DE2262032C3 - Elektromechanischer Kraft- oder DruckmeBwandler - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Kraft- oder Druckmeßwandler mit einem unter dem Einfluß der zu messenden Größe elastisch verformbaren Körper, dessen Verformung in entsprechende elek trische Größen verwandelt wird, wobei der elastisch verformbare, für die Wandlung seiner Verformung in entsprechende elektrische Größen ausgestattete Körper aus Glaskeramik besteht.

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 die 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 sorgfältig aufeinander abzustimmen. Die trotzdem bei den Meßwandlern noch vorhandenen Fehler und die Abweichungen zwischen gleichartig aufgebauten Meßwandlern untereinander müssen in jedem Einzelfall gesondert abgeglichen werden.

Durch die DT-OS 20 07 447 und das französische Patent 13 56 955 ist ferner eine Einrichtung bekannt, bei der der elastisch verformbare Körper als Hohlraumresonator ausgebildet ist, der die Frequenze eines Mikrowellengeneratorc steuert und die von ihm erzeugte Frequenz als Maß für die zu messende Kraft oder den Druck dient. Die durch ihermische Ausdehnung bewirkte Frequenzänderung wird dabei durch die Frequenz eines zweiten entsprechend aufgebauten Mikrowellengenerators kompensiert, der unbeeinflußt von der zu messenden Kraft oder dem Druck bleibt. Bei diesen bekannten Einrichtungen ist dazu z. B. durch Unterbringung der Hohlraumresonato<en in einem metallischen Block für gleiche Temperatur beider Hohlraur.isesonatoren gesorgt.

Die bekannten Meßwandler haben den Nachteil, daß sie bei kleinen Belastungen, im sogenannten Mikro-Feinbereich Fehler zeigen. Sie sind darauf zurückzuführen, daß bei den üblichen elastisch verformbaren Körpern aus Metall im Bereich kleiner Belastungen das Hookesche Gesetz nur annähernd erfüllt wird. Weitere Ungenauigkeiten ergeben sich bei Verwendung von Dehnungsmeßstreifen durch den zum Befestigen des Dehnungsmeßstreifens auf dem elastisch verformbaren Körper benutzten Klebstoff.

Durch das ältere Patent (Patentanmeldung P 2146 339.8 - 52) ist vorgeschlagen worden, als Werkstoff für den mit Dehnungsmeßstreifen versehenen elastisch verformbaren Körper Glaskeramik zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraft- oder Druckmeßwandler mit einem unter dem Einfluß der zu messenden Größe elastisch verformbaren Körper, dessen Verformung in entsprechende elektrische Größen verwandelt sind und der aus Glaskeramik besteht, so weiterzubilden, daß auch kleine Verformungen des Körpers gemessen werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der elastisch verformbare Körper ein Hohlzylinderstück mit zum Zylinder senkrechten und ebenen Abschlußdeckeln ist, daß dieser Körper ein die Frequenz eines Hochfrequenzgenerators bestimmender elektrischer Mikrowellengenerator ist und daß die Auswerteinrichtung derart ausgebildet ist, daß die Frequenz des Resonators gemessen werden kann.

Die mit derartigen Kraft- oder Druckmeßwandlern erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß praktisch keine Temperaturfehler auftreten und jeglicher Aufwand für deren Kompensation entfällt. Schwierigkeiten, die beim Abgleich von Dehnungsmeßstreifen auftreten, können entfallen.

Da Glaskeramik wegen ihres besonders gearteten feinkristallinen Aufbaus auch bei sehr kleinen Belastungen, d. h. bei Verwendung im Mikro-Feinbereich dem Hookeschen Gesetz folgt, kann ein und derselbe Kraft- oder Druckmeßwandler in einem außerordentlich großen Bereich, d. h. von Belastungen im Mikro-

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Feinbereich bis in die Nähe der Bruchgrenze verwendet werden, wobei in diesem ganzen Bereich Linearität /wischen der Belastung des elastisch verformbaren Körpers und seiner Formänderung besteht. Eine hohlzylindrische Form läßt einerseits die volle Ausnützung der Druckfestigkeit der Glaskeramik zu und ergibt andererseits einen linearen Zusammenhang zwischen Verformung und Frequenz des Mikrowellengencr.itors.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt. ,0

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Kraft- oder Druckmeßwandler, der zwei Hochfrequenzgeneratoren aufweist, deren Frequenz von Hohlraumresonatoren bestimmt wird und F i g. 2 einen anderen Hohlraumresonator.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung werden zwei Hochfrequenzgeneraloren verwendet. Ihre Frequenzen werden durch die Hohlraumresonatoren 1 und Γ bestimmt. Ihnen ist je eine Gunn- oder Read-Diode 2 bzw. 2' zugeordnet. Sie sind mittels der Leitungen ? und 4 bzw. 3' und 4' lose mit den Hohlraumresonatoren 1 bzw. Γ gekoppelt. Die Batterie 5 bzw. 5' versorgt die Diode 2 bzw. 2' über eine Induktivität 6 bzw. 6' mit der zum Betrieb der beiden Hohlfrequcnzgeneratorcn notwendigen Gleichspannung.

Die kreiszylindrischen Hohlraumresonatorcn 1 und Γ (Zylinderstücke 16, 16') sind derart ausgebildet daß eine auf ihre obere Abschlußdeckel 7 bzw. T wirkende Kraft P bzw. P' im wesentlichen nur die Abschlußdekkel 7 bzw. 7' verformt und dadurch das Volumen des Hohlraumrcsonators und somit seine Eigenfrequenz verändert wird. Weist der Hohlraumresonator 1 unter dem Einfluß der auf seine Abschlußdecke! 7 wirkenden Kraft Peine Eigenfrequenz /und der Hohlraumresonator Γ unter dem Einfluß der Kraft P' die Eigenfrequenz /' auf, so entspricht die Differenzfrequenz (f-f) dem Unterschied der Kräfte Pund P'.

Eine dieser beiden Kräfte wird zweckmäßig als willkürlich, z. B. durch einen einstellbaren Federdruck und die andere Kraft durch die in eine elektrische Größe zu wandelnde Kraft dargestellt. Die willkürlich einstellbare Kraft kann z. B. dazu dienen, die Eigenfrequenz /' des Hohlraumresonators 1' auf die des unbelasteten Resonators 1 derart abzugleichen, daß sich eine bestimmte Differenz ergibt. Wird unter dem Einfluß der Kraft Pdie Eigenfrequenz des Ho'hlresonators 1 verändert und ergibt sich dadurch seine Eigenfrequenz / so entspricht die Differenzfrequenz (f-f) der Kraft P. Die Verwendung der Differenzfreqlienz (f-f) an S'.elle der Eigenfrequenz /des Hohlraumresonators 1 als Maß für die auf ihn einwirkende Kraft P hat verschiedene Vorteile.

Man kann dadurch / B. die Differenzfrequenz in den Megahertz-Bereich verlegen, um sie mit gebräuchlichen digitalen Zählern zu messen, was im Gigahertz-Bereich, in dem Γ liegt, nicht möglich sein wurde. Außerdem kann die willkürlich einstellbare Kraft zur Kompensation der Tara dienen. Der Einfluß dex Luftfeuchtigkeit auf die Eigenfrequenz Jer Hohlraumresonatoren ist durch luftdichten Ab'.chluß der Resonatoren auszuschalten. Schwankungen des Luftdruckes wirken sich in gleichem Maße auf die Eigenfrequenz beider Resonatoren aus. Durch die Bildung der Diffcrenzfrequenz heben sich diese Fehler dann auf.

In dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Differenzfrequenz (f — f) dadurch gebildet, daß die beiden Frequenzen /und /' in der Mischstufe 8 überlagert und gleichgerichtet werden. Die sich dabei neben der Summenfrequenz (/+ /') ergebende Differenzfrequenz (/ — /') wird dem Zähler 8 zugeführt. Bei geeigneter Bemessung der Abschlußdeckel 7 und T ist die Differenzfrequenz (f — /') der zu wandelnden Kraft oder dem Druck in bestimmten Grenzen mit nur sehr kleinen Fehlern proportional.

Diese Grenze und die Belastbarkeit der Kraft- oder Druckmeßwandlers können dadurch erweitert werden, daß die zu wandelnde Kraft in axialer Richtung allein in den kreiszylindrischen Mantel des Hohlraumresonators eingeleitet wird, wodurch nur er als elastisch verformbarer Körper dient.

Dadurch wird erreicht, daß nur axial gerichtete Zugoder 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 F i g. 2 dargestellten Ausfiihrungsbeispiel ist der äußere Mantel 10 des Hohlraumresonalors 11 über die Abschlußdeckel 12 und 13 hinaus verlängert. Die zu wandelnde, durch die Pfeile Q dargestellte Kraft wird an der kreisringförmigen Abschlußfläche 14 eingeleitet, wobei sich der Hohlraumresonator 11 mit der gegenüberliegenden Abschlußflächc 15 abstützt.

Die Eigenfrequenz eines Hohlraumresonators liegt wesentlich tiefer als diejenige eines Hohlrauniresonators etwa gleicher Abmessung. Aus diesem Grunde erübrigt es sich, die von ihm bestimmte Frequenz des Hochfrequenzgenerators durch Teilung oder Bildung einer Differenzfrequenz herabzusetzen. Der zweite Hochfrequenzgenerator kann daher entfallen. Damit sich dann Luftdruckschwankungen nicht auf die Eigenfrequenz des gasdicht abgeschlossenen Hohlraumresonator auswirken können, wird er in an sich bekannter Weise mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Druckausgleichsgefäß versehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektromechanischen Kraft- oder Druckmeßwandler mit einem unter dem Einfluß der zu messenden Größe elastisch verformbaren Körper, dessen Verformung in entsprechende elektrische Größen verwandelt wird, wobei der elastisch verformbare für die Wandlung seiner Verformung in entsprechende elektrische Größen ausgestattete Körper aus Glaskeramik besteht nach Patent (P 21 46 339.8-52), dadurch gekennzeichnet, daß der elastisch verformbare Körper ein Hohlzylinderstück (10; 16, 16') mit zum Zylinder senkrechten und ebenen Absdilußdeckeln (32, 13; 7, 7') ist, daß dieser Körper ein die Frequenz eines Hochfrequenzgenerators bestimmender elektrischer Mikrowellenresonator (1, 11) ist und daß die Auswerteinrichtung derart ausgebildet ist, daß die Frequenz des Resonators gemessen werden kann.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator kreiszylindrisch ausgebildet ist.

3. Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (1, 11) gasdicht abgeschlossen und mit einem Druckausgleichsgefäß verbunden ist.

4. Meßwandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzyünder (10) jeweils über die kreisförmigen Abschlußdeckel (12, 13) hinausragt.

5. Meßwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung aus einem elektronischen Zähler besteht.

6. Meßwandler nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hochfrequenzgenerator und dem elektronischen Zähler ein Frequenzteiler geschaltet ist.

7. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 40, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer Differenzfrequenz (/1-/2) aus der vom Hochfrequenzgenerator erzeugten Frequenz (Λ) und einer zweiten Frequenz (/2) ein von der zu messenden Größe unbeeinflußter, zweiter Hochfrequenzgenerator (V) gleicher Bauart vorgesehen ist.