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Kreisel-Kraftmeßzelle Die Erfindung bezieht sich auf eine Kreisel-Kraftmeßzelle,
bei der ein Drehmoment um eine zur Rotationsachse eines kräftefrei aufgehängten
Kreisels senkrechte Aufhängeachse eine Präzession des Kreiselsystems um die Präzessionsachse
hervorruft und die Winkelgeschwindigkeit der Präzession als Maß für die das Drehmoment
erzeugende Kraft dient.
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Eine derartige Kreisel-Kraftmeßzelle ist an anderer Stelle beschrieben.
Wegen der dem Kreisel und einem die Präzession mitmachenden Kreiselkäfig anhaftenden
Massenträgheit und den Reibungskräften in dem bzw. den Lagern des Kreiselkäfigs
kann sich die Präzession nicht ungestört auswirken.
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Die genannten Kräfte wirken vielmehr als Ursache einer sekundären
Präzession des Kreisels, die den Kreisel in Richtung der ursprünglich auf die Rotationsachse
des Kreisels ausgeübte Kraft bewegen will. Dies würde zu einer Verfälschung der
Anzeige führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese sekundäre Präzession
zu verhindern. Dies geschieht bei einer Kreisel-Kraftmeßzelle, bei der ein Drehmoment
um eine zur Rotationsachse eines kräftefrei aufgehängten Kreisels senkrechte Aufhängeachse
eine Präzession des Kreiselsystems um die Präzessionsachse hervorruft und die Winkelgeschwindigkeit
der Präzession als Maß für die das Drehmoment erzeugende Kraft dient gemäß der Erfindung
dadurch, daß ein Stellglied zur Einleitung eines Drehmoments auf das Kreiselsystem
um die Präzessionsachse vorgesehen ist und ein Regler die Größe dieses Drehmoments
abhängig von die Präzession des Kreiselsystems hemmenden Reibungs- und Trägheitskräften
vorgibt.
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Mit Hilfe des von dem Stellglied ausgeübten Drehmoments werden die
für die schädliche sekundäre Präzession verantwortlichen Momente der Reibungs- und
Trägheitskräfte kompensiert.
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Das Zusatzdrehmoment kann auch nur zeitweise, vorzugsweise während
der Meßpausen, einwirken.
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Der Regler kann von einem Signal gesteuert werden, das aus einem kraftabhängigen
Abgriff zur Bestimmung des Drehmoments um die Aufhängeachse des Kreisels entnommen
wird.
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Zweckmäßig wird jedoch ein wegabhängiger Abgriff zur Bestimmung der
Neigung der Kreiselachse (Lageänderung) um die Aufhängeachse vorgesehen. Dieser
Abgriff ist bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung an einem feststehenden Kreiselgestell
angeordnet und erfaßt die Lageänderungen eines Lasteinleitungsgestänges.
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Zur Dämpfung von Regelschwingungen des Reglers können dem Regler außer
dem Signal der Lageänderung auch Signale der ein- oder zweimal nach der Zeit abgeleiteten
Lageänderung zugeführt sein.
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Als Abgriff der Lageänderung des Lasteinleitungsgestänges können ein
induktiver, optischer oder kapazitiver Abgriff dienen.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Stellglied
ein an die Drehwelle des Kreiselkäfigs angekuppelter Ferrarismotor vorgesehen. Im
Zusammenwirken des Ferrarismotors mit einem induktiven Abgriff der Lageänderungen
des Lasteinleitungsgestänges können die Signale des Abgriffs die eine Wicklung des
Ferrarismotors beaufschlagen. Die andere Wicklung des Motors und der Abgriff werden
dabei aus einem Netz gespeist. Der Rotor des Ferrarismotors wird zweckmäßig als
Scheibe ausgebildet.
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Die Scheibe trägt abtastbare Markierungen zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit
der Präzession. Der Rotor des Ferrarismotors kann auch ein mechanisches Zählwerk
antreiben. Das von diesem Zählwerk auf den Rotor ausgeübte Gegenmoment wird ebenfalls
durch die Kompensation für Reibungs- und Trägheitskräfte ausgeglichen.
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An den Ferrarismotor kann außerdem ein Tachogenerator angekuppelt
sein, dessen Ausgangsspannung zur Fernanzeige der Wintelgeschwindigkeit der Präzession
dient. Außerdem ist über eine Kupplungsvorrichtung (Magnetkupplung) und ein Übersetzungsgetriebe
der Anbau eines Zahlenrollenwerkes möglich, das eine direkte Zifferndarstellung
von Meßergebnissen ermöglicht.
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Die Erfindung wird anhand von drei Figuren näher erläutert.
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Figur 1 ist eine perspektivische Darstellung der prinzipiellen Anordnung
einer Kreisel-Kraftmeßdose.
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Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Längsschnitt.
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Figur 3 stellt einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel der
Erfindung dar.
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In Figur 1 ist an einem Querbalken 1 eines Kreiselgestells 2 ein Kreiselkäfig
3 in einem Lager 4 drehbar aufgehängt. Eine Drehwelle 5 des Kreiselkäfigs 3 trägt
an ihrem oberen Ende eine Kreisscheibe 6. Durch die Drehwelle 5 geht die Präzessionsachse
des Kreiselsystems.
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Im Kreiselkäfig 3 ist mittels Lagerzapfen 7 und 8 ein Kreiselgehäuse
9 drehbar gelagert. Durch die Lagerzapfen 7 und 8 geht die waagrechte Aufhängeachse
des Kreisels. Das Kreiselgehäuse 9 ist in der schematischen Darstellung der Figur
1 als ein Ring dargesteilt. Im Kreiselgehäuse 9 ist rechtwinklig zu der Aufhängeachse
eine Welle 10 gelagert, die einen Kreiselkörper 11 trägt. Durch
die
Welle 10 geht die Rotationsachse des Kreisels. Am Kreiselkäfig 3 ist unten ein Untersetzungshebel
12 angelenkt. Am anderen Ende des Untersetzungshebels ist eine Zugstange 13 angelenkt,
die über ein weiteres Gelenk am Kreiselgehäuse 9 angreift. Dieses Gelenk befindet
sich in der Nahe der Lagerstelle der Drehwelle 10 des Kreisels.
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Von einem weiteren Gelenk am Untersetzungshebel 12 geht ein Lasteinleitungsgestänge
14 aus. Das Lasteinleitungsgestänge tritt durch eine Bohrung in einer Traverse 15
des Kreiselgestells 2. Am Lasteinleitungsgestänge 14 kann eine zu wägende Last 16
angebracht werden.
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Wird die Last 16 am Lasteinleitungsgestänge 14 wirksam, so übt sie
über den Untersetzungshebel 12 und die Zugstange 13 auf die Rotationsachse des Kreisels
eine Kraft aus, die ihrerseits ein Drehmoment um die Aufhängeachse des Kreiselsystems,
die durch die Lagerzapfen 7 und 8 des Kreiselgehäuses 9 geht, hervorruft. Dieses
Drehmoment verursacht eine Präzession um die Präzessionsachse des Kreiselsystems,
die in der Drehwelle 5 liegt. Reibungskräfte und die Trägheit der um die Präzessionsachse
zu beschleunigenden Massen erzeugen ein bremsendes Drehmoment um die Präzessionsachse.
Dieses Drehmoment ruft seinerseits eine sekundäre Präzession hervor, die sich in
einer Neigung des Kreiselgehäuses 9 aus der Horizontalen um die Aufhängeachse auswirkt.
Diese Neigung führt zu Meßfehlern, weil durch sie der Angriffshebelarm der zu messenden
Last geändert wird.
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Zur Verhinderung der sekundären Präzession ist ein Regelsystem vorgesehen,
das aus einem an der Durchbrechung der Traverse 15 angeordneten Abgriff 17 für die
Lageänderungen des Lasteinleitungsgestänges 14 in vertikaler Richtung, einem von
dem Ausgangssignal des Abgriffs beaufschlagten Regler 18 und Servomotor 19 besteht.
Der Servomotor liefert über ein Reibrad 20 an die Kreisscheibe 6 ein Drehmoment,
das geeignet ist, ein von der Lagerreibung
im Lager 4 und den Trägheitskräften
des Kreiselsystems bei dessen Beschleunigung hervorgerufenes bremsendes Drehmoment
zu überwinden. Damit wird die Ursache der schädlichen sekundären Präzession kompensiert
und das Kreiselsystem beharrt bei Aufbringen und Abnehmen der Last 16 in seiner
Lage.
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Der Regler 18 kann aus einem Verstärker mit hohem Verstärkungsgrad
bestehen, mit einer Rückführung, die der Neigungsgeschwindigkeit des Kreiselgehäuses
proportional ist.
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Zusätzlich kann auch eine Rückführung, die der Neigungsbeschleunigung
proportional ist, vorgesehen werden. Desweiteren kann zur Verhinderung von Regelschwingungen
zusätzlich oder allein ein mechanisches Dämpfungsglied vorgesehen sein.
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Die beschriebene Anordnung setzt also Jede Neigung des Kreiselgehäuses
9 über den Verstärker in ein proportionales vorzeichenrichtiges Beschleunigungsmoment
um die Präzessionsachse um und kompensiert dadurch die um diese Achse durch die
Massenträgheit des Kreiselsystems auftretenden Bremsmomente bis auf einen beliebig
klein zu haltenden Proportionalfehler.
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Die Lageregelung kann entweder in den Pausen zwischen zwei Messungen
erfolgen, wenn davon ausgegangen wird, daß die während der Messung eintretende Neigung
des Kreiselgehäuses hinreichend klein bleibt. Besonders vorteilhaft wirkt sich die
Lageregelung jedoch aus, wenn sie kontinuierlich, also während der gesamten Meßzeit,
zumindest aber während der Beruhigungsphase wirkt, die der Messung vorausgehen muß,
um einen stabilen stationären Präzessionszustand nach jeder Änderung der zu messenden
Kräfte zu erzielen.
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Die Lageregelung erbringt also den Vorteil; daß die Lagerreibung und
jedes Beschleunigungsdrehmoment, das aus Änderungen der zu messenden Kraft herrührt,
kompensiert wird.
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Die Kreisel-Kraftmeßzelle mißt damit die zu messende Kraft wegelos.
Dem zu messenden System wird also keine Energie entzogen. Es wird außerdem damit
ein außerordentlich schnelles Einspielen des stationären Präzessionszustandes erreicht.
Weiterhin wird erreicht, daß Energien für Bewegungen um die Präzessionsachse, beispielsweise
zum Antrieb eines Tachogenerators oder eines Ziffernanzeigerollenwerkes, nicht dem
Meßobjekt entnommen, sondern vollständig dem Servomotor 19 geliefert werden. Das
Drehlager 4 kann aus dem gleichen Grund einfacher gestaltet und ohne Rücksicht auf
Reibungsverluste rein nach Beanspruchungsgesichtspunkten und kleinsten Lagerspalten
dimensioniert werden. Die Kreisscheibe 6 ist demnach belastbar, so daß externe Verbraucher
mechanischer Energie daran rückwirkungsfrei angeschlossen werden können.
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In den Figuren 2 und 3 sind ein Ausführungsbeispiel im Längs- bzw.
Querschnitt dargestellt, bei dem für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen
wie in der prinzipiellen Darstellung der Figur 1 benutzt sind. Das Kreiselgestell
2 ist nach den Figuren 2 und 3 ein im wesentlichen u-förmiges Gebilde, dessen oberer
Flansch ein Kugellager 21 aufnimmt, in dem die Welle 5 des Kreiselkäfigs 3 gelagert
ist. Ein zweiter Wellenstummel 25 ist hohl ausgeführt und in einem Kugeldrucklager
26 im unteren Flansch des Kreiseigestells 2 gelagert. Durch den hohlen Wellenstummel
25 ist das Lasteinleitungsgestänge 14 geführt, das mit einem Bandgelenk 27 an den
Untersetzungshebel 12 angelenkt ist. Am unteren Ende trägt das Lasteinleitungsgestänge
14 ein Kugellager 28, das Zugkräfte aufnehmen kann und an dem die Last 16 angreift.
Die Reibungsverluste des Kugellagers 28 werden mittels der schon im Zusammenhang
mit der Figur 1 beschriebenen Lageregelung ebenfalls ausgeglichen. Der Untersetzungshebel
12 ist mit seinem linken Ende über ein Kreuzbandlager 29 mit dem Kreiselkäfig 3
verbunden. Sein rechtes Ende ist über ein Bandgelenk 30 mit der Zugstange 13 und
diese über ein weiteres Bandgelenk 31 mit dem Kreiselgehäuse 9
verbunden.
Das greiselgehäuse hat beim Ausführungsbeispiel nicht mehr die Form eines Ringes,
sondern die eines geschlossenen Zylinders. In ihm ist der Kreiselkörper 11 gelagert,
der als Rotor eines Induktionsmotors ausgebildet ist. Das Kreiselgehäuse 9 trägt
an seiner Innenwand eine Statorwicklung 32 des Induktionsmotors.
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An der linken Stirnseite ist am Kreiselgehäuse 9 ein Tariergewicht
33 befestigt.
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Die Aufhängung des Kreiselgehäuses 9 im Kreiselkäfig 3 erfolgt über
Kreuzbandlager 34 bzw. 34'. Durch diese Lager geht die Aufhängeachse des Kreisels.
Die Ereuzbandlager bzw. Bandgelenke können verwendet werden, weil die Messung der
Kraft infolge der Lageregelung wegelos erfolgt.
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An der Unterseite des unteren Flansches des Kreiselgestells 2 ist
ein induktiver Abgriff 35 angeordnet, der aus zwei Differentialwicklungen besteht,
deren Induktion durch einen an dem Lasteinleitungsgestänge 14 angeordneten Tauchanker
36 veränderbar ist. Der induktive Abgriff könnte grundsätzlich auch zwischen Kreiselgehäuse
9 und Kreiselkäfig 3 angeordnet werden. Das Ausgangssignal des induktiven Abgriffs
35 wird dem Regler 18 zugeführt, dessen Ausgangsklemmen über eine Leitung 37 mit
der Steuerwicklung eines Pol systems 38 eines Ferrarismotors verbunden sind. Der
Ferrarismotor besteht aus dem Polsystem 38 und einer Wirbelstromscheibe 39, die
direkt an der Drehwelle 5 des Kreiselkäfigs 3 befestigt ist. Die Wirbelstromscheibe
39 trägt Markierungen 40, die beim Ausführungsbeispiel magnetischer Natur sind und
von einem Magnetkopf 41 abgetastet werden. Uber sie wird die Winkelgeschwindigkeit
n der Präzession des Kreiselsystems gemessen, die ein Maß für die aufgebrachte Kraft
16 ist.
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Die Wirbelstromscheibe 39 kann außerdem ein nicht näher dargestelltes
mechanisches Zahlenrollenwerk antreiben, das mit einer Nullstelleinrichtung und
einer trennbaren
Kupplung zur Wirbelstromscheibe 39 versehen ist
und eine einfache mechanische Digitalanzeige des Meßergebnisses gestattet.
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Desweiteren kann von der Scheibe 39 ein Tachogenerator angetrieben
werden, dessen Ausgangsspannung zur Fern-Analoganzeige des Meßwertes dient.
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13 Patentansprüche 3 Figuren