DE2507775A1

DE2507775A1 - Kraftmesser

Info

Publication number: DE2507775A1
Application number: DE19752507775
Authority: DE
Inventors: Raymond Patrick Dunne
Original assignee: DUNNE RAYMOND P?
Current assignee: DUNNE RAYMOND P?
Priority date: 1974-02-22
Filing date: 1975-02-22
Publication date: 1975-08-28
Also published as: GB1500366A; JPS50136078A; JPS5822970B2

Description

Patentanwälte '

Lpl.-Phys. Jürgen WEISSE - Dipl.-Chem. Dr. Rudolf WOLGAST

562O Velbert 11 - Langenbeig - bökenbusch 41 Postfach 11 03 86 - Tel (0212?) 4019 - Telex 8516895

Patentanmeldung

Kaymond Patrick Dunne 21 Park Street, Peakhurst bei Sydney, NSW, Australien

Kraftmesser

Die Erfindung betrifft einen Kraftmesser mit einer Einrichtung mit einem Schwingkörper, durch die eine gemessene Eingangsgröße in eine Ausgangsgröße in Form einer Frequenz oder zeitlichen Periode umgewandelt wird.

Bekannte Schwingkörpervorrichtungen dieser Art bestehen aus einem in axialer Richtung oder fast in axialer Richtung belastbaren Glied, dessen Enden in einer solchen Weise ausgebildet sind, daß sie Wellen^rirksam reflektieren. . Es sind geeignete Mittel vorgesehen, um in dem Schwingkörper Querschwingungen zu erzeugen und gegebenenfalls auch aufrecht zu erhalten, und zwar in einer solchen Weise, daß stehende Wellen entstehen, deren Frequenz oder Schwingungsperiode als ein Maß für die axial wirkende Kraft dient. Nimmt man dabei an, daß die Axiallänge im wesentlichen konstant bleibt, so bestimmt sich die Frequenz oder Schwingungsperiode für einen vorgegebenen Schwingkörper aus der axialen Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Querwelle. Diese Fortpflanzungsgeschwindigkeit wiederum wird durch die Axialspannung bestimmt, so daß darüber die Schwingungsfrequenz oder -periode mit der Spannung zusammenhängt. Soweit als möglich sind dabei die Mittel zur Erzeugung der Schwingung so eingerichtet, daß der Schwingkörper mit seiner Resonanzfrequenz oder einer Harmonischen dazu schwingt.

Die Schwingungserregung kann kontinuierlich oder intermittierend erfolgen und dementsprechend auch die Messungen der entstehenden Frequenz oder Schwingungsperiode; falls

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die Erregung und Messung intermittierend erfolgt, können Mittel vorgesehen werden, durch die die Erregung und die Messung gleichphasig oder in Gegenphase durchgeführt werden. Die Erregung der Schwingung und die Messung können durch gesonderte oder auch durch kombinierte Einrichtungen vorgenommen werden. Obgleich die physikalische Verlagerung eines Schwingkörpers in Form eines Drahtes im Kern sinusförmig ist, kann die Erregungsenergie sinusförmig, impulsartig, rechteckförmig, sägezahnartig oder noch komplizierter verlaufen. Die Schwingungsamplitude kann automatisch stabilisiert werden.

Einige Typen von Schwingkörperri unterscheiden sich von anderen Resonanzschwingkörpern darin, daß sie keine vorgegebene Steifheit besitzen, so daß die Resonanzfrequenz hauptsächlich durch die Axialspannung, die Länge zwischen den Wellenreflektoren und die Verteilung der Masse auf die Längeneinheit des Körpers in bekannter Weise bestimmt ist. Die Schwingkörper können im wesentlichen nicht mit Erfolg zur Messung von Axialkräften zu Resonanzschwingungen angeregt werden, wenn die Axialkräfte nahe Null sind; sie werden dann vorgespannt, so daß diese Bedingung niemals eintreten oder erreicht werden kann, wenn die Vorspannung durch das Anlegen der zusätzlichen axial wirkenden Kraft, die gemessen werden soll, geändert wird. Entsprechend der Anlage der zusätzlichen Kraft kann sich diese negativ oder positiv (oder auch beides) der Vorspannung addieren.

Die Brauchbarkeit der vorstehend beschriebenen Messmethode wird durch den Kompromiß beeinflußt, der hinsichtlich des Verhältnisses zwischen der Vorspannung und der zusätzlichen zu messenden Kraft getroffen werden muß.

Bei einer Vorrichtung, bei der die Vorspannung im Verhältnis zur zusätzlichen zu messenden Kraft groß ist, kaiiiu^dlie Axiallänge zwischen den Wellenreflektoren im wesentlichem als

konstant und unabhängig von der zu messenden Kraft angesehen •werden, und es reicht normalerweise aus, die Schwingungsfrequenz oder -periode, allgemein mit einer digitalarbeitenden Einrichtung, zu messen, und den Messwert zu quadrieren. Der so erhaltene Messwert kann dann, im allgemeinen durch eine digital durchgeführte arithmetische Subtraktion, um die Komponente der Frequenz oder Schwingungsperiode korrigiert werden, die sich aus der Vorspannung ergibt. Der sich so ergebende dritte Wert stellt in brauchbarer Weise die zu messende Kraft dar. Methoden dieser Art sind auf diesem Gebiet tätigen Fachleuten geläufig.

Bei weiteren, ebenfalls bekannten Einrichtungen ist die Vorspannung im Verhältnis zu der zusätzlichen zu messenden Kraft noch höher gewählt, so daß der Fehler in dem sich ergebenden Restwert aus der Annahme, daß die Axiallänge im wesentlichen von der zu messenden Kraft unabhängig ist, sogar noch geringer^--TDarüber hinaus ist die Änderung der Frequenz oder Schwxngungsperiode bei Anlegen der zu messenden Kraft oft hinreichend klein, so daß im Interesse der Vereinfachung die Annahme gemacht werden kann, daß die Änderung in der Frequenz oder in der Schwxngungsperiode linear mit der zu messenden Kraft erfolgt. Dadurch wird die digitale Verarbeitungseinrichtung weniger komplex, die sonst auf der korrekteren Basis einer quadratischen Beziehung arbeiten muß.

Jedoch ist auch der Aufbau von solchen Einrichtungen mit einer Vorspannung, die gegenüber der zu messenden Kraft hoch oder sehr hoch ist, nicht ohne Nachteile. Das Anlegen einer von Null verschiedenen Vorspannung schließt generell mit ein, daß der Wert der zu messenden Kraft aus der Differenz der Frequenzen oder Schwxngungsperioden bei der Vorspannung allein

-4-cnoooc /(1TJi;

und unter der Gesamtbelastung abgeleitet werden muß. Bei den genannten großen oder sehr großen Verhältnissen ist somit die Messung eines kleinen Restwertes durch die Subtraktion von zwei Größen erforderlich, die sich in ihrer Größe nahekommen. Die Gefahren und Unbestimmtheiten einer solchen Technik sind überall im Bereich der Messtechnik und anderer physikalischer Wissenschaften bekannt, und die Anwendung einer solchen Technik auf Kraftmesser mit Schwingkörpern bildet dazu keine Ausnahme.

Insbesondere wird in den Restwert jede Änderung in der Bezugsfrequenz oder Bezugsschwingungsperiode als Fehler eingehen, und es sind eine Reihe von Effekten bekannt, die zu solchen Änderungen beitragen. Die Änderungen treten in allen praktisch verwendeten Systemen auf, jedoch vergrößern sich ihre Wirkungen technisch bei den genannten großen Verhältnissen und bewirken einen beträchtlichen Fehler in der gemessenen Differenzgröße, d.h. es besteht ein beträchtlicher Unterschied zwischen dem wahren Wert der zusätzlichen zu messenden Kraft und dem Wert, der sich aus der Differenzmessung ergibt.

Andererseits hat die Verwendung eines niedrigen Vorspannungsverhältnisses mit Vorspannungen bei oder gleich Null bei anderen Typen von Kraftmessern den Vorteil, daß die vorgenannten Messfehler sehr klein werden; notwendigerweise treten aber dann in der Praxis beträchtliche Änderungen in der wirksamen Axiallänge zwischen den Wellenreflektoren auf, die sich aus der normalen Ausdehnung nach dem Hooke¹sehen Gesetz ergeben, sowie weitere Veränderungen, die sich aus der Änderung der Axiallast ergeben, wenn die zu messende Kraft angelegt wird. Weitere Veränderungen bestehen in der Verschiebung des äquivalenten Wellenreflektionspunktes, die hervorgerufen wird durch praktische Unvollkommenheiten wie die Steifheit des Schwingkörpers an seinen Enden und den nicht idealen Übergang zwischen dem Schwingkörper und dem Wellenreflektor. Schwingkörper für niedrige Vorspannungsverhältnisse können so ausgebildet werden,

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daß sie eine hohe Stabilität für Messungen bei allen innerhalb des Messbereiches liegenden Kräften besitzen. Ihre Brauchbarkeit bei hoher geforderter Präzision wird jedoch dadurch beträchtlich eingeschränkt, daß infolge der Änderung der Äquivalenzlänge die Differenz-Restwert-Bestimmung versagt, die auf dem einfachen Quadrierungs- und Subtraktionsprozess beruht, wie er vorher beschrieben wurde, um die zu messende Kraft linear mit einer Genauigkeit wiederzugeben, die mit der erreichbaren Stabilität vergleichbar ist. Bei vielen Anwendungen ist aber gerade eine lineare Darstellung sehr erwünscht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bezieht sich darauf, in die digitalen Quadrierungs- und Subtraktionsvorrichtungen automatische Korrekturglieder einzuführen, die geeignet sind, die Fehler minimal zu halten, die sonst aus der Abhängigkeit der Äquivalenzlänge von der axialen Gesamtbelastung entstehen. Solche Glieder reichen aus, um die Abweichungen von der Linearität zu verbessern, und eine solche Verbesserung vergrößert den Anwendungsbereich solcher Resonatoren in großem Umfang.

Die Messmethode setzt das Vorhandensein eines Resonators hinreichender Stabilität für ein niedriges Vorspannungsverhältnis voraus, bei dem die Frequenz- oder Schwingungsperiodenmessung in einer Weise weiter verarbeitet werden kann, die den vorgenannten Linear!tätsfehler auf ein Minimum bringt.

Bei vielen meßtechnischen Anwendungen - nicht nur bei Kraftmessungen oder digitalen Meßeinrichtungen - wird oft ein Ausgangssignal auch in Abwesenheit eines Eingangssignals erhalten, welches die Meßvorrichtung eigentlich quantitativ angeben soll. Es ist allgemein üblich, dafür Mittel vorzusehen, die einen Null-Abgleich des Ausgangssignals möglich machen bzw. eine solche Veränderung des Ausgangssignals ermöglichen, daß dies von Beobachter oder einer anschließenden Signalverarbeitungsvorrichtung als Null angesehen wird. Solche

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Einrichtungen werden im folgenden als "Mittel zur Null-Einstellung" bezeichnet. Solche Verfahren sind dem Fachmann auf diesem Gebiet im allgemeinen geläufig und werden daher hier nicht weiter beschrieben.

Bei der Anwendung vieler Meßtechniken - nicht nur bei Kraftmessungen oder digitalen Meßeinrichtungen - ist es aus praktischen Gründen oft wünschenswert, bereits zu Beginn ein Ausgangsignal in Gegenwart des maximalen Eingangssignals zu erhalten, das in seiner Größe einem Wert entspricht, der für den Beobachter (oder das nachfolgende Verarbeitungssystem) besonders zweckmäßig ist. Es ist daher allgemein üblich, Mittel vorzusehen, durch die die Ausgangssignale in den gewünschten Größenbereich gebracht werden. Solche Mittel werden im folgenden als "Messbereichs-Einstellung" bezeichnet. Auch diese Mittel sind dem Fachmann auf diesem Gebiet im allgemeinen geläufig und werden daher hier nicht weiter beschrieben.

Jede Einrichtung zur Messung von Kräften mit hinreichender Stabilität kann mit den vorgenannten Mitteln zur Null-Einstellung und Messbereichs-Einstellung so eingestellt werden, daß bei Abwesenheit eines Eingangssignals und bei maximalem Eingangssignal Ausgangssignale erhalten werden, die den Anforderungen des Beobachters (oder des nachfolgenden Verarbeitungssystems) an die zu messende Kraft am Wert Null und am Maximalwert entsprechen. Jedoch arbeitet eine so eingestellte Meßvorrichtung mit niedrigem Vorspannungsverhältnis nur an diesen beiden Eichpunkten korrekt und wird wegen der weiter oben diskutierten Nichtlinearitat in der Darstellung an allen Zwischenpunkten beachtliche Fehler in der Anzeige liefern.

Bei vielen physikalischen Meßvorrichtungen ist es allgemein üblich, unter bestimmten Umständen eine Schwingungsperiode zu messen und die Meßgröße so zu verarbeiten, daß ihr reziproker Wert erhalten wird (der reziproke Wert zu einer

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Schwingungsperiode ist die Frequenz und umgekehrt). Selbst wenn die Frequenz eines Ereignisses hauptsächlich von Interesse ist, ist die indirekte Frequenzmessung oft vorteilhaft, wenn die rasche Nachfolge einer dynamischen Erscheinung angestrebt wird? die Vorteile dieses Verfahrens sind wohl bekannt.

Die vorliegende Erfindung basiert vorzugsweise auf einer solchen indirekten Messung, obwohl eine äquivalente Messeinrichtung für die direkte Frequenzmessung ohne weiteres aufgebaut werden kann. Die Erfindung kann iii gleicher Weise bei einer Vorrichtung angewandt werden, die die Schwingungsperiode eines ganzzahligen Vielfachen oder eines gebrochenen Vielfachen einer Periode bzw,, die Zeitdauer einer einzigen Periode mißt.

Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein entsprechend der angelegten Eingangskraft zu Schwingungen erregbarer Faden oder Stab, Ausgangsmeßmittel zur Bestimmung der Periode der erzeugten Schwingung und eine Korrektureinrichtung zur Korrektur des an dem Ausgang der genannten Ausgangsmeßmittel anliegenden ersten Signalwertes auf einen korrigierten Signalwert zum Ausgleich der durch die angelegte zu messende Kraft bewirkten Längenänderung des Schwingkörpers vorgesehen sind.

Die Ausgangsmeßmittel können nach der Erfindung ein Quadrierglied enthalten, dessen Ausgangssignal einem Umkehrglied über eine Korrektureinrichtung zuführbar ist, die den dem Eingang des Umkehrgliedes zugeführten ersten Signalwert auf einen um die durch die angelegte zu messende Kraft bewirkte Längenänderung des Schwingkörpers korrigierten Signalwert korrigiert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Abbildungen im einzelnen erläutert und beschrieben. Darin

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zeigen

Fig. 1 ein Blockschema eines bekannten Kraftmessers, bei dem das Ausgangssignal ohne Rücksicht auf die durch die angelegte Kraft bewirkte Längenänderung verarbeitet wird;

Fig. 2 ein Blockschema des erfindungsgemäßen Kraftmessers, bei dem das Ausgangssignal unter Berücksichtigung der Längenänderung unter der Einwirkung der zu messenden Kraft verarbeitet wird;

Fig. 3 ein Diagramm des Messfehlers- und der Länge als Funktion der Belastung bei einem Kraftmesser nach Fig. 1 und

Fig. k ein Diagramm gemäß Fig. 3 he± einem Kraftmesser nach Fig. 2.

Die Zahlen in Fig. 1 haben folgende Bedeutung:

1. Vom Schwingkörper ausgehende Eingangsfrequenz (oder deren Vielfaches oder Bruchteil);

2. Logiksteuerschaltung für Messung und Rückstellung;

3. Bezugsfrequenzgeber, gegen den die Frequenz des Schwingkörpers gemessen wird;

k. Zähler zur Messung der Anzahl von 3 ausgehender Bezugsimpulse zwischen aufeinander folgenden Steuerimpulsen aus bzw. 2; die angezeigte Zahl entspricht der Schwingungsdauer des Schwingkörpers l/f (bzw. einem Vielfachen oder Bruchteil davon);

5· Speicher (oder dergl.);

2 r 6. Quadrierglied; die Ausgangsanzeige entspricht l/f (bzw. einem Vielfachen oder Bruchteil davon);

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7. Umkehrglied zur Erzeugung des Kehrwertes von 6; die Ausgangsanzeige entspricht der Gesamtbelastung W entsprechend der weiter unten angegebenen Gl. (3)5

8. Speicher (oder dergl.) zur Speicherung der Zahl entsprechend W (d.h. Nullpunktskorrektur);

9. Subtrahierglied (oder dergl.) zur Erzeugung einer Ausgangszahl, die W-W = W , d.i. die zusätzlich zu messende Kraft, darstellt;

10. Speicher (oder dergl·) für die die Messbereichskorrektur darstellende Zahl;

11. Multiplikator (oder dergl.) zur Erzeugung einer Ausgangszahl, die den Endwert des gemessenen Wertes von W. nach Nullpunkts- und Messbereichskorrektur darstellt;

12. Endspeicher (oder dergl.) zur Speicherung und Weitergabe der W. darstellenden Zahl an eine nachfolgende Weiterverarbeitungs-, Anzeige- oder Registriervorrichtung;

A: Steuersignal für die Rückstellung; B: Steuersignal für die Messung;
C: Zählimpuls.

Die Bezugszahlen in Fig. 2 haben die folgende Bedeutung:

2. Logiksteuerung für Messung und Rückstellung;

4. Zähler zur Messung der Anzahl von 3 ausgehender Bezugsimpulse zwischen aufeinander folgenden Steuerimpulsen aus 1 bzw. 2; die angezeigte Zahl entspricht der Schwingungsdauer des Schwingkörpers l/f (bzw. einem Vielfachen oder Bruchteil davon);

-10-

5· Speicher (oder dergl.)

6. Quadrierglied; die Ausgangsanzeige entspricht l/f (bzw. einem Vielfachen oder Bruchteil davon);

7. Speicher (oder dergl.) für die K entsprechende Zahl; vgl. die folgenden Gl. (4), (6) und (7)5

8. Subtrahierglied (oder dergl.) zur Erzeugung einer den Nenner von Gl. (6)/(7) darstellenden Zahl;

9. Umkehrglied zur Erzeugung des Kehrwertes von 8; die Ausgangszahl entspricht W in Gl. (7)?

10. Speicher (oder dergl.) für die W darstellende Zahl (Nullpunktskorrektur);

11. Subtrahierglied (oder dergl.) zur Erzeugung einer Ausgangszahl entsprechend W - W = W , d.i. die zusätzlich zu messende Kraft;

12. Speicher (oder dergl.) für die der Messbereichskorrektur entsprechende Zahl;

13· Multiplikator (oder dergl.) zur Erzeugung einer Zahl, die dem Endwert des gemessenen Wertes W. nach Nullpunkts- und Messbereichskorrektur entspricht;

lk. Endspeicher (oder dergl.) zur Aufnahme oder Abgabe der W entsprechenden Zahl an die nachfolgende Weiterverarbeitungs-, Anzeige- oder Registriervorrichtung;

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Für das Ausführungsbeispiel der Erfindung gelten die folgenden Symbole:

W = die auf den Schwingkörper des Resonators axial einwirkende

Kraft,
m = Masse des Schwingkörpers pro Längeneinheit bei der Belastung mit W,

f = Resonanzfrequenz bei der Belastung mit W und L = Äquivalenzlänge zwischen den Wellenreflektoren bei der Belastung mit W.

Der klassische Ausdruck für die Beziehung zwischen diesen vier Größen ist dann bei Verwendung geeigneter Dimensionen

£ - -L- ( ⁵ ) ^Vl (D

2L^m/
und kann in folgende Form gebracht werden:

W = 4f²L²m (2)

Bei Änderungen der axial wirkenden Kraft W können erhebliche Längenänderungen eintreten, so daß weder L noch m konstant bleiben; jedoch ist unter normalen Bedingungen das Produkt Lm konstant, und zwar unabhängig von den Änderungen in L, weil das Produkt Lm notwendigerweise die unveränderliche Gesamtmasse des Schwingkörpers darstellt.

Gleichung (2) kann dann unter der Berücksichtigung der Konstanz von 4Lm umgeschrieben werden zu

W oc f²L (3)

Unter der Annahme, daß L die Äquivalenzlänge ist, wenn nur die Vorspannkraft W angelegt ist, und L₁ die Äquivalenzlänge,

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wenn die axial wirkende, Gesamtkraft durch Anlegen einer zusätzlichen Kraft W , die gemessen werden soll, auf einen

cL

Wert W. geändert wird, ist W.. = W + W . In erster Näherung ist dann

+ K (W₁ - W_o) (.4)

Darin ist K eine Proportionalitätskonstante, die entweder in bekannter Weise berechnet oder experimentell gemessen werden kann.

Setzt man (4) in die allgemeine Gl. (3) ein, so erhält man W₁ cc f.² Tl + K (W₁ - W )7 (5)

I i ι- O I O -1

und diese Beziehung kann folgendermaßen umgeschrieben werden:

L_ -

Der Zähler in Gl. (6) enthält lediglich die Konstanten der Vorspannung L und W mit der unveränderlichen Proportionalitätskonstanten K, d.h. der Zähler kann als eine Konstante angesehen werden, die von der zu messenden zusätzlichen Kraft unabhängig ist. Dementsprechend kann die Gl. (6) mit dem konstanten Zähler in die folgende Form gebracht werden:

(7)

JL₂" ^K

^f1

Die hier diskutierte besondere Ausführungsform erzeugt zunächst, wie bereits festgestellt, nicht eine Frequenz, sondern eine Schwingungsperiode, so daß das Ausgangssignal am Quadrierglied nicht die Form f sondern l/f hat. Bei einer einfachen Meßeinrichtung würde auf das Quadrierglied normalerweise ein Umkehrglied folgen, das den Kehrwert von l/f erzeugen würde, um eine Darstellung von W und nachfolgend von W (die zusatzliehe zu messende Kraft) zu erhalten.

Ein typisches System solcher Art zeigt Fig. 1, und zwar vollständig mit der üblichen Nullpunkts- und Meßbereichseinstellung zum Abzug der Vorspannungskomponente W und nachfolgenden Kalibrierung des Ausgangswertes von W. (bei seinem Maximalwert W., max) auf den jeweils erforderten Zahlenwert. In dieser elementaren Meßeinrichtung wird Gl. (3) unter der Voraussetzung verarbeitet, daß L konstant ist.

Die im Ausgangswert einer solchen elementaren Meßeinrichtung zu erwartenden typischen Fehler werden beispielhaft durch die folgenden Berechnungen dargestellt, die zeigen, welche Wirkung es hat, wenn die Änderungen in der wirksamen Länge des Schwingkörpers bei verschiedenen Belastungen nicht berücksichtigt ist, wenn die Vorspannung W =33 1/3 % von W. , max ist, d.h. W = 25 % von W , max.

Beispiel

L = 5OO.O mm

ο 2

Schwingkörperspannung W = 25 kg.f/mm

⁰ 2

Schwingkörperbelastung W , max = lOO kg.f/mm Young-Modul des Schwingkörpers = l8 75O kg.f/mm dann ist die Dehnung __

^Wo = To-750 ' ⁵°° = °'^{6 mm}

-Ik-

- Ik -

und die Dehnung

500 = 2,6 mm .

l,max " l8 750 Die Differenzdehnung beträgt

78^50 * 500 = 2,0 mm .

Dann beträgt die Länge

W. = L + Differenzdehnung = 502.0 mm. 1, max ο ^ö

Die folgende Tabelle 1 gibt eine Zusammenstellung der Zahlenwerte an ausgewählten Messpunkten in Fig. 1. Die Tabelle ist lediglich aus Gründen der Zweckmäßigkeit in Schritten von jeweils 10 % von W. berechnet worden. Ähnliche Ergebnisse

A, max

erhält man bei allen Zwischenwerten W .

Der Meßfehler, der sich im endgültigen Ausgangswert ergibt, ist in den Spalten 8 und 9 dargestellt. Spalte 8 gibt den in ppm bezogen auf W. , während Spalte 9 den

α, max

gleichen Fehler bezogen auf den Wert von W. angibt.

Die berechneten Werte sind abgerundet und an bestimmten Stellen in einem geeigneten Maßstab angegeben, um die Berechnung und Deutung zu erleichtern; die Werte der Spalte 7 sind auf der Grundlage berechnet worden, daß der Multiplikator in der Endstufe (ll in Fig. l) einen solchen Bereich hat, daß der

Endwert für W. in 100 Einheiten angegeben wird. A, max

Die Hauptergebnisse nachjder Tabelle 1 sind graphisch in Fig. dargestellt.

Zur Erzielung genauer Meßergebnisse mit der vorstehend beschriebenen Elementaren Meßeinrichtung sind die damit verbundenen Meßfehler unannehmbar hoch. Da die Stabilität der Schwingkörper bei geeigneter Konstruktion beträchtlich höher

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ist als die Meßfehler, die durch die elementare Meßeinrichtung hervorgerufen werden, ergibt sich, daß durch die Anwendung einer solchen elementaren Meßeinrichtung die möglicherweise erhältliche Leistung des Gesamtsystems herabgesetzt und seine Anwendung begrenzt wird.

2
Anstatt das Ausgangssignal l/f des Quadriergliedes einfach wie in Fig. 1 auf ein übliches Umkehrglied zu geben, wird eine Korrektureinrichtung zwischen dem Ausgang des Quadriergliedes und dem Eingang des Umkehrgliedes angeordnet; diese Korrektureinrichtung ändert den Ausgangswert des Quadriergliedes um einen Betrag K entsprechend dem Nenner in GIn. (6)/(7)| der nachfolgend von dem Umkehrglied erzeugte Meßwert wird dann im wesentlichen unabhängig von den Fehlern sein, die mit Änderungen in der Äquivalenzlänge verbunden sind, die durch Änderungen in der zu messenden Kraft entstehen, und zwar in dem Umfang, wie diese Längenänderungen durch Gl. (4) angenähert werden können.

Eine solche verbesserte Meßeinrichtung ist in Fig. 2 einschließlich der üblichen Nullpunkts- und Meßbereichseinstellung zum Abzug der Vorspannungskomponente W und nachfolgenden Einstellung des Ausgangswertes von W. (bei seinem Maximalwert

W. ) auf den jeweils geforderten Zahlenwert dargestellt. A, max

Die Zusatzeinrichtung in Fig. 2 für diese Verbesserung besteht aus den Gliedern 7 und 8. Die verbesserte Meßeinrichtung verarbeitet die Schwingkörperfrequenz entsprechend Gl. (7)? d.h. auf der Basis der Inkonstanz von L und seiner Veränderung gemäß Gl. (4) .

Versuche haben ergeben, daß die verbesserte Meßeinrichtung gegenüber der Einrichtung mit einer einfachen Quadrierung hinsichtlich des Fehlers in der linearen Wiedergabe um wenigstens zwei Zehnerpotenzen besser arbeitet.

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Der Wert K kann durch direkte Berechnung aus bekannten Werten für die Meßeinrichtung erhaltenderden, er kann aber auch durch direkte Messung der Hichtlinearität des Systems in Abwesenheit der Korrektur ermittelt werden. Zu weiterer Verbesserung kann der durch diese Messung erhaltene Wert K erneut in die Einrichtung eingegeben werden; es kann dann eine zweite direkte Messung der Nichtlinearität erfolgen, aus welcher ein zweiter Näherungswert für K erhalten wird, der in der beschriebenen Weise noch weiter verarbeitet werden kann.

Die in dieser Weise erhaltenen K.-Werte konvergieren rasch, so daß es sich in der Praxis selten als notwendig erweist, eine höhere als die zweite Näherung zu wählen. Im allgemeinen reicht es aus, die Nichtline—arität nur an einem Punkt ungefähr auf der Mitte zwischen den Werten W und W zu messen.

In der dargestellten Folge von Gleichungen wird angenommen, daß nach Ableitung von W in einer gegebenenfalls vorhandenen weiteren Zusatzeinrichtung die Komponente W durch Subtraktion oder dergl. abgezogen wird, um einen Meßwert für W - W zu erhalten, d.h. um die Messung durch Entfernung der Vorspannungskomponente auf Null zu beziehen, so daß als Restwert nurmehr W , also die zu messende Kraft verbleibt. Es wird ebenfalls angenommen, daß eine gegebenenfalls vorhandene zweite Zusatzeinrichtung vorgesehen wird, um entweder getrennt vor bzw. nach der Nulleinstellung oder in Verbindung m^t der Nulleinstellung den Wert von W auf den gewünschten Meßbereicfi einzustellen.

άφ

Es ist daher erforderlich,'bei einer Veränderung der Meßeinrichtung durch Eingabe eines geänderten K-Wertes (z.B. als Ergebnis einer höheren experimentellen Annäherung wie oben) auch die Null-Einstellung und die Meßbereichs-Einstellung der gesamten Einrichtung neu eingestellt werden muß. Dazu werden

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in der Praxis normalerweise nacheinander verschiedene Einstellungen von K entsprechend den beschriebenen Experimenten vorgenommen, wobei die Wirkung dieser Änderungen auf die Null- und Meßbereichseinsteilung vernachlässigt wird, bis ein unannehmbar niedriger Wert für die Nichtlinearxtat der Ausgangsmessung erhalten wird. Danach werden die Null-Einstellung und die Meßbereichs-Einstellung auf übliche Weise verstellt; solche Verstellungen haben keine Rückwirkungen auf die Beziehungen entsprechend GIn. (6) oder (7)» so daß sich daraus keine Notwendigkeit zu einer weiteren Einstellung der K-Werte ergibt.

Die folgende Tabelle 2 enthält die an ausgewählten Meßpunkten in Fig. 2 erhaltenen Zahlenwerte. Die Tabelle ist aus Gründen der Zweckmäßigkeit in Schritten von 10 % in W berechnet

α , max

worden. Ähnliche Ergebnisse erhält man für Zwischenwerte von

Die im endgültigen Ausgangssignal erhaltenen Meßfehler sind in Spalten 9 und 10 dargestellt. Spalte 9 zeigt die Meßfehler in ppm bezogen W. , Spalte 10 bezogen auf den Wert von W..

A j ItI el X A

Die berechneten Werte sind abgerundet und an bestimmten Stellen auf einen geeigneten Maßstab gebracht worden, um die Berechnung und Deutung zu erleichtern; Spalte 8 ist auf der Grundlage be berechnet worden, daß der Multiplikator in der Endstufe (13 in Fig. 2) einen solchen Meßbereich hat, daß der Endwert für W

100 Einheiten beträgt.

Der in Spalte 6 subtrahierte K-Wert ist so gewählt, daß die Nichtlinearxtat auf der Mitte zwischen W und W minimal

ο !,max

ist, d.h.an dem Punkt, an dem der Nichtlinearxtätsfehler in Tabelle 1, Spalte 8 maximal ist. Die Wirksamkeit dieses K-Wertes für die Minimisierung der Nichtlinearität bei von der

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Mittelbelastung abweichenden Kräften zeigen die Spalten 9 und 10 der Tabelle 2.

Die Hauptergebnisse der Tabelle 2 sind in Fig. k graphisch dargestellt.

Die angegebenen Mittel zur Minimi sierung der riichtlinearen Darstellung können, wie ohne weiteres erkennbar ist, unabhängig davon wirksam angewendet werden, ob die Vorrichtungen zur Nullpunkts- und Meßbereichs-Einstellung vorhanden sind.

Es ergibt sich ebenfalls, daß die Methode, obgleich sie in den Tabellen für den Fall dargestellt ist, daß eine Anfangsspannung vorhanden ist und die zu messende Kraft der Vorspannung addiert wird, in gleicher Weise unter entsprechender Abänderung der Abbildungen, Gleichungen und Berechnungen auf den Fall anwendbar ist, daß die Vorspannung die maximale Belastung darstellt und die zu messende Kraft in einer der Vorspannung entgegengerichteten Richtung angelegt wird.

In ähnlicher Weise kann eine weitere einfache Abänderung für die Anwendung auf den Fall getroffen werden, daß die Vorspannung zwischen der maximal und minimal möglichen Schwingkörperbelastung liegt, so daß die zu messende Kraft in einem Teilmeßbereich der Vorspannung entgegengerichtet ist und sich im übrigen Meßbereich zur Vorspannung addiert.

Es ist weiterhin erkennbar, daß die beschriebenen Einrichtungen zur Kompensation von Fehlern, die sich aus Längenänderungen des Schwingkörpers ergeben, in gleicher Weise auf andersartige Meßelemente anwenden lassen, z.B. auf solche, die auf Druck, Zug oder beide ansprechen.

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Claims

Patentansp r ü c h e

1.) Kraftmesser mit einer Einrichtung mit einem Schwingkörper, durch die eine gemessene Eingangsgröße in eine Ausgangsgröße in Form einer Frequenz oder zeitlichen Periode umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein entsprechend der angelegten Eingangskraft zu Schwingungen erregbarer Faden oder Stab, Ausgangsmeßmittel zur Bestimmung der Periode der erzeugten Schwingung und eine Korrektureinrichtung zur Korrektur des an dem Ausgang der genannten Ausgangsmeßmittel anliegenden ersten Signalwertes auf einen korrigierten Signalwert zum Ausgleich der durch die angelegte zu messende Kraft bewirkten Längenänderung des Schwingkörpers vorgesehen sind.

2. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmeßmittel ein Quadrierglied (6) enthalten, und daß das Ausgangssignal des Quadriergliedes (6) einem Umkehrglied (8) über eine Korrektureinrichtung zuführbar ist, die den dem Eingang des Umkehrgliedes zugeführten ersten Signalwert auf einen um die durch die angelegte zu messende Kraft bewirkte Längenänderung des Schwingkörpers korrigierten Signalwert korrigiert.

3. Kraftmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung einen Zeitimpulsgeber und einen Zähler besitzt, mittels dessen die Zahl von Bezugszeitimpulsen zwischen den aufeinander folgenden Impulsen eines Steuerimpulsgebers zählbar ist, und daß die Ausgangsperiode des Steuerimpulsgebers durch die Schwingungsperiode des Schwingkörpers bestimmt ist.

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k. Kraftnesser nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung einen Signalgeber für ein Ausgangssignal aufweist, das einer zu der Vorspannung des Schwingkörpers addierten Last entspricht.

5. Kraftmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung einen Signalgeber zur Erzeugung eines Signals besitzt, das dem Endwert der besagten addierten Last nach Nullpunkts- und Meßbereichskorrektur entspricht.

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