DE2262032A1

DE2262032A1 - Mechanisch-elektrischer kraft- oder druckmesswandler

Info

Publication number: DE2262032A1
Application number: DE19722262032
Authority: DE
Inventors: G Dr-Ing Pusch; H Prof Dr-Ing Tischner
Original assignee: Industrie Automation GmbH and Co
Current assignee: Industrie Automation GmbH and Co
Priority date: 1972-12-19
Filing date: 1972-12-19
Publication date: 1974-07-11
Also published as: DE2262032B2; DE2262032C3

Description

Mechenisch-elektrischer Kraft- oder Druckmeßwandler.
Die Erfindung betrifft einen mechanisch-elektrischen Kraft- oder Druckmeßwandier mit einem unter dem Einfluß der zu wandelnden Größe elastisch verformbaren Körper, dessen Verformung in entsprechende elektrische Größen gewandelt werden, Derartige elektromechanische Kraft- oder Druckmeßwandler werden bei elektromechanischen Waagen und Kraft oder Druckmeßeinrichtungen aller Art benutzt.
Sie sollen elektrische Größen abgeben, die den zu messenden Größen möglichst streng proportional sind, Es ist bekannt, auf elastisch verformbaren Körpern Dehnungsmeßstreifen anzubringen, deren Widerstandsänderung als Maß für d-ie elastische Verformung und somit der sie verursachenden Kraft, d,h. der zu wandelnden Größe, dient.
Damit die z,B. in der Wägetechnik geforderte hohe Genauigkeit in einem großen Temperaturbereich zumindest annähernd erreicht werden kann, ist es erforderlich, Kompensationsanordnungen zu benutzen und die für den elastisch verformbaren Körper und die Dehnungsmeßstreifen verwendeten Materialien sorgfaltig auf einander abzustimmen. Die tro,tzdex bei den MeBwandlern noch vorhandenen Fehler und die Abweichungen zwischen gleichartig aufgebauten Meßwandlern untereinander müssen in jedem Einfall gesondert abgeglichen werden.
Die derartig abgeglichenen Meßwandler haben den nachteil, daß sie bei kleiner Belastung, im sogenannten Miko-Feinbereich Fehler zeigen. Sie sind daraufzurückzuführen, daß bei den üblichen elastisch verformbaren Körpern aus Metall im Bereich kleiner Belastungen das Rooke'sche Gesetz nur annähernd erfüllt wird. Weitere Ungenauigkei+'>n ergeben sich durch den zus Befestigen des Dehnungsmeßstreifens auf dem elastisch verformbaren Körper benutzten Klebstoff.
Durch das ältere Patent- . . . (Patentanieldung P 2146 339.8 - 52) sind ela stisch verformbare Körper aus nichtmetallischem, anorganischem Werkstoff bekannt. Derartige Werkstoffe, z.B. Glaskeramik, gehorchen auch bei sehr kleinen Belastungen dem Hooke-schen Gesetz. Aus diesen Werkstoffen gefertigte elastisch verformbare Körper eignensich deshalb auch für die Verwendung im Mikro-Feinbereich. Da die genannten Werkstoffe elektrische Isolatoren darstellen, lassen sich bei ihnen die Dehnungsneßstreifen unter teer meidung von Isolations- und Klebeschichten, z,B. durch Aufdampfen, unnittelbar auf den elastisch verformbaren Körper aufbringen. Auf diese Weise werden die durch die Isolations- und Klebeschichten bedingten Fehler vermieden, Der durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Widerstandsmaterial und dem nichtmetallischen anorganischen Werkstoff sowie die Tempereturebbängigkeit des Widerstandsmaterials bedingte Temperatureinfluss muß jedoch nach wie vor durch Abstimmung der Werkstoffe aufeinander vermindert werden.
Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß der elastisch verformbare Körper Bestandteil eines die Frequenz eines Hochfrequenzgenerators bestimmenden elektrischen Hohl- oder Leitungsresonators ist und daß die vom Hochfrequenzgenerator erzeugte Frequenz als Maß für die zu wandelnde Größe dient.
Zweckmäßig besteht zumindest der als elastisch verformbare Körper dienende Bestandteil des elektrischen Hohl- oder Leitungsresonator aus mit einer leitenden Metalloberfläche versehenem nichtsetallischem, anorganischem Werkstoff, z.B. Glaskeramik, Die erzeugten Frequenzen körnigen durch Auszählen mittels elektronischer Zähler bestimmt werden. Diese Frequenzen, insbesondere die Eigenfrequenzen der Hohlresonatoren, sind wegen der bei den für den vorgesehenen Verwendungszweck in Frage kommenden geometrischen Abmessungen ii Giga Hertz-Bereich. Um die Schwierigkeiten der direkten Auszählung dieser Frequenzen zu umgehen, werden sie zweckmäßig zunächst in einem bestimmten Verhältnis derart heruntergeteilt, daß die Auszählung der auf diese Weise erhaltenen niedrigeren Frequenz mittels gebräuchlicher elektronischer Zähler erleichtert wirdr Eine andere Art und Weise insbesondere bei Hohlresonatoren zu Frequenzen zu gelangen, die mit einfacheren und gebräuchlichen Mitteln auszuzählen sind besteht darin, die von dem Hochfrequenzgenerator erzeugte Frequenz mit derjenigen eines zweiten, von der zu messenden Größe unbeeinflussten Hochfrequenzgenerators gleicher Bauart zu mischen und die sich dabei ergebende Dif-Berenzfrequenz aus zu werten.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen: Fig.1 einen Kraft- oder Druckmeßwandler, der zwei Hochfrequenzgeneratoren aufweist, deren Frequenz von Hohlresonatoren bestimmt wird und Fig.2 einen Leitungsresonator.
Bei der in Fig.l dargestellten Anordnung werden zwei ffochfrequenzgeneratoren verwendet. Ihre Frequenzen werden durch die Hohlresonatoren 1 und 1' bestimmt.
Ihnen ist je eine Gunn- oder Bead-Diode-2 bzw. 2' zugeordnet. Sie sind mittels der Leitungen 3 und 4 bzw 3' und 4t lose mit den Hohlresonatoren 1 bzw.
1' gekoppelt. -Die Batterie 5 bzw. 58 versorgt die Diode 2 bzw. 2' über eine Induktivität 6 bzw. 6' mit der zum Betrieb der beiden Hohlfrequenzgeneratoren notwendigen Gleichspannung.
Die treiszylindrischen Hohlresonatoren l und 1' sind derart ausgebildet; daß eine auf ihre obere Abschlußdeckel 7 bzw. 7' wirkende Kraft P bzw. P'im wesentlichen nur die Abschlußdeckel 7 bzw. 7t verformt und dadurch das Volumen des Hohlresonators und somit seine Eigenfrequenz verändert wird. Weist der Hohlresonator 1 unter dem Einfluss der auf seine Abschlußdeckel 7 wirkende Kraft P eine Eigenfrequenz f und der llohlresonator 1' unter dem Einfluss der Kraft P' die Eigenfrequenz ft auf, so entspricht die Differenzfrequenz (f-f') dem Unterschied der Kräfte P und P'.
Eine dieser beiden Kräfte wird zweckmäßig als willkürlich, z.B. durch einen einstellbaren Federdruck und die andere Kraft durch die in eine elektrische Grölle zu wandelnde Kraft dargestellt. Die willkürlich einstellbare Kraft kann z.B. dazu dienen, die Eigenfrequenz f' des Hohlresonators- 1' auf die des unbelasteten Resonators l derart abzugleichen, daß sich eine bestimmte Differenz ergibt. Wird unter dem Einfluss der Kraft P die Eigenfrequenz des Hohlresonators 1 verändert und ergibt sich dadurch seine Eigenfrequenz f, so entspricht die Differenzfrequenz (f-f') der Kraft P. Die Verwendung der Differenzfrequenz (f-f1) anstelle der Eigenfrequenz f des Hohlresonators 1 als May; für die auf ihn einwirkende Kraft P hat verschiedene Vorteile. 4 Man kann dadurch z.B. die Differenzfrequenz in den Megahertz-Bereich verlegen, um sie mit gebräuchlichen digitalen Zählern zu messen, was im Gigahertz-Bereich, in dem f liegt, nicht möglich sein würde. Ausserdem kann die willkürlich einstellbare Kraft zur Kompensation der Tara dienen. Der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Eigenfrequenz der Hohl- oder Leitungsresonatoren ist durch luftdichten Abschluss der Resonatoren auszuschalten. Schwankungerl des Luftdruckes wirken sich in gleichem Maße auf die Eigenfrequenz beider Resonatoren aus. Durch die Bildung der Differenzfrequelu heben sich diese Fehler dann auf.
In dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Differenzfrequenz (f-f') dadurch gebildet, daß die beiden Frequenzen f und f' in der Mischstufe 8 überlagert und gleichgerichtet werden. Die sich dabei neben der Summenfrequenz (f +f') ergebende Differenzfrequenz (f-f') wird dem Zähler 8 zugeführt. Bei geeigneter Bemessung der Abschlußdeckel 7 und 7' ist die Differenzfrequenz (f-f') der zu wandelnden Kraft oder dem Druck in bestimmten Grenzen mit nur sehr kleinen Fehlern proportional.
Diese Grenze und die Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Kraft- oder Druckmeßwandlers können dadurch erweitert werden, daß die zu wandelnde Kraft in axialer Richtung allein in den kreiszylindrischen Mantel des Hohl- oder Leitungsresonators eingeleitet wird, wodurch nur er als elastisch verformbarer Körper dient.
Dadurch wird errcicht, daß nur axial gerichtete Zug- oder Druckkräfte auf den elastisch verformbaren Körper einwirken, was bei Einleitung der zu wandelnden Kraft in den Mittelpunkt des Abschlussdeckels nicht der Fall ist.
Bei dem in Fig.2 dargestelltcii Ausführungsbeispiel ist der äussere Mantel 10 des Leitungsresonators 11 über die Abschlussdeckel 12 und 13 hinaus verlängert. Die zu wandelnde durch die Pfeile Q dargestellte Kraft wird an der Kreisringförmigen Abschlußflache 14 eingeleitet, wobei sich der Leitungsresonator 11 mit der gegenüberliegenden Abschlußfläche 15 abstützt.
Die Eigenfrequenz eines Leitungsresonators liegt wesentlich tiefer als dieje nige eines Hohlresonators etwa gleicher j.bmessullg. Aus diesem Grunde erübriSt es sich, die von ihnl bestinunte Frequenz des Hochfrequenzgeneratore durch Teilung oder Bildung einer Di,f£erenzfrequenz herabzusetzen Der zweite Hochfrequenzgenerator kann daher entfallen. Eamit sich dann Luftdruckschwankungen nicht auf die Eigenfrequenz des gasdicht abgeschlossenen Lettungsresonators auswirken können, wird er in an sich bekannter Weise mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Druckausgleichsgefäss versehen Der erfindungsgemäße Kraft- oder Druckmeßwandler hat den Vorteil frei von Fehlern zu sein und keine Schwierigkeiten beim Abgleich zu bietenr die die Verwendung von Dehnungsmeßstreifen mit sich bringen. Er zeigt insbesondere bei Verwendung von Glaskeramlk, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient praktisch gleich Null ist, keine Temeraturabhängigiceit.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Mechanisch-elektrischer Kraft- oder Druckmeßwandler mit einem unter den Einfluß der zu wandelnden Größe elastisch verformberem Körper, dessen Verformung in entsprechende elektrische Größen verwandeln werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t, daß der elastisch verformbare Körper Bestandteil eines die Frequenz eines Hochfrequenzgenerators bestimmenden elektrischen Hohl- oder Leitungsresonators (1 oder 11) ist und daß die vom Hochfrequenzgenerator erzeugte Frequenz als Maß für die zu wandelnde Größe dient.

2. Kraft- oder Druckmeßwandler nach Anspruch 1, d a d u r c h gek e n n z e i c h ne t, daß zumindest der als elastisch verformbare Körper dienende Bestandteil des elektrischen Hohl- oder Leitungsresonators (1 oder 11) aps mit einer leitenden Metalloberfläche versehenem iiichtmetallischem, anorganischem Werkstoff, z.B. Glaskeramik1 besteht.

3. Kraft- oder Druckmeßwandler nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Frequenz des Hochfrequenzgenerators durch Auszäblen mittels elektronischer Zähler bestimmt wird.

4. Kraft- oder Druckmeßwandler nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Frequenz des Hochfrequenzgenerators vor den Auszählen in einen bestimmten Verhältnis geteilt wird.

5. Kraft- oder Druckmeßwandler nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die von dem Hochfrequenzgenerator erzeugte Frequenz (f 1) mit derjenigen (f2) eines zweiten, von der zu messenden Größe unbeeinflußten Hochfrequenzgenerators gleieher Bauart gemischt wird und daß die sich dabei ergebende Differenzfrequenz (fl-f2) ausgewertet wird.

6. Kraft oder Druckmeßwandler nach Anspruch 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t5 daß der Hohl- oder Leitungsresonator kreiszylindrisch ausgebildet ist.

7. Kraft- oder Druckmeßwandler nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e daß der oder die Hohl- oder Leitungsresonatoren C1 lt, 11) gasdicht abgeschlossen und mit einem Druckauagleichagefüß verbunden sind.

8. Kraft- oder Druckmeßwandler nach Anspruch 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n II z e i c h n e t, daß der zylindrische Teil des Hohlresonators bzw. der äussere zylindrische Teil (10) des Leitungsresonators (11) über die kreisförmigen Abschlußdeckel (12 und 13) hinausragt und als durch die zu wandelnde Größe elastisch verformbarer Körper dient.

L e e r s e i t e