DE2451856A1

DE2451856A1 - Force measurement transducer - has measurement spring directly or indirectly deflected and electric pick-up for display

Info

Publication number: DE2451856A1
Application number: DE19742451856
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr Ing Pavlik
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-10-31
Filing date: 1974-10-31
Publication date: 1976-05-06
Also published as: JPS5168278A

Abstract

The measurement spring is a relatively rigid spring (M') with one end firmly clamped in a frame-like support (T), which also carries a differential electric pick-up's (E) components (W1, W2). Its movable part (Q) is connected with the spring (M'). The distance between the spring's (M') clamped end (N2) and the pick-up components is small in comparison with the spring length (12). For purposes of adjustment the firing point (G2) of the support (T) is movably installed with the complete pick-up system (E) and the deflecting spring (M') so that it can be pushed in at least one direction. In another embodiment the measured force deflects the measurement spring directly.

Description

Kraf-t-Meßumformer Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraft-Neßumformer, mit einer von der zu messenden Kraft direkt oder indirekt beaufschlagten und ausgelenkten Meßfeder und einem die Auslenkung abbildenden elektrischen Abgriffsystem.Kraf-t measuring transducer The invention relates to a force measuring transducer, with one directly or indirectly acted upon and deflected by the force to be measured Measuring spring and an electrical pick-up system that maps the deflection.

Bei derartigen, nach dem Ausschlagsverfahren arbeitenden Geräten, bei denen also die Kraft über einen Weg in ein elektrisches Signal umgeformt wird, sind Meßfeder und Abgriffsystem üblicherweise voneinander räumlich getrennt, jedoch über einen mechanischen Übertragungsweg gekoppelt in einem Gehäuse oder dergleichen angeordnet, so daß parasitäre Umwelteinflüsse, wie mechanische Beanspruchung oder Wärmedehnung des Gehäuses oder der die Elemente des Meßumformers tragenden Grundplatte zu erheblichen Meßwertverfälschungen führen können. Es müssen aufwendige Maßnahmen getroffen werden, um insbesondere auf thermischer Ausdehnung beruhende Fehler in den Griff zu bekommen. Je länger der Übertragungsweg zwischen Angriffspunkt der Meßkraft und dem beweglichen Teil des elektrischen Abgriffsystems ist, um so größer können die Störeinflüsse werden. So ist beispielsweise bei Kraft-Meßumformern, die mit einer Kraftwaage arbeiten, auf deren einen Arm die Meßkraft wirkt und deren anderer Arm entsprechend eine Meßfeder spannt, das notwendige Übertragungsgestänge zu dem elektrischen Abgriff besonders störanfällig.In the case of such devices, which work according to the knockout procedure, in which the force is converted into an electrical signal via a path, measuring spring and pick-up system are usually spatially separated from one another, however coupled via a mechanical transmission path in a housing or the like arranged so that parasitic environmental influences, such as mechanical stress or Thermal expansion of the housing or the base plate supporting the elements of the transmitter can lead to significant falsification of measured values. There have to be complex measures be taken, in particular, to avoid errors due to thermal expansion in to get a grip on it. The longer the transmission path between the point of attack Measuring force and the moving part of the electrical pick-up system is all the greater can be the interference. For example, with force transducers, the work with a force balance on one arm of which the measuring force acts and whose the other arm tensions a measuring spring accordingly, the necessary transmission linkage particularly susceptible to failure in relation to the electrical tap.

Derartige von Umwelteinflüssen herrührende Störungen können bei Anwendung des Kompensationsverfahrens bei Kraft-Neßumformernweitgehend ausgeschaltet werden. Bei dieser Art von Neßumformern wird die an einem Arm eines Kraftwaagebalkens angreifende Meßkraft über ein am anderen Arm des Waagebalkens angreifendes und von einem Wegabgriff gesteuertes elektromagnetisches Tauchspulsystem ausgewogen, wobei der zur Kompensation des von der Meßkraft erzeugten Drehmoments des Waagebalkens durch die Magnetwicklung fließende Strom ein Maß für die Meßkraft ist.Such disturbances resulting from environmental influences can occur during use of the compensation process can be largely switched off in force transducers. In this type of Neßumformern acting on an arm of a force balance beam Measuring force via one on the other arm of the balance beam attacking and balanced electromagnetic moving coil system controlled by a path tap, where the to compensate for the torque of the balance beam generated by the measuring force Current flowing through the magnet winding is a measure of the measuring force.

Nachteilig bei dieser Gerätegattung ist der relativ große Platzbedarf und konstruktive Aufwand für die Einrichtung zur Erzeugung der Kompensationskraft auf elektromagnetischem Wege.The disadvantage of this type of device is the relatively large space requirement and structural effort for the device for generating the compensation force by electromagnetic means.

Es stellt sich somit die Aufgabe, einen Kraft-Meßumformer zu schaffen, der die Vorteile der beiden bekannten Meßverfahren vereinigt, ihre Nachteile jedoch vermeidet.The task is therefore to create a force transducer, which combines the advantages of the two known measuring methods, but their disadvantages avoids.

Eine Lösung der Aufgabe wird in einem Kraft-Meßumformer der eingangs genannten Art gesehen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß als Meßfeder eine relativ steife Biegefeder mit einem Ende in einen, an einem Festpunkt des Gehäuses oder dergleichen befestigten rahmenartigen Träger eingespannt ist, welcher auch die festen Teile des vorzugsweise auf Differenzbildung beruhenden elektrischen Abgriffsystems trägt, dessen beweglicher Teil an der Biegefeder angebracht ist, wobei der räumliche Abstand zwischen dem eingespannten Ende der Biege feder und den Teilen des Abgriffsystems klein ist gegen die freie Länga der Biegefeder.One solution to the problem is in a force transducer of the initially seen mentioned type, which is characterized in that as a measuring spring a relative rigid spiral spring with one end in one, at a fixed point of the housing or like attached frame-like carrier is clamped, which is also the fixed Parts of the electrical tapping system, which is preferably based on difference formation carries, the movable part of which is attached to the spiral spring, the spatial Distance between the clamped end of the bending spring and the parts of the pick-up system is small compared to the free length of the spiral spring.

Damit wird nach dem konstruktiv weniger aufwendigen Ausschlagsverfahren gearbeitet, durch die Anordnung des elektrischen Abgriffsystems in der Nähe des Einspannpunkts der Biegefeder wird jedoch ein mechanisches Verhalten des Abgriffsystems erreicht, welches mehr dem beim Kompensationsverfahren gleicht. Somit ist es auch möglich, dieses kombinierte Biegefeder-Abgriff-System anstelle einer üblichen Einrichtung zur Erzeugung der Kompensationskraft bei einem nach Art eines kraftvergleichenden Meßumformers aufgebauten Gerät zu verwenden, wobei dessen Kraftwaage an das freie Ende der Biege feder kraftschlüssig angekoppelt ist und der Träger in wenigstens einer Richtung zu Justierzwecken verschiebbar befestigt ist.This is after the structurally less complex knockout process worked by placing the electrical tapping system near the The clamping point of the spiral spring is, however, a mechanical behavior of the pick-up system achieved, which is more like the compensation method. So it is possible, this combined spiral spring tap system instead of a conventional device to generate the compensation force in a force comparative type Transmitter built device to use, with its force balance to the free The end of the bending spring is non-positively coupled and the carrier in at least one direction slidably attached for adjustment purposes is.

als elektrisches Abgriffsystem können induktive, lcapazitive oder Dehnungsmeßgeber verwendet werden, bevorzugt in differenzbildender Schaltungsanordnung, um ein stabileres und größeres Meßsignal zu erhalten.inductive, capacitive or Strain gauges are used, preferably in differential circuitry, to get a more stable and larger measurement signal.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur 1 ein herkömmlicher, nach dem Ausschlagsverfahren arbeitender Kraft-Meßumformer schematisch dargestellt.To explain the invention, a conventional, Force transducers working according to the deflection method are shown schematically.

Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Kraft-Meßumformers mit Kraftwaage, Figur 3 ein solches, bei welchem die Meßkraf-t direkt auf die Meßfeder wirkt.FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a force transducer according to the invention with a force balance, Figure 3, one in which the measuring force acts directly on the measuring spring works.

Figur 1: Eine Meßkraft K greift am Ende des einen Arms eines Kraftwaagebalkens B an, welcher in dem als Festpunkt anzusehenden Drehpunkt D gelagert ist. Das andere Ende des Waagebalkens B wird dadurch gegen die Federkraft der dort in Punkt P angekoppelten und sich gegen einen Festpunkt G1 abstützenden Meßfeder M um den Weg S ausgelenkt. Diese Auslenkung wird über ein Gestänge, hier vereinfacht durch die Koppelstange L dargestellt, auf dem beweglichen Teil Q eines elektrischen Abgriffsystems L über-tragen, das hier als Differenzinduktivität mit einander gegenüberliegenden festen Teilen, den Wicklungen W1 und W2 in einem mit einem anderen Festpunkt G2 verbundenen Träger T gelagert ist. Die Wicklungen W1 und W2 sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers V verbunden, an dessen Ausgang ein dem Weg S proportionales elektrisches Signal auftritt und mit dem Instrument A angezeigt wird. Es ist offensichtlich, daß die aufgrund mechanischer oder thermischer Spannungen sich ändernden Abstände zwischen den Festpunkten G1, G2 und,D bzw. der an ihnen befestigten Teile des Meßumformers sowie die unter den genannten Einflüssen sich ändernde Länge der Koppelstange L schwer beherrschbare Fehlerquellen sind.Figure 1: A measuring force K engages at the end of one arm of a force balance beam B, which is mounted in pivot point D, which is to be regarded as a fixed point. The other The end of the balance beam B is thus coupled against the spring force of the point P there and deflected by the distance S against a fixed point G1 supporting measuring spring M. This deflection is made easier by a linkage, here by the coupling rod L shown on the moving part Q of an electrical pick-up system L, that here as differential inductance with opposing fixed parts, the windings W1 and W2 in a carrier connected to another fixed point G2 T is mounted. The windings W1 and W2 are connected to the inputs of a differential amplifier V connected, at the output of which is an electrical signal proportional to the path S. occurs and is displayed on the instrument A. It is obvious that the due to mechanical or thermal stresses changing distances between the fixed points G1, G2 and, D or the parts of the transducer attached to them and the length of the coupling rod L, which changes under the influences mentioned are sources of error that are difficult to control.

Figur 2: Der hier dargestellte Kraft-Meßumformer weist einen ähnlichen Aufbau auf wie der in Figur 1, gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Meßfeder besteht jedoch hier erfindungsgemäß aus einer relativ steifen Biegefeder M', deren freies Ende Ni über ein kurzes Koppelelement L' kraftschlüssig mit dem Ende P des Kraftwaagebalkens B verbunden ist, während ihr anderes Ende N2 in einem rahmenartigen Träger T gelagert ist, der an zwei Schenkeln einander gegenüberliegend die Wicklungen Wi und W2 eines bereits bei Figur 1 beschriebenen induktiven Differenzabgriffs trägt, dessen beweglicher Teil Q nunmehr an der Biegefeder M' angebracht ist, und zwar in der Nähe ihres eingespannten Endes N2, so daß das Verhältnis des Abstands 1 der Teile des Abgriffsystems E vom eingespannten Ende N2 zu der freien Länge 12 der Biegefeder M' klein ist.Figure 2: The force transducer shown here has a similar one Structure as that in Figure 1, the same parts are with the same reference numerals marked. According to the invention, however, the measuring spring consists of a relative stiff spiral spring M ', the free end of which Ni via a short coupling element L' frictionally is connected to the end P of the force balance beam B, while its other end is N2 is mounted in a frame-like carrier T, which is opposite to each other on two legs the windings Wi and W2 of an inductive differential tap already described in FIG carries, the movable part Q is now attached to the spiral spring M ', and although in the vicinity of their clamped end N2, so that the ratio of the distance 1 of the parts of the tap system E from the clamped end N2 to the free length 12 the spiral spring M 'is small.

Zu Justierzwecken kann der Festpunkt G2 des Trägers T mit dem gesamten Abgriffsystem'E und der Biegefeder M' in mindestens einer Richtung verschiebbar angeordnet sein, was durch den Doppelpfeil angedeutet ist.For adjustment purposes, the fixed point G2 of the carrier T with the entire Abgriffsystem'E and the spiral spring M 'displaceable in at least one direction be arranged, which is indicated by the double arrow.

In Figur 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Meßkraft K direkt auf das freie Ende der Biegefeder M' wirkt, welche in der in Figur 2 dargestellten Weise eingespannt und angeordnet ist. Als Abgriffsystem E ist hier ein Differentialkondensator verwendet, dessen feste Teile, die Elektroden C1 und C2, am Träger T und dessen Mittelelektrode als bewegliches Teil Q an der Biegefeder M' befestigt ist.In Figure 3, another embodiment is shown in which the measuring force K acts directly on the free end of the spiral spring M ', which in the is clamped and arranged in the manner shown in FIG. As a pick-up system E here a differential capacitor is used, its fixed parts, the electrodes C1 and C2, on the carrier T and its center electrode as a movable part Q on the Spiral spring M 'is attached.

Es lassen sich auf diese Weise sehr kompakte Kraft-Meßumformer herstellen, die den Anforderungen an geringen Raumbedarf genügen und aufgrund der Anordnung ihres Abgriffsystems und der Meßfeder von parasitären Störeinflüssen, die von mechanischer oder thermisch bedingter Dehnung der Materialien von Gehäuse und Grundplatte herrühren, wenig beeinflußt werden.Very compact force transducers can be produced in this way, which meet the requirements for small space requirements and due to the arrangement their pick-up system and the measuring spring from parasitic disturbances caused by mechanical or thermal expansion of the materials of the housing and base plate, are little influenced.

2 Patentansprüche 3 Figuren2 claims 3 figures

Claims

Claims 1. Force transducer with one of the to be measured Force directly or indirectly applied and deflected measuring spring and a die Deflection mapping electrical pick-up system, characterized in that as Measuring spring (M) a relatively stiff spiral spring (M ') with one end (N2) in one a fixed point (G2) attached frame-like carrier (T) is clamped, which also the fixed parts (W1, W2; Cl, C2) of the preferably based on difference formation electrical pick-up system (E), whose moving part (Q) with the spiral spring (M ') is connected, the spatial distance between the clamped end (N2) the spiral spring (M ') and the parts of the pick-up system (E) is small against the free length (12) of the spiral spring (M ').

2. Force transducer according to claim 1, characterized by its Use instead of a compensation device in a force comparator Transmitter, the force balance of which is frictionally connected to the free end (N1) of the spiral spring (M ') is coupled and the carrier (T) on its fixed point (G2) for adjustment purposes is attached displaceably in at least one direction.

L e r s e i t e