DE2526279A1

DE2526279A1 - Elektrodynamische kraftmesseinrichtung

Info

Publication number: DE2526279A1
Application number: DE19752526279
Authority: DE
Inventors: Peter Fischer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-06-26
Filing date: 1975-06-12
Publication date: 1976-01-08
Also published as: GB1513945A; AT350816B; NL7507610A; FR2276571A1; SE7507294L; US4020687A; ATA483975A; BE830609A; IT1039002B; CH565998A5

Description

A 1415

Peter Fischer , Zürich

(Schweiz)

Elektrodynamische Kraftmesseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektrodynamische Kraftmesseinrichtung, mit einer in einem stationären Magnetfeld angeordneten, durch die zu messende Kraft aus einer Nullage heraus bewegbaren Spule, die nach Massgabe ihrer von einem Fühler erfassten Abweichung von der Nullage über einen Verstärker mit einem Strom gespeist ist, der unter der Wirkung des stationären Magnetfeldes eine die Spule in die Nullage zurückdrängende Rückstellkraft bewirkt .

Bei einer solchen Kraftmesseinrichtung dient der vom Verstärker der Spule zugeführte Strom direkt oder indirekt, z.B. als Spannung über einem Widerstand abgegriffen, als Mass für die zu messende Kraft. Die Beziehung Stromstärke-Kraft ist dann linear, wenn die Beeinflussung des stationären Magnetfeldes durch das

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sekundäre, durch den in der Spule fliessenden Strom erzeugte Magnetfeld praktisch vernachlässigbar ist. Dies ist jedoch nur bei kleineren Kräften, mithin bei kleineren Strömen der Fall. Bei grösseren Kräften dagegen ist das durch den Strom in der Spule erzeugte Magnetfeld vektoriell zum stationären Magnetfeld zu addieren, was zu einem resultierenden Magnetfeld führt, das eine vom stationären Magnetfeld abweichende Richtung aufweist. Die auf die Spule wirkende Rückstellkraft ist aber - abgesehen von der Stromstärke des durch sie fliessenden Stromes - vom resultierenden Magnetfeld abhängig. Daraus ergibt sich, dass die Veränderung der Richtung des resultierenden Magnetfeldes zur Folge hat, dass, bei grösseren Kräften, die lineare Beziehung zwischen Strom und zu messender Kraft nicht mehr gegeben ist. Mit der Erfindung soll nun eine elektrodynamische Kraftmesseinrichtung der eingangs genannten Art derart verbessert werden, dass auch für grössere Kräfte selbsttätig die lineare Beziehung zwischen zu messender Kraft und dem vom Verstärker der Spule zugeführten Strom erhalten bleibt.

Zu diesem Zweck ist die vorgeschlagene Kraftmesseiririchtang erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Spule in Serie mit einer, die Feldstärke des stationären Magnetfeldes verändernden Kompensationsspule geschaltet ist, die dazu bemessen ist, um das aus dem stationären Magnetfeld und dem vom' Strom in der Spule erzeugten Magnetfeld sich ergebende resultierende Sagnetfeld derart zu verändern, dass die auf die Spule wirkende Rückstellkraft proportional zum Strom bleibt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Beispieles mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben.

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Es zeigt:

Fig. 1, eine schematische Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Kraftmesseinrichtung,

Fig. 2, ein sehr vereinfachtes Schaltbild der Einrichtung gemäss Fig. 1, und

Fig. 3, eine schematische Frontansicht der wesentlichen Komponenten des Fühlers, der bei der Einrichtung der Fig. 2 Verwendung findet.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung 10 erkennt man einen ortsfesten Rahmenteil 11, auf dem eine Säule 12 abgestützt ist. Auf dem oberen Ende der Säule 12 ist mittels eines Schneidenlagers 13 ein Balken 14 in der Art eines Wägebalkens gelagert. Am einen Ende 15 des Balkens 14 greift über ein weiteres Schneidenlager 17 ein nicht näher dargestelltes Kraftübertragungselement an, das auf den Balken 14 die zu messende Kraft überträgt, wie dies mit dem Doppelpfeil 16 angedeutet ist. Am anderen Ende 18 des Balkens 14 ist der bewegliche Teil 19 eines Fühlers 20 befestigt, der dazu bestimmt ist, das Vorhandensein und die Richtung von Abweichungen des Balkens 14 aus der in Fig. 1 waagrecht erscheinenden Nullage zu erfassen.

Am Balken 14 ist im Bereich seines Endes 18 ferner ein Spulenkörper 22 befestigt, der mit zwei in Fig. 1 nicht näher dargestellten Spulen bewickelt ist. Von diesen Spulen sind lediglich die Anschlussleiter 23, 24 einerseits und 25, 26 andererseits dargestellt. Der Spulenkörper 22 mit seinen beiden

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Spulen greift in einen Ringspalt 27 eines kräftigen Permanentmagneten 28, der seinerseits aus einem Permanentmagnetring 29, einem Weicheisenkern 30, einer Jochscheibe 31 und einem Jochring 32 aufgebaut ist. Im Prinzip entspricht somit der Aufbau des Permanentmagneten 28 jenem eines Magnetes für einen elektrodynamischen Lautsprecher. Im Ringspalt 27 herrscht■somit ein kräftiges Magnetfeld, dessen Feldlinien praktisch ausnahmslos in einer rechtwinklig zur Achse des Weicheiseakerns 30 stehenden Ebene und radial von dieser Achse aus verlaufen. Der Permanentmagnet 28 ist mit seinen Bestandteilen ortsfest am Rahmenteil 11 verankert.

Der orstfeste Teil 21 des Fühlers 20 ist über eine Verbindungsleitung an einen Verstärker 34 gekoppelt, dessen Ausgang 35 an eine Spule 36 geführt ist, die um den Permanentmagnetring 29 gewickelt ist. Das andere Ende dieser Spule 36 ist über den Anschlussleiter 24 in Serie mit der einen Spule auf dem Spulenkern 22 geschaltet, während der andere Anschlussleiter 23 über einen Widerstand 37 an Masse geführt ist. Ueber dem Widerstand 37 sind Klemmen 38 und 39 geschaltet, an denen sich der durch einen Strom im Widerstand 37 erzeugte Spannungsabfall abgreifen lässt.

Die andere, auf dem Kern 22 vorhandene Spule ist mit ihrem Anschlussleiter 25 an Masse geführt und mit ihrem Anschlussleiter 26 über ein in dig Verbindungsleitung 33 eingeschaltetes Additions^lied 40 aa den Eingang 41 des Verstärkers 34 geschaltet.

Bevor auf die Wirkungsweise der dargestellten Einrichtung eingegangen wird, sei noch auf die Fig. 2 hingewiesen. In dieser erkennt m§tia den Permanentmagneten 28, in dessen Feld der

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Spulenkörper 22 angeordnet ist. Die strichpunktierte Linie, die vom Spulenkörper 22 ausgeht, symbolisiert den Balken 14, an dem auch der bewegliche Teil 19 des Fühlers 20 befestigt ist. Die auf dem Spulenkörper 22 angeordneten Spulen sind in Fig. 2 mit 42 und 43 bezeichnet, wobei der Unterschied zur Fig. 1 lediglich darin besteht, dass in Fig. 2 die Reihenfolge der in Serie geschalteten, vom Verstärker 34 gespeisten Spulen 42-36 lautet, während in Fig. 1 die Spule 36 direkt an den Ausgang des Verstärkers 35 geschaltet ist. Dieser Unterschied ist jedoch unwesentlich.

Der ortsfeste Teil 21 des Fühlers 20 weist zwei in Serie geschaltete Phototransistoren 45, 46 auf, deren Eintrittsöffnungen, wie aus Fig. 2 schematisch hervorgeht, in der NuIlage des Balkens 14 zu gleichen Teilen durch den beweglichen, als Fahne ausgebildeten Teil 19 des Fühlers 20 abgedeckt sind. Der Schaltpunkt zwischen den beiden Phototransistoren 45 und 46 ist an den Verstärker 34 geführt. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, dass der am Ausgang 35 des Verstärkers erscheinende Strom nach Richtung und Grosse der Abweichung der Fahne 19 aus der Gleichgewichtslage entspricht, wobei dies auch dann der Fall ist, wenn die die Phototransistoren 45 und 46 erleuchtende Lichtquelle 47 ein bezüglich Intensität veränderliches Licht aussendet.

Die Wirkungsweise der dargestellten Einrichtung lässt sich wie folgt zusammenfassen. Sobald der Balken 14 durch eine Kraft aus seiner Nullage ausgelenkt wird, erzeugt der Fühler 20 ein Signal, das, dem Verstärker 34 zugeführt, diesen veranlasst, der Spule 42 einen Strom zuzuführen, der, unter der Wirkung des vom Permanentmagneten 28 ausgehenden stationären Feldes eine Rückstellkraft erzeugt, die dazu bestrebt ist,

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den Balken 14 in die Nullage zurückzudrängen. Dieser Strom wird zunehmen, solange ein Signal aus dem Fühler 20 ansteht. Dieser vom Verstärker 34 erzeugte Strom gelangt aber in gleicher Stärke durch die Spule 36, und verändert somit die Stärke des vom Permanentmagneten 28 ausgehenden Feldes derart, dass die Linearität zwischen Strom einerseits und Rückstellkraft andererseits (d.h. zu messender Kraft) erhalten bleibt. Sobald der Balken 14 aus seiner Nullage ausgelenkt wird, wird auch in der Spule 43 ein Signal induziert. Dieses Signal, das nur so lange ansteht, als sich der Balken 14 in Bewegung befindet, wird ebenfalls dem Verstärker 34 zusätzlich zum Signal aus dem Fühler 20 zugeführt. Dies führt dazu, dass zunächst und vorübergehend der Verstärker 34 einen höheren Strom liefert, als nur zur Erzeugung der Rückstellkraft notwendig wäre. Diese Anordnung trägt dazu bei, dass die Einrichtung sehr schnell aperiodisch ihre Gleichgewichtslage findet. Es versteht sich von selbst, dass in der Gleichgewichtslage an den Klemmen 38, 39 eine direkt zum Strom in den Spulen 36 und 42 proportionale Spannung abgegriffen werden kann, die ein Mass für die zu messende Kraft darstellt. Schliesslich sei noch auf die Fig. 3 hingewiesen, in der mit 45' und 46' die Eintrittsöffnungen der Phototransistonen 45 und 46 bezeichnet sind, die, wie bereits erwähnt, durch die Fahne 19 in der Nulllage etwa zu gleichen Teilen abgedeckt sind.

Die beschriebene Einrichtung eignet sich nicht nur als klassische Waage, d.h. als Instrument zum Bestimmen von Gewichten von Gütern, sondern auch als Beschleunigungsmesser oder als Kraftmessdose schlechthin, die dazu geeignet ist, grössere Kräfte schnell, genau und gegebenenfalls auf Distanz nach Richtung und Grosse zu messen.

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Claims

PATENTANSPRÜECHE

ί l.JElektrodynamische Kraftmesseinrichtung, mit einer in einem ^—^ stationären Magnetfeld angeordneten, durch die zu messende Kraft aus einer Nullage heraus bewegbaren Spule, die nach Massgabe ihrer von einem Fühler erfassten Abweichung aus der Nullage über einen Verstärker mit einem Strom gespeist ist, der unter der Wirkung des stationären Magnetfeldes eine die Spule in die Nullage zurückdrängende Rückstellkraft bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (42) in Serie mit einer die Feldstärke des stationären Magnetfeldes verändernden Kompensationsspule (3 6) geschaltet ist, die dazu bemessen ist, um das aus dem stationären Magnetfeld und dem vom Strom in der Spule (42) erzeugten Magnetfeld sich ergebende, resultierende Magnetfeld derart zu verändern, dass die .auf die Spule (42) wirkende Rückstellkraft proportional zum Strom bleibt.
2. Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der erstgenannten Spule (42) mitbewegliche Induktionsspule (43) vorgesehen ist, die an den Eingang des Verstärkers (34) geschaltet ist.
3. Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspule (36) koaxial zu der erstgenannten Spule (42) um einen ortsfesten Permanentmagneten (28) gewickelt ist, der einen Ringspalt (27) aufweist, in dem die erstgenannte Spule (42) axial verschiebbar angeordnet ist.

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4. Kraftmesseinrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (43) koaxial zur erstgenannten Spule (42) angeordnet ist.

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