DE2340969A1 - Kraftmesser, insbesondere waage - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELISCHAPT München, den 13.AUG. 1973 Berlin und München Wittelsbacherplatz

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Kraftmesser, insbesondere. Waage

Die Erfindung betrifft einen Kraftmesser, insbesondere eine Waage, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genauer erläutert wird.

Eine Aufgabe des Kraftmessers nach der Erfindung ist es, bei der Messung, z. B. der "Bestimmung von Personenoder Lebensmittelgewichten, als Ergebis ein digitales Signal zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen wie eingangs genannten Kraftmesser, dessen erfindungsgemäße Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruches 1 beschrieben ."sind.

Bei bisher bekannt gewordenen Waagen, die piezoelektrische Effekte benutzten, wirkt die zu messende Kraft statisch auf einen piezoelektrischen Körper ein. Dieser wird von der Kraft zusammengedrückt. Die dadurch veränderten elektrischen Felder an der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers können gemessen werden und sind ein Maß für die einwirkende Kraft. Der piezoelektrische Körper darf im Laufe der Zeit seine Eigenschaften nicht durch Alterungseffekte verändern. Deshalb kommen für solcheine bekannte Messanordnung praktisch nur Quarzkristalle in Frage. Diese Kristalle sind jedoch relativ teuer und außerdem liefern sie ein sehr kleines Messignal.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich bei

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Federelementen die Frequenz der mechanischen Resonanz-Schwingungen in Abhängigkeit von der Federspannung ändert. Die Resonanzfrequenzen sind also Funktionen der zu messenden Kraft.

Torteilhaft dienen zur Anregung "bzw. Messung dieser Resonanzschwingungen piezokeramische Wandler. Diese sind außerordentlich preisgünstig herzustellen, außerdem erzeugen sie verhältnismäßig starke elektrische Wechselfelder. Bei dem Kraftmesser nach der Erfindung stören Alterungsprozesse in der Piezokeramik nicht, denn es ändern sich durch öle Alterung nur die absoluten Feldstärken, die bei Schwingungen des piezokeramischen Körpers auftreten.

Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele für die Erfindung beschrieben:

Abbildung 1 zeigt eine Anordnung, bei der eine Blattfeder 1 in einer Halterung 2 einceitig eingespannt ist. Auf das freie Ende der Feder wirkt direkt oder über Übertragungselemente, die der Übersichtlichkeit halber in der Figur nicht dargestellt sind, die zu messende Kraft F. Entsprechend· der Größe der Kraft F wird die Feder mehr oder weniger stark gekrümmt. Vorzugsweise in etwa der Mitte des Bereiches-der Blattfeder, der zwischen der Halterung 2 und dem Angriffspunkt der Kraft F liegt, ist der piezokeramische Wandler 3 aufgeklebt. Dieser Wandler kann durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die Elektroden 4 und 5 zu Längsschwingungen erregt werden. Die Schwingungsrichtung des piezokeramiochen Wandlers entspricht der zeichnungsgemäßen Querrichtung der Blattfeder. Dadurch daß der piezokeramische Wandler auf der Blattfeder festgeklebt ist, erhält man eine Anordnung, die einem Biege3chwinger gleicht: Wird der piezokeramische Wandler zu Schwingungen ange-

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regt, so vergrößert bzw. verkleinert er seine Länge und verbiegt damit die Blattfeder etwas in Querrichtung. Die Resonanzfrequenz dieser Biegeschwingung der Blattfeder in Querrichtung ist eine Funktion der Größe der einwirkenden Kraft F. über die Elektroden ist der piezokeramische Wandler als frequenzbestiminendes Bauteil in einem Oszillator einkoppelbar. Damit wird automatisch die jeweilige Resonanzfrequenz erzeugt. Durch Frequenzzählung erhält man dann das gewünschte digitale Signal.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsmöglichkeit für einen erfindungsgemäßen Kraftmesser ist in der Figur 2 gezeigt. Hier wird das Federelement durch eine Saite 10 gebildet. Diese Saite ist zwischen einem festen Lager 20 und einem Hebel 21 eingespannt. Die Resonanzfrequenz der Saite hängt von der Kraft F ab, die an dem freien Ende des Hebels eingreift. Zur Schwingungsanregung können piezokeraraische V/andler verwandt werden,wie sie in den Abbildungen 3 bis 5 beispielsweise dargestellt sind und weiter unten beschrieben werden. Zwischen der Kraft F, die die Saite spannt, und der Resonanzfrequenz ν der Saite ergibt sich ein quadratischer Zusammenhang der Form:

V =

l.d

TT 3

Dabei steht 1 für die Länge der Saite, d für den Durchmesser der Saite und ^ für die Dichte des Materials, aus dem die Saite hergestellt ist. Um eine Größe zu erhalten, die zur Differenz einer ersten Kraft F₁ und einer zweiten Kraft Fp proportional ist, muß man den Wert

bilden. Dies ist eine Operation, die mit entsprechenden VPA 9/710/3115 509809/0502

handelsüblichen integrierten Schaltungen ausgeführt werden kann. Dabei handelt es sich um sogenannte Quadrierglieder.

Gemäß Abbildung 3 ist an der Halterung 20 ein piezokeramischer Biegewandler 30 befestigt, der aus einer Metallamelle 31 und einer Lamelle 32 aus Piezokeramik besteht. An einem Ende des Biegewandlers ist die Saite 10 befestigt. Die Längsachse des Wandlers fällt mit der Zugrichtung der Saite zusammen.

In der Abbildung 4 weist die Halterung 20 eine Bohrung auf, in der gleich einer Brücke der Biegewandler 300 verankert ist. Dieser besteht aus einer Metallscheibe 301 und einer Scheibe 302 aus Piezokeramik. Die Metallbeilagscheibe 303 verhindert, daß die Saite mit ihrer Verankerung die Piezokeramik beschädigt. Die Saite ist etwa mittig an dem Biegewandler verankert;.

In der Figur 4 weist die Halterung 20 wiederum eine Bohrung auf, durch die die Saite gezogen ist. Diese ist in einem Druckstempel 3003 verankert. Zwischen dem Druckstempel und der Halterung liegt ein piezokeramischer Dickenschwinger 3000. Die Richtung der Dickenschwingung entspricht der Zugrichtung der Saite.

Schwingungen der Saite übertragen sich also bei den Konstruktionen, wie sie in diesen Abbildungen dagestellt sind, als Biege- bzw. Dickenschwingung auf einen piezokeramischen Wandler.

Es ist ersichtlich, daß die dargestellten piezokeramischen Wandler alternativ oder zusätzlich auch an den Hebelarm 21, vergleiche Figur 2, angeordnet sein können.

Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung eine Waage,

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die nach der Erfindung arbeitet, wobei eine wie in den Figuren 2 bis 5 dargestellte Saite verwendet wird. Das zu wägende Gewicht G liegt auf einer Druckplatte 40, die über ein an sich bekanntes Hebelsystem 41, 42 auf einen Winkel 43 wirkt. Dabei hat eine Verschiebung des Gewichtes auf der Druckplatte keinen Einfluß auf die Kraft, die am Winkel 43 an dem Gelenk 431 angreift. Der Winkel 43 ist mit der starren Achse 432 beweglich drehbar verankert. Zwischen...dem Winkel und dem Gehäuse 44 ist die Saite 10 gespannt, die beidseitig über piezokeramische Wandler, wie sie in Abbildung 5 dargestellt sind, gehaltert ist. Durch eine Vorspannfeder 45 wird die Saite vorgespannt. Die piezokeramischen Wandler sind in einen Oszillator einkoppelbar, somit wirkt die Saite als frequenzbestimmendes Glied des Oszillators. Bei unbelasteter Waage hat die Saite die Resonanzfrequenz ν , liegt ein Gewicht auf, so hat die Saite die Resonanzfrequenz ν . Zur Vermeidung von Meßfehlern durch ·Oberschwingungen des Federelementes benutzt man nötigenfalls eine selektive Rückkoppelungselektronik. Die Frequenz der Seite soll möglichst weit von der Frequenz der Gehäuseschwingungen liegen.

Abbildung 7 zeigt anhand eines Blockdiagramms wie die Schwingungsfrequenz der Saite in die digitale Anzeige umgesetzt wird: Die piezokeramischen Wandler 100 sind mit einem Oszillator 101 rückgekoppelt. Damit wird automatisch die jeweilige Resonanzfrequenz der Saite erzeugt. Diese Frequenz wird in einem Frequenzzähler 102 gezählt. In einem Quadrierglied 103 werden dieser Zahlenwert quadriert und von diesem quadrierten Zahlen-

wert ν subtrahiert. Der so erhaltene Wert wird in die ο

Digitalanzeige 104 gegeben, wo er als eine Maßzahl für Gewichte angezeigt oder ausgedruckt wird.

2 Patentansprüche
7 Figuren

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   My Kraftmesser, insbesondere Waage, bei dem die zu messende Kraft auf ein mechanisches Federelement wirkt und dessen mechanische Spannung verändert, dadurch gekennzeichnet , daß ein piezoelektrischer Wandler direkt oder mittels Übertragungselemente an das Federelement angekoppelt ist, so daß das Federelement zu mechanischen Resonanzschwingungen erregt werden kann, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der der Wandler automatisch mit einer solchen Wechselspannung versorgt werden kann, deren variable Frequenz der jeweiligen, von der mechanischen Spannung des Federelementes abhängigen, mechanischen Resonanzfrequenz des Federelementes entspricht, und daß ein Frequenzmesser zur Messung dieser jeweiligen Resonanzfrequenz vorgesehen ist.
2. 2. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Federelement eine Saite ist , die mit zumindest einem ihrer Enden an den piezoelektrischen Wandler angekoppelt ist.

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