DE2531684C2 - Massen- und Kraftmeßgerät - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Massen- und Kraftmeßgerät mit einer Auswertungs- und Anzeigevorrichtung, bei welchem die zu messende Größe mittelbar auf die mechanische Spannung zweier vorgespannter, elek- _S5 trisch leitender Saiten einwirkt, die durch ein über einen Teil ihrer Länge sich erstreckenden Magnetfeld und durch von je einem Erreger gesteuerten, durch die Saiten fließenden Wechselstrom zu Querschwingungen angeregt werden und die einerseits am Gestell des ^ Meßgerätes elektrisch isoliert und andererseits an einem Kraftverteiler galvanisch befestigt sind, so daß die durch die zu messende Größe bedingten Frequenzänderungen zur Berechnung und Anzeige in der Auswertungs- und Anzeigevorrichtung verwertet werden, und bei welchem der Kraftverteiler mit einem ersten Übertragungsorgan zur Übertragung einer Vorspannkraft und mit einem zweiten Übertragungsor gan zur Übertragung einer zur zu messenden Größi proportionalen Kraft verbunden ist

Meßgeräte dieser Gattung sind z. B. aus der DT-PS 12 79 379 bekannt

Die beiden Saiten werden bei den bekannter Ausführungen solcher Meßgeräte durch elektrisch« oder elektromagnetische Mittel zu Eigenschwingunger angeregt Es gibt Ausführungen mit ferromagnetische! Saiten, die durch Elektromagnete angeregt und derer Schwingungen durch Mikrophone aufgenommen wer den, jedoch sind bei den meisten Ausführunger nichtmagnetische, aber elektrisch leitende oder leitenc gemachte Werkstoffe für die Saiten benutzt. Dabei isi jede Saite für sich Zweig einer Wheatstonescher Brücke, die, solange keine zu messende Größe einwirkt im elektrischen Gleichgewicht ist Zur Anregung dei Schwingungen Jäßt man durch die über einen Teil ihrei Länge in einem oder mehreren Magnet-Wechselfelderr verlaufende Saite einen Strom fließen, wodurch sie eine auslenkende Kraft erfährt, was wiederum über die Änderung des magnetischen Flusses eine elektromotorische Kraft (EMK) induziert. Diese EMK bringt die Whea-stone-Brücke in Asymmetrie, woraus durch geeignete Schaltungen wieder der Erreger-Strom abgeleitet wird, der die Saite zwecks Auslenkung im Magnetfeld durchfließt.

Die Anwendung dieser bekannten Methode bedingt, daß zumindest ein Ende jeder Saite vom Gestell des Meßgerätes elektrisch isoliert befestigt ist. Bei bekannten Ausführungen dieser Art ist ein Kraftverteiler mit dem Gestell des Meßgerätes galvanisch verbunden, wobei das elektrische Potential dieses Gestelles zugleich als Apparate-Erde gewählt ist

Diese Bauweise genügt, solange die Anforderungen an die Präzision des Meßgerätes bestimmte Grenzen nicht überschreiten. Beschränkend auf die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen wirken Störsignale die der einen und/oder anderen Saite auf ohmsche, induktive oder kapazitive Weise eingekoppelt werden. Diese Beeinträchtigung ist um so größer, je größer die stromdurchflossenen Anteile des Gestells sind. Insbesondere kann die gemeinsame Benutzung der Stromwege durch die Erreger beider Saiten über die Spannungsabfälle längs des gemeinsam benutzten Stromweges zur Einkoppelung dieses Spannungsabfalles der einen Saite auf die EMK der anderen führen. Diese Erscheinung wird Übersprechen genannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für hochauflösende Meßgeräte eine mechanisch-elektrische Ausbildung des Kraftverteilers und der ihn umgebenden Organe zu schaffen, bei welchen die gemeinsamen Stromwege für die beide Saiten durchfließenden Ströme möglichst klein und damit das Einkoppeln von Störsignalen und das Übersprechen auf das für die gewünschte Genauigkeit zulässige Maß vermindert sind, ohne daß in das Meßsystem das Meßergebnis beeinträchtigende Zusatzkräfte eingeführt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß bei einem Massen- und Kraftmeßgerät der eingangs genannten Gattung die Übertragungsorgane je ein Isolierelement aufweisen, so daß der Kraftverteiler vom Gestell des Meßgerätes elektrisch isoliert ist, und daß mindestens zwei elektrische Leiter an dem Kraftverteiler angeschlossen sind, die Bestandteile der Stromkreise der Erreger sind.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele erfin-

dungsgemäß ausgebildeter Geräte schematisch dargestellt Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 in größerem Maßstab einen Querschnitt durch einen Befestigungskopf, F i g. 3 ein Blockschema ein;i$ ersten Erregers,

F i g. 4 ein Blockschema eines zweiten Erregers,

F i g. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel,

F i g. 6 das Schaltschema eines ersten Verstärkers,

F i g. 7 das Schaltschema eines zweiten Verstärkers, ι ο

Lh Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Massenmeßgerät dargestellt Es weist ein Gestell 1 auf, an welchem zwei Saiten 2, 3 mittels Befestigungsköpfe 4 befestigt sind Die Enden dieser Saiten 2,3 sind an einem balkenförmigen Kraftverteiler 5 galvanisch verbunden. Am Gestell 1 ist eine Vorspannmasse 6 mittels Lenker 7 senkrecht parallel geführt Sie weist einen Stift 8 aus elektrisch isolierendem Material, z. B. aus einem synthetischen Edelstein, auf, über welchen sie mittels einer Zugstange 9 an dem Kraftverteiler 5 befestigt ist. _J0 Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Angriffspunkt der Zugstange 9 in der Mitte des Abstandes der beiden Enden der Saiten 2, 3, so daß diese von dem Gewicht der Vorspannmasse 6 gleichmäßig belastet sind.

Jeder Befestigungskopf 4 besteht aus einem Schaft 10, zwei Muttern 11 und zwei Zentrierhülsen 12 aus elektrisch isolierendem Material (Fig. 2).

Ferner ist am Gestell 1 ein Lastträger 13 mittels Lenker 14 senkrecht und parallel geführt. Er trägt die zu messende Masse 15. Der obere Lenker 14 ist mittels einer Zugstange 16 mit dem Kraftverteiler 5 verbunden. Diese Zugstange 16 ist am Lenker 14 mittels eines Stiftes 17 aus elektrisch isolierendem Material befestigt. Die von der Zugstange 16 auf den Kraftverteiler 5 übertragene Kraft ist proportional dem Gewicht der zu messerden Masse 15. Durch die gewählte Anordnung des Angriffspunktes der Zugstange 16 am Ende des Kraftverteilers 5 ist diese Kraft ungleichmäßig auf die Saiten 2. 3 verteilt. Neben jeder Saite 2 bzw. 3 ist ein Magnet 18 bzw. 19 vorgesehen.

Zwischen den Befestigungspunkten 20, 21 der Saiten 2, 3 befinden sich auf dem Kraftverteiler 5 drei Befestigungspunkte 22, 23, 24, an welchen je ein elektrischer Leiter 25, 26, 27 leitend befestigt ist. Jeder dieser Leiter 25, 26, 27 ist mit je einem am Gestell 1 befestigten Isolator 28a, 286,28cverbunden.

Der Leiter 25 ist mittels eines am gleichen Isolator 28 angeschlossenen Drahtes 30 mit einem Erreger 31 verbunden. Auf gleiche Weise ist der Leiter 27 mittels eines Drahtes 32 mit einem Erreger 33 und der Leiter 26 mittels eines Drahtes 34 mit der Bezugserde 35 der beiden Erreger 3t, 33 galvanisch verbunden, die im wesentlichen dem elektrischen Potential des Gestelles 1 entspricht.

Die Leiter 25 bis 27 bestehen vorzugsweise aus einem dünnen, flachen Metallband mit sehr kleiner Federkonstante, das, über den sehr kleinen Dehnungsweg der Saiten 2,3, nur eine verschwindend kleine Kraft ausübt Wie in Fig.2 für den Leiter 25 dargestellt, verläuft jeder Leiter von seinem Befestigungspunkt 22 (bzw. 23 bzw. 24) zunächst nach oben, parallel zu den Saiten 2,3, dann horizontal bis zum Isolator 28, an welchem er mittels einer Schraube 29 befestigt ist. Bei nicht völlig spannungsfreier Befestigung an den Befestigungspunkten 22, 23, 24 kann somit nur eine sehr kleine, aber annähernd konstante Kraft zusätzlich zur Vorspannkraft auf den Kraftverteiler 5 wirken. Dank der symmetrischen Anordnung der Befestigungspunkte 22, 23,24 bezüglich der Befestigungspunkte 20,21 ist diese kleine zusätzliche Kraft gleichmäßig ajf die Saiten 2, 3 verteilt

Die Erreger 31,33 sind über Leitungen 36 bzw. 37 mit einer Auswertungs- und Anzeigevorrichtung 38 mit digitaler Anzeige verbunden. Solche Vorrichtungen sind bekannt und daher nicht näher erläutert Ferner ist der Erreger 31 über eine Leitung 39 mit der Saite 2 und der Erreger 33 über eine Leitung 40 mit der Saite 3 verbunden.

Der Erregerstrom für die Saite 2 bzw. 3 fließt über die Leitung 39 bzw. 40, die Saite 2 bzw. 3 den gestrichelt dargestellten Pfad und über den Draht 34, der für beide Erregerströme als Rückfuhrleitung dient

Die Steuerströme, deren Funktion an Hand von F i g. 3 näher erläutert wird, benutzen folgende Kreise: Der Steuerstrom des Erregers 31 folgt dem Leiter 30 bis zum Isolator 28a, dann dem Leiter 25 zum Befestigungspunkt 22, fließt über den Kraftverteiler 5 zum Befestigungspunkt 23 und von dort über den Leiter 26 bis zum Isolator 28b und dann über den Leiter 34 in eine Batterie 44 und zurück zum Erreger 31. Der Steuerstrom des Erregers benutzt den Leiter 32 bis zum Isolator 28c, dann den Leiter 27 bis zum Befestigungspunkt 24, folgt dann ebenfalls dem Kraftverteiler 5 bis zum Befestigungspunkt 23 und wird über den Leiter 26 bis zum Isolator 286 und dann über den Leiter 34 und die Batterie 44 zum Erreger 33 zurückgeführt

F i g. 3 zeigt das Blockschema einer ersten Brückenschaltung, die jedem der Erreger 31,33 entspricht Vier Widerstände Ri, R2, R3, Rs sind als Brücke geschaltet. Rs stellt den Längswiderstand einer der Saiten 2,3 dar. Für den statischen Betrieb der Brücke gilt

Ein Verstärker 41 gibt an einem Ausgang 59 einen Strom /1 ab, der in einem Knoten 42 in zwei Teilströme /2 und /3 aufgeteilt wird, die in einem weiteren Knoten 43 wieder zusammenfließen. Aus einer Stromquelle, die schematisch als Batterie 44 dargestellt ist, fließt ein Strom A in den Verstärker 41, in welchem er in den genannten Strom /1 und einem im Vergleich dazu kleinen Strom /5 aufgeteilt wird, der dem Eigenverbrauch der Bauelemente des Verstärkers 41 dient. Dieser Strom /5 fließt im Punkt 45 mit dem rückfließenden Strom /1 zusammen und mit diesem zurück in die Batterie 44. Die Potentiale zweier Punkte 46, 47 werden dem Verstärker 41 über zwei Leitunger 48, 49 zugeführt. Ist die Brücke im Gleichgewicht se besteht wegen der genannten Proportionalität dei Widerstände Ri, R2, R3, Ri kein Potenüalunterschiec zwischen den Punkten 46 und 47; der Strom /1 und dami auch die Ströme /2 und h verschwinden, da der Strom 1 proportional ist zum genannten Potentialunterschied.

Das dynamische Verhalten des Kreises wird nun ai Hand von Saite 3 beschrieben. Es gilt für die Saite 2 ii gleicher Weise. Fließt zunächst ein durch eine zufälligi Asymmetrie der Brücke verursachter kleiner Strom / so wird die Saite 3, die in F i g. 3 durch den Widerstam Rs charakterisiert ist, im Felde des Magneten 19 i Bewegung gesetzt. Dadurch, daß sich die Saite senkrecht zu den magnetischen Feldlinien des Magne ten 19 bewegt, ändert sich der magnetische Fluß, der di Brücke durchsetzt, proportional zur Geschwindigke

der Saite 3. In der Saite 3 wird daher eine EMK induziert, die proportional ist zur Änderung de? Flusses, also auch proportional zur Geschwindigkeit der Saite 3. Da diese EMK lediglich über dem Brückenzweig auftritt, der durch die Saite 3 gebildet ist, entsteht nun über den Punkten 46, 47 ein Potentialgefälle, das über die Leitungen 48,49 zum Verstärker 41 übertragen wird. Der Verstärker 41 bildet durch lineare Verstärkung aus diesem Potentialgefälle den Strom /ι. Dieser Strom ist daher am größten beim Nulldurchgang der Saite 3, da dann auch ihre Geschwindigkeit am größten ist. Nach Erreichen der Extremlage - wo wegen verschwindender Geschwindigkeit auch der Strom /i verschwindet wird die Saite mechanisch durch die Nullage in die andere Extremlage getrieben. Nun beginnt eine neue Antriebsphase durch den Strom Iu Der Takt, in dem die erwähnten Änderungen in der Stärke des Stromes /i erfolgen, sind durch die mechanischen Eigenschaften der Saite, wie Länge, Zugspannung, Masse pro Längeneinheit, bestimmt Je nach Ausbildung des Magnetfeldes kann daher die Grundschwingung oder eine der Oberschwingungen der Saite angeregt werden. Damit die Amplitude der Saite klein bleibt, enthält der Verstärker 41 eine Begrenzerstufe (nicht dargestellt), die dafür sorgt, daß der Strom /ι eine bestimmte Größe nicht überschreitet

Fig.4 zeigt das Blockschaltbild einer anderen Ausführung der Brückenschaltung. Handelt es sich in F i g. 3 um einen bezüglich der Richtung des Stromes asymmetrischen Verstärker 41, so liegt hier ein symmetrischer Verstärker 50 vor. Das heißt, daß beide Änderungsrichtungen der in der Saite 3 im Felde des Magneten 19 induzierten EMK in den Leitungen 48,49 übertragen und vom Verstärker 50 proportional verstärkt werden. Dem Verstärker nachgeschaltet ist ein Begrenzer 51, der dafür sorgt, daß die Amplitude des Erreger-Stromes Λ von einer bestimmten Größe der EMK an nicht mehr wächst; wäre dies nicht der Fall, so würde die mechanische Amplitude der Saite 3 zu groß, was zu Frequenzänderung führt Der Strom /i, der ebenfalls an die Knoten 42, 43 übertragen wird, wird also im Blockschaltbild gemäß Fig.4 im Takt der Saitenschwingung nicht nur seine Stärke, sondern auch seine Richtung ändern.

In Fig.5 ist eine weitere Anordnung der Elemente des Meßgerätes dargestellt Als Kraftverteiler wird an Stelle eines balkenförmigen Körpers ein Zylinder verwendet, dessen Achse zur Ebene der beiden Saiten 2, 3 orthogonal ist Die dem Gewicht der zu messenden Masse 15 proportionale Kraft ist über eine Zugstange 53, einen am Gestell 1 schwenkbar gelagerten L-förmigen Hebel 54, einen Isolierstift 17 und eine zweite Zugstange 55 auf den Kraftverteiler übertragen. In dieser Ausführung haben alle Leiter 25, 26, 27 den gleichen Befestigungspunkt 56 an dem KraftverteilerSZ

Fig.6 ist das Schaltschema des Verstärkers gemäß Fig.3- Der zwischen den Punkten 46, vorhandene PotenßalünterscbJed wird (gemäß F i g. 3) Imt den zwei Lotungen 48, 49 an den Verstärker Übertragen. Ans Fig. 6 ist ersiditlich, daß die Leitung 48 an die Basis eines Transistors Ti und die Leitung an die Basis «nfes !transistors T2 gelegt ist Die Transistoren Tt, T2 and mit ihren Kollektoren über Widerstände R«t Ä62 an die positive Klemme der Baffiirie 44 gelegt Die finritterder Transistoren Ti, Tl sind galvanisch verbanden und fiber eine Verbindung vom Kollektor eines Transistors 7"5 gespeist, dessen Emitter über einen Widerstand R 65 an Erde gelegt ist. Der Emitter des Transistors TS ist ferner über Widerstände R 63, Ä64 mit den Emittern zweier weiterer Transistoren Γ3, Γ4 verbunden, deren Kollektoren galvanisch mit den Kollektoren der Transistoren Π bzw. Tl verbunden sind. Der Basisstrom der Transistoren TZ, T4 wird über einen Widerstand Ä69 vom Kollektor eines weiteren ι ο Transistors T6 geliefert, dessen Kollektor überdies über einen Widerstand Ä66 mit Erde verbunden ist Der Basisstrom des Transistors Γ6 wird der Batterie 44 über eine in Sperrichtung betriebene Zenerdiode Zl entnommen, die zwecks Aufrechterhaltung des Betriebsstromes über einen Widerstand Ä60 mit Erde verbunden ist Der Basisstrom des Transistors TS fließt ebenfalls über eine Zenerdiode Z 2, die zwecks Aufrechterhaltung des Betriebsstromes über einen Widerstand R 68 mit der positiven Klemme der Batterie 44 verbunden ist Der Emitter des Transistors Γ6 ist über einen Widerstand Ä67 mit dem Ausgang eines nur schematisch dargestellten Verstärkers 58 verbunden. Eine besondere Beschreibung dieses Verstärkers 58 erübrigt sich, da lineare Stromverstärker bekannt und überdies als integrierte Bausteine kommerziell erhältlich sind. Der Eingang des Verstärkers 58 liegt am Kollektor des Transistors TZ Der Strom /i (gemäß Fi g. 3) wird an einem Ausgang 59 des Verstärkers 58 abgenommen. Vom Knoten 43 wird der Strom /i in den Verstärker 41 zurückgeführt

Wird nun über die Verbindungen 48, 49 eine Spannung angelegt so wird diese von den Transistoren Ti, Tl zunächst mit der vollen Verstärkung verstärkt, da der Spannungsabfall über dem Widerstand R 66 Null }5 ist Die Transistoren Γ3, TA befinden sich daher in gesperrtem Zustand. Das verstärkte Signal wird vom Verstärker 58 übernommen und weiter verstärkt Solange die Ausgangsspannung am Verstärker 58 die Sperrspannung der Zenerdiode Zl nicht überschreitet, arbeitet das System mit konstanter Verstärkung. Wird der Emitter des Transistors Γ6 jedoch über diese Arbeitsspannung hinausgehoben, so beginnt er zu leiten, wodurch über dem Widerstand R66 ein Spannungsabfall entsteht mit dem ein parallel dazu geschalteter Kondensator Cl aufgeladen wird. Da dieser genannte Spannungsabfall aber über den Widerstand Ä69 auch an die Basen der Transistoren Γ3, Γ4 übertragen wird, beginnen diese nun zu leiten, wodurch der Spannungsabfall über dem Widerstand Ä65 steigt Dies verkleinert über die ~twas angehobenen Emitter der Transistoren Ti, Tl deren Verstärkung. Dieser Vorgang führt zu einer spannungsabhängigen Reduktion der Gesamtverstärkung des Systems. Der von den Elementen zu ihrem eigenen Betrieb benötigte Strom ist in Fig.3 mit /s bezeichnet

Die Darstellung der Schaltung in Fig. 7 kann stark schematisiert gegeben werden, da sie sich nur in der Art des Ausganges von der Schaltung gemäß Fig.6 unterscheidet Sn schematisch als Kasten dargestellter Schaltkreis 60 enthält aDe Elemente gemäß Fig-6 mit Ausnahme der Batterie 44. Der Strom /1 wird nicht direkt in die Brücke eingespeist, sondern In die Primärwicklung 61 eines Transformators 62. Der Erregerstrom für die Brücke wird der Sekundärwicklong 63 des Transformators, die über einen Mitteläbgn» 64 geerdet ist, entnommen Und an die Knoten 42, «43 übertragen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Massen- und Kraftmeßgerät mit einer Auswertungs- und Anzeigevorrichtung, bei welchem die zu S messende Größe mittelbar auf die mechanische Spannung zweier vorgespannter, elektrisch leitender Saiten einwirkt, die durch ein über einen Teil ihrer Länge sich erstreckendes Magnetfeld und durch von je einem Erreger gesteuerten, durch die Saiten fließenden Wechselstrom zu Querschwingungen angeregt werden und die einerseits am Gestell des Meßgerätes elektrisch isoliert und andererseits an einem Kraftverteiler galvanisch befestigt sind, so daß die durch die zu messende Größe bedingten Frequenzänderungen zur Berechnung und Anzeige in der Auswertungs- und Anzeigevorrichtung verwendet werden, und bei welchem der Kraftverteiler mit einem ersten Übertragungsorgan zur Übertragung einer Vorspannkraft und mit einem zweiten Übertragungsorgan zur Übertragung einer zur zu messenden Größe proportionalen Kraft verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsorgane (9, 16 bzw. 55) je ein Isolierelement (8, 17) aufweisen, so daß der Kraftverteiler (5) vom Gestell (1) des Meßgerätes elektrisch isoliert ist, und daß mindestens zwei elektrische Leiter (25, 27) an dem Kraftverteiler (5) angeschlossen sind, die Bestandteile der Stromkreise der Erreger (31,33) sind.

2. Massen- und Kraftmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von drei am Kraftverteiler (5) befestigten elektrischen Leitern (25,26,27) ein Leiter (26) im Stromkreis beider Erreger (31,33) liegt und jeder der beiden anderen Leiter (25,27) im Stromkreis je eines der beiden Erreger (31,33).

3. Massen- und Kraftmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierelemente als Stifte (7,17) ausgebildet sind.

4. Massen- und Kraftmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierelemente aus synthetischen Edelsteinen bestehen.

5. Massen- und Kraftmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (25, 26, 27) auf einem Teil ihrer Länge quer zu den Saiten (2,3) verlaufen.