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Mechenisch-elektrischer Kraft- oder Druckmeßwandler.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Es zeigen: Fig.1 einen Kraft- oder Druckmeßwandler, der zwei Hochfrequenzgeneratoren
aufweist, deren Frequenz von Hohlresonatoren bestimmt wird und Fig.2 einen Leitungsresonator.
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Bei der in Fig.l dargestellten Anordnung werden zwei ffochfrequenzgeneratoren
verwendet. Ihre Frequenzen werden durch die Hohlresonatoren 1 und 1' bestimmt.
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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.
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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.
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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'.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.