisels

^ _¥i„₆ _... und der mit ihm verbundenen Teile um die Vertikalrotierenden Kreisei,⁶~sonde7n"übe~r einen Hebel an, 60 achse kehrt sich bei jedem Seitenwechsel des Ander von — in bezug auf den Kreiselschwvrpunkt — griffspunktes der zu wägenden Last in bezug auf den

Kreiselschwerpunkt um. Die zu wägende Last O greift am Hebel 24 über die Gehängekombination

Durchlaufen einer vorbestimmten Impulszahl erforderliche Zeit ermittelt werden.

An Hand des Ausführungsbeispieles der Fig.! wird lediglich das Prinzip der erfindungsgemäßen Kraftmessung aufgezeigt

Bei den Ausführungsbeispielen der folgenden Figuren greift die zu wägende Last nicht unmittelbar am

25/26/27 entweder direkt oder über den auf dem

auf entgegengesetzten Seiten angeordneten Gehängen getragen wird, die derart z. B. mitteis Exzenter betä tigt w'crdcü können, uäß ua5 £ίΠ£ CuCf uSS äiluCrC . .

den rotierenden Kreisel belastet. An diesem Hebel ist 65 Bock 28 gelagerten Hebel 29 untersetzt an. Diese

unterhalb des Kreiselschwerpunktes ein um die Ver- drei Einzelgehängen bestehende Kombination be-

tikalachse rotierbar gelagertes Gehänge vorgesehen, wirkt, daß das obere Gehänge 27 auch bei Belastung

an welchem die zu wägende Last mittelbar oder un- frei um die Vertikalachse rotieren kann. Mi! dem

oberen, das Kugellager 13 tragenden Teil des rotä- in der Weiche 44 die Zuführung von Impulsen |p

tionssymmetrischcn Bauteils 16 ist eine Scheibe 30 der Impulsscheibe 22 zum Zähler 45. Gleichzeitig AiJ

verbunden, auf der der Träger 31 für die Lager 32 werden die vom Schwingungsdetektor 49 abgegeibe- |p|||

und 32a der Welle 33 ruht. Diese Lager 32 und 32 a nen negativen impulse gezählt. Nach Beendigung,; tragen die Unterlage 34 für den Getriebemotor 35 5 dieser der Präzessionsbewegung entgegengesetzten ''Mm. und die Stützen 36 und 36 a, die ihrerseits die Im- Schwingungsbewegung werden diese negativ einge- «|g|i puisscheibe 37 tragen, Am Umfang dieser Scheibe zählten Impulse durch die nunmehr ankommenden -^ sind beim AusführungsbeiSpieJ Markierungen aufge- positiven Impulse gelöscht und danach wieder die &φ· bracht, die mittels zweier etwa in einem Abstand von Zählungen über die beiden Zähler 43 und 45 freige- J^ 100 mm ortsfest angebrachten Abtasteinnchtungen to geben. Da die Wahrend eines Meßvorganges in den ||j (Hallsonden) abgetastet werden. Der Getriebemotor Zähler 45 eingezahlten Impulse der Meßzeit von η |v 35 treibt über die Kettenräder 38 und 38a die Well*· Impulsen direkt, jedoch der Präzessionsgesch windig- f S 33 an, auf der die um 180° zueinander versetzten Ex- keil umgekehrt proportional sind, werden die Im- ; zenter 39 a bzw. 396 angebracht sind, die die in den pulse vom Zähler 45 zu der von dem Schalter 55 j|f Führungen 40 a bzw. 40 6 geführten Gehänge 23 a 15 über die Anpassungsschaltung 56 gesteuerte Rechen- *« bzw. 23b auf bzw. ab bewegen, wodurch die Schnei- schaltung 54 geleitet, deren Ausgang mit der von den 15 a und 156 abwechselnd mit der über die Ge- dem Schaller 57 über die Anpassungsschaltung 58 hängekombination 25/26/27 am Hebel 24 angreifen- gesteuerte Rechenschaltung 59 verbunden ist. Am den Last G belastet werden. Größe und Richtung der Ausgang dieser Schaltung 59 angeschlossem- An-Präzessionsgeschwindigkeit werden durch die BeIa- 20 zeigeröhren zeigen das Gewicht der zu wägenden ■■>:, stung einer der beiden Schneiden 15 a bzw. 156 bc- Last G an. Zusätzlich zu den Anzeigeröhren oAcx an stimmt Ein Schaltungsbeispiel für die Gewichtsbe- deren Stelle kann auch ein Druckwerk Verwendung Stimmung ist in Fig.5 dargestellt. Eine ortsfeste finden. Zur Stabilisierung der Symmetrieachse des '■ Hallsonde tastet die die Prazessionsbewegung des Kreisels in der Horizontalebenc sind die beiden Kreisels mitmachende Impulsscheibc 37 ab. Die ab- 25 Scherenhälften 80 und 81 vo-gesehen, deren S ager ger.r,m,-ncricn Impulse werden über den Verstärker 82 an der Führung 40 6 für das Gehänge 236 bcfe-4l und die Anpassungsschaltung 42 dem Zähler 43 stigt ist. Auf der vom Getriebemotor angetriei ■·. nen zugeführt, der nach Eingang von m Impulsen das Welle 33 sind die beiden um 180° gegen ein/nder Startsignal und nach m -ί η Impulsen das Stopsignal versetzten Exzenter 80α und 81a vorgesehen, i.urch für die Messung über die Weiche 44 an den Zähler 30 die die beiden Scherenhälften während der Mc'lpau-45 weitergibt. Diesem Zähler 45 werden über den sen betätigt werden.

Verstärker 46 und die Anpassungsschaltung 47 die Die an Hand der Fig.2 bis 4 beschrieben An-

mittels einer weiteren Hallsondi; von der Impuls- Ordnung kann z.B. auch dadurch zur Krafüm-Ming scheibe 22 abgetasteten Impulse zugeführt. Nach m verwendet werden, daß der Hebel 24, an dem die zu Impulsen wird durch das Startsignal des Zählers 43 35 messende Kraft über die Gehängekombir tion der Weg über die Weiche 44 zum Zähler für die von 25/26/27 angreift, jeweils nur eine der U .den der die Impulsscheibe 22 abtastende Hallsonde gelie- Schneiden 15 a und 156 belastet oder bereit vor ferte Impulsfolge frei, und nach τηΛ η Impulsen vom dem Einwirken der Kraft auf einer der Schneiden

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m t η Impulsen erfolgende Stopsigna! des Zählers 43 40 hang mit der F i g. 1 geschilderten Weise vorgenom-

schaltet gleichzeitig über die entsprechende 'Jmschal- men wird.

tung60a bzw.6§6 und die Relaisausgabe 61 den Ge- Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbcispic! ist triebcmotor 35 derart um. daß die andere Schneide in F i g. 6 wiedergegeben. Diese schematische Darbelastet wird, wodurch die Richtung der Präzessions- stellung zeigt in Perspektive einen Kreisel, zu dessen bewegung umgekehrt wird. Andererseits wird die zwi- 45 Lagerung und Halterung das auf der Grundplatte 78 sehen der Anpassurigsschaltung 42 und dem Zähler befestigte Gestell 79 dient, dessen Querbalken das 43 eingefügte Vorzeichenumschaltung 48 derart umge- Lager 64 trägt, in welchem die Welle 65 um die Verschaltet, di.ß die von der !mpulsscheibe 37 gelieferten tikalachse drehbar gelagert ist. An ihrem oberen Impulse in gleicher Zählrichtung in den Schwingungs- Ende trägt die Welle 65 die die Präzessionsbewegung detektor 49 und in den Zähler 43 gelangen, wie vor 50 mitmachende Impulsscheibe 66, während sie an ihder Umschaltung der Schneidenbelastung. Wie bereits rem unteren Ende den äußeren Rahmen 70 trägt, an geschildert, wird nun wieder nach m Impulsen durch dem der innere Rahmen 71 bei 72 drehbar gelagert das Startsienai die Messung eingeschaltet und nach ist. Am Rahmen. 71 ist die die Masse 73 tragende m-l· η Impulsen durch das Stopsignai des Zählers 43 Welle 74 bei 75 rotierbar gelagert An dem äußeren ausgeschaltet. Die vom Frequenznormal 50 gelieferte 55 Rahmen 70 ist ein einarmiger Hebel 76 drehbar gcla-Impulszahl wird mit der von der Anpassungsschaltung gert, an dem die zu wägende Last G unterhalb des 47 kommenden Impulszahl im Differenzgatter 51 Kreiselschwerpunktes in Richtung der Vcrtikalachse verglichen. Die so ermittelte Impulsdifferenz wird in — vorzugsweise über eine in Zusammenhang mit den der Multiplikationsschaltung 52 verdoppelt und die Fig.2 bis4 beschriebenen drehbar gelahrten Aufvon dieser abgegebenen Plus- bzw. Mmusimpulse 60 hangung — mittel- oder unmittelbar anereift. Durch werden mit den von der Anpassungsschaltung 47 di- das Stahlband 77, an dem der Hebel 76 Belagert ist, rekl kommenden Impulsen in der Impulsmischschal- wird die Last G untersetzt auf den Rahmen 71' überfung 53 vermischt, so daß über die Weiche 44 an den tragen, so daß die Kraft G wirksam wird Zähler 45 die korregierte Impulszahl gelangt. Der Die Bestimmung des Gewichtes dtr lastG kann zwischen derVorzeicIrenschaltung48 und dem Zähler 6₅ mit Hilfe der ^Ζ^μ^ι^Λ^λΪτχΆ 43 angeschaltete Schwingungsdetektor 49 unterbricht beschriebenen wS η Sgfn Zur S*abi iS -bei Schwingungsbewegungen en gegen der äugen- der Symmetrieachse des Kreisels in waaccrechtcr bhckfichen Richtung aer Prazessionsbewegung - Lage dient der Motr 67 undΓΧ von imn igclric-

bene Scheibe 68, Senkt sich die Symmetrieachse und damit auch der mittels eines Bolzens am Rahmen 71 befestigte Teil 83 nach unten, so daß dieser bei der Präzessiönsbewegurig die Kante der Scheibe 68 streift, so wird die Absenkung rückgängig gemacht.

Durch den Abstand zwischen der Scheib« 68 und, dem Teil 83 kann die zugelassene Absenkung aus der Horizontaleuene eingestellt werden. Die Scheibe 68 kann auch direkt auf einen der Rahmen 70 oder 71 einwirken.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kraftmeßzelle bestehend aus einem Kreisel mit in waagerechter Lage stabilisierter Symmctrieachse, dessen durch die digital zu bestimmende Kraft hervorgerufene Präzessionsbewegung ein Maß dieser Kraft ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Krafteinleitung eine um die Vertikalachse drehbar gelagerte Aufhängung an einem mit seinem einen Ende am inneren und mit seinem anderen Ende am äußeren Kreiselrahmcn beweglich gelagerten Hebel und zur Erfassung des durch die Krafteinleitung hervorgerufenen Moments eine die Präzessionsbewegung mitmachende Impulsscheibe vorgesehen sind.