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KRAFTMEßWANDLER MIT FREQUENZMODULIERTEM AUSGANGSSIGNAL
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von ILraCtme wandlern,
insbesondere einen Kraftmeßwandler mit frequenzmoduliertem Ausgangssignal.
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Er kann beispielsweise in elektronischen Präzisionswiegeeinrichtungen
zur Umwandlung der Schwerkraft in ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal verwendet
werden.
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Zur Zeitfinden Meßwandler mit Fühlelementen in Form von schwingenden
Körpern: Saiten, Stäben, Membranen Verwendung; Die Schwingungsfrequenz dieser Elemente
hängt von ihre geometrischen Maßen, physikalischen B'igenschaften von Eateriaa.
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lien, aus denen sie hergestellt sind, sowie vom Wert an sie angelegter
Belastungen (Kräfte) ab.
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Zur Schwingungsanfachung enthalten diese Wandler einen selbsterregten
Generator, dessen Resonator das oben genannte, die Belastung aufnehmende schwingende
Element ist.
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Die hohe Güte der mechanischen Resonatoren und die damit zusammenhängende
Frequenzstabilität des selbsterregten Generators
sorgen für die
Genauigkeit der Umwandlung, was in Verbindung mit modernen elektronischen diskreten
!fießverfahren für di Frequenz eine genaue Meßkennlinie dieser V>andler sichert.
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Von den oben genannten Wandlern sind die Wandler mit eine; Resonator
in Form von aufgezoPenen Saiten besonders verbreitet In der Sowjetunion sind neben
den in Form von Saiten ausgeführte Resonatoren aufweisenden Wandlern auch Wandler
in Form von prismatischen Stäben entwickelt und angewandt. Die Quersteifig.
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keit dieser Stäbe gewährleistet deren stabiles SchvJingen ohne Vorspannung.
Darin liegt der Vorteil derartiger Resonatoren gegenüber den in Form von Saiten
ausgeführten I?esonatoren, die einer sich im Laufe der Zeit ändernden und Meßfehler
veranlassenden Vorspannung bedürfen.
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Zu derartigen Wandlern mit einem stabförmigen Resonator zählt zum
Beispiel ein Kraftmeßwandler mit frequenzmoduliertem Äusgangssignal (SU-Erfinderschein
150273). Diese-Wandler enthält einen in einem Gehäuse angeordneten, in Form e nes
freitragenden Balkens ausgeführten elastischen Körper. Der freitragende Balken weist
einen Fuß und einen wirksamen Teil auf. Der Fuß ist mit einem Flansch versehen,
mit dessen Hilfe der Wandler auf der Auflagefläche befestigt wird. Der die Kraf
wirkung aufnehmende wirksame Teil des Balkens ist mit einem einen Resonator eines
elektromechanischen selbsterregten Generators darstellenden und eine von der Krattwirkung
abhängige Schwingungsfrequenz aufweisenden schwingenden Element verbunde,
Als
schwingendes Element gelangt ein mit dem genannten Balken als Ganzes ausgeführter
prismatischer Stab zum Einsatz. Außer dem Resonator enthält der selbaterregte Generator
zwei an bei den Seiten des prismatischen Stabes angeordnete polarisierte Elektromagnete.
Einer der polarisierten Magnete - Adapter - ist mit dem Eingang eines Verstärkers
verbunden und dient zur Umwandlung der mechanischen Schwingung des Resonators in
Schwingungen der Stromspannung. Der zweite polarisierte Elektromagnet - Erreger
- ist mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden und dient zur Umwandlung von Schwingungen
des elektrischen Stromes in eine elektromagnetische Kraft zur Aufschaukelung des
Resonators.
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Das Gehäuse des Wandlers dient zur Unterbringung darin de elastischen
freitragenden Balkens und zum Schutz des Wandlers gegen äußere Einwirkungen. Das
Gehäuse ist am Fuß des Balkens dicht aufgesetzt und befestigt und weist einen Abstand
zum wirksamen Teil des Balkens auf. Der Fuß des Balkens kontaktiert auf der ganzen
Fläche des Flansches mit der Auflagefläche und zur selben Zeit mit dem Gehäuse.
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Hierbei entstehen bei der Arbeit des Wandlers bei bestimmten Belastungen
neben den Schwingungen des prismatischen Stabes Resonanzschwingungen des gesamten
elastischen Balkens oder dessen Elementen. Diese Schwingungen werden in den Kontaktzonen
der Fußes des Balkens mit dem Gehäuse und der Auflagefläche von ei ner beträchtlichen
Dämpfung begleitet, was den Schwingbetrieb
des Resonators stört
und die eine Abhangigkeit der Frequenz des Resonators von der angelegten Kraft darstellende
Ausgangskennlinie des Wandlers verzerrt. Infolgedessen verschlechtert sich die Genauigkeit
der Meßergebnisse.
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Beim oben beschriebenen Wandler ist bei dessen Befestigunü auf der
Auflagefläche mittels Bolzen an dem beim freitragenden Balken vorhandenen Flansch,
beim Festziehen der Bolzen oder bei Lockern ihres Anzuges eine Störung des Selbstschwingungszustandes
des Resonators möglich. Dies hat auch Fehler bei der Kraftmessung zur Folge.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftmeßwandler mit
frequenzmoduliertem Ausgangssignal zu schaffen, de2 eine Genauigkeitserhöhung bei
der Kraftmessung durch Beseitigen von des Einflusses von Itesonanzschwingsunger/dessen
Elementen und der Befestigung saft des elastischen .'rZlementes im Gehäuse auf den
Schwingbetrieb des Resonators sichert.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Kraftmeßveandler mit
frequenzmoduliertem Ausgangasignal, der einen in einem Gehäuse untergebrachten elastischen
Korper enthält, dessen Fuß im Gehäuse befestigt ist und dessen eine Kraftwirkung
aufnehmern der, wirksamer Teil mit einem den Resonator eines elektromechanischen
selbsterregten Generators bildenden und eine von der Kraftwirkung abhängige Schwingungsfrequenz
aufweisenden schwingenden Element gekoppelt ist, der elastische Körper erfindungsgemäß
im Gehäuse mit einem Spiel untergebracht und sein Fuß
mit Hilfe
von mindestens drei Säulen befestigt ist, deren jede eine gegen die Fläche des Fußes
drUckende Spitze und eine andere, mit dem Gehäuse verbundene Spitze aufweist.
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Zweckmäßig werden beim Meßwandler auf der Oberfläche des Rußes Vertiefungen
dreieckigen Profils ausgeführt, bei denen der Winkel zwischen den Wänden größer
als der Winkel der Spitzen der Säulen ist und mit denen die Spitzen der Säulen kontaktieren.
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Zweckmäßig wird im Meßwandler die Spitze mindestens einer der Säulen
mit dem Gehäuse über eine Feder verbunden, deren Kraft längs der Säule gerichtet
ist, während die Spitzen der anderen Säulen mit dem Gehäuse fest verbunden sind.
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Der oben beschriebene Wandler gewährleistet eine höhere Meßgenauigkeit
für die Kraft gegenüber den bekannten Kraftmeßwandlern. Die höhere Meßgenauigkeit
wird durch die oben beschriebene Anordnung und Befestigung des elastischen Körpers
im Gehäuse des Wandlers erreicht. Der elastische Körper ist im Gehäuse mittels dreier
Säulen derart befestigt, daß die Verbindungsflächen der Säulen und des elastischen
Körpers auf drei kleine KontaktflächentauSweisende Punkte lokalisiert sind, was
den Dämpfungsgrad der Schwingungen des elastischen Körpers sta herabsetzt. Im Wandler
geschieht also keine Störung des Schwing betriebes des Resonators und damit keine
Abnahme der Meßgenauigkeit. Darüber hinaus sichert die Verbindung der einen Säule
mit dem Gehäuse mittels Feder eine DauerkraSt-zur Befestigung des elastischen Körpers
im Gehäuse.
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Dank der Anordnung des elastischen Körpers im Gehäuse mit einem Abstand
fehlen dessen Kontaktflächen zu den Gehäusewandc.
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was gleichfalls den Dämpfungsgrad des elastischen Körpers reduziert
und die Meßgenauigkeit fiir die Kraft erhöht.
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Die anderen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen
nachstehend an Hand ihres Ausführungsbeispiels und undie ter Bezugnahme auf/Zeichnung
näher erläutert werden. Bs ze¾;' Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kraftmeßwandler
mit frequenzmoduliertem Ausgangssignal, gemäß der Erfindung; Fig. 2 einen Schnitt
nach der Linie II-II zu Fig. 1, geschwenkt um einen Winkel cC Der Kraftmeßwandler
mit frequenzmoduliertem Ausganzssigna' enthält einen in einem Gehäuse 1 (Fig. 1)
mit einem Abstand untergebrachten elastischen Körper. Das Gehäuse 1 weist eine Zylinderform
auf. Der elastische hörer ist in Form eines freier genden Balkens 2 ausgeführt.
Der freitragende Balken 2 hat einen Fuß 3 und einen wirksamen Teil 4, die miteinander
mittels elastischer Gelenke 5 gekoppelt sind. Der wirksame Teil 4 des Balkens 2
stellt einen Winkelhebel dar und ist zur Aufnahme einer Kraftwirkung P vorgesehen.
Er ist mit einem eine Rille dreieckigen Profils aufweisenden Kraftaufnahmekopf 6
versehen.
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Der Abstand von der Achse der Gelenke 5 bis zur Rille auf dem Kopf
6 bestimmt das Maß A - Länge des größeren Hebelarmes. Das Maß B bestimmt die Länge
des kleineren Hebelarmes.
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Die Verbindung des wirksamen Teiles 4 mit dem Fuß 3 mittels elastischer
Gelenke 5 gewährleistet beim beschriebenen Wandler die Stetigkeit (Monotonie) seiner
Ausgangskennlinie und eine Genauigkeitserhöhung bei der Kraftmessung,.
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Der Fuß 3 des freitragenden Balkens 2 ist im Gehäuse 1 befestigt.
Zu diesem Zweck ist auf der Oberfläche des Fußes an dessen Umfang eine Ringnut 7
dreieckigen Profils ausgeführt.
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Innerhalb des Gehäuses 1 (Fig. 2) sind auf dessen umfang drei um 1200
gegeneinander versetzte Säulen 8 angeordnet. Jede Säule 8 hat eine Spitze 9 (Fig.
1) und eine andere Spitze 10. Die Spitzen 9 weisen eine Form von Prismenkeilen oder
Kegeln auf.
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Die Spitzen 9 der Säulen 8 drücken gegen die Ringnut 7. I-tierbei
ist der Winkel zwischen den Wänden der dreieckigen Nut 7 größer als der Winkel der
Spitzen 9 der Säulen 8. Dadurch wird ein Spitzenkontakt der Säulen 8 mit der Oberfläche
des Fußes 3 ermöglicht. Dank diesen Spitzenkontakten der Säulen 8 mit dem Fuß 3
nimmt der Dämpfungsgrad der Schwingungen des freitragenden Balkens 2 sprunghaft
ab und die Meßgenauigkeit für die Kraft folglich zu.
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Die Spitzen 10 der Säulen 8 sind mit dem Gehäuse 1 verbunden. Die
Spitzen 10 der zwei Säulen 8 sind mit dem Gehäuse 1 fest und die Spitze 10 der dritten
Säule 8 mit dem Gehäuse 1 mittels einer Blattfeder 11 verbunden. Die Kraft dieser
Feder 11 ist längs der Säule 8 gerichtet. Die Feder 11 ist am Gehäuse 1 mittels
Bolzen 12 und 13 befestigt. Das Vorhandensein der Feder
11 ermöglicht
eine Dauerkraft zur Befestigung des Balkens 2 im Gehäuse 1.
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Der Meßwandler enthalt auch einen elektromechanischen selbsterregten
Generator 14. Er weist einen Resonator, zwei polarisierte Magnete 15 und 16 und
einen Verstärker 17 auf.
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Der Resonator stellt einen prismatischen Stab 18 dar, der eine eigene
Biegungssteifi£keit besitzt. Das eine Ende des Stabes 18 ist mit dem kleineren Hebelarm
B des Winkelhebels und das zweite mit dem Fuß 3 des freitragenden Balkens 2 verbunden
Der Stab 18 ist mit dem freitragenden Balken 2 als Ganzes ausgabe führt und dessen
Bestandteil Die Sciivingungsfreque des Resonators hängt von der Kraftwirkung auf
den KraftauSnahn kopf 6 des wirksamen Teiles 4 ab.
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Die polarisierten Elektromagnete 15 und 16 sind an. zwei Seiten des
Resonators angeordnet. Der eine Elektromagnet 15 - Adapter - ist mit dem Eingang
eines Verstarkers 17 verbunden und dient zur Umwandlung einer mechanischen Schwingung
in Schwingungen der Stromspannung. Der zweite Elektromagnet 16 - Erreger - ist mit
dem Ausgang des Verstärkers 17 verbundes und dient zur Umwandlung von Schwingungen
des elektrischen Strc mes in eine elektromagnetische Kraft zur Aufschaukelung des
P.esonators 16.
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Der Verstärker 17 ist aus Halbleiterbauelementen aufgebau-: und arbeitet
im Betrieb der Amplitudenbegrenzung. Das Ausgan signal des Wandlers wird dem Verstärker
17 über darin eingehenc zusätzliche Stufen entnommen.
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Zur Begrenzung der Belastung ist in das Gehäuse 1 eine Schraube 19
so eingeschraubt, daß bei einer Überlast der größere Hebelarn A gegen die Stirn
der Schraube 19 drückt. Das Gehäuse 1 des Wandlers ist an einem Stellarm 20 derart
befestigt, daß die Achse der elastischen Gelenke 5 zur Horizontalebene um einen
Winkel α(Fig. 2) geneigt ist. Die Koi struktion des Stellarmes 20 gestattet
es, den Wandler darin in der Weise zu verschwenken, daß die Empfindlichkeit bei
einer Nennlast dem erforderlichen Wert entspricht. Au Stellarm 22 gibt es Striche
und Vorzeichen (+) und (-) und am Gehäuse 1 ei Ablesem1ie Drehrichtung zur Vergrößerung
bzw. Verringerung der Empfindlichkeit anzeigen. Der Stellern 20 ist mit gicht gezeigten)
Kappen versehen, mit deren Hilfe der Wandler auf der (nicht gezeigten) Auflagefläche
befestigt wird.
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Dank dieser Ausführung des Stellarmes 20 wird die Regr lung der Empfindlichkeit
des Wandlers ermöglicht, weil als effektive, den Empfindlichkeitswert des Wandlers
bestimmende kraft Peff. eine auf der Achse der elastischen Gelenke 5 senkrecht stehende
Komponente der zu messenden Kraft P gleich Peff = P.cos;t auftritt mit α=regelbarer
Neigungswinke der Achse der elastischen Gelenke 5 zur Horizontalebene.
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Der Kraftmeßwandler mit frequenzmoduliertem Ausgangssignal arbeitet
wie folgt.
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Bei der Einschaltung des elektromechanischen selbsterregt.
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Generators 14 (Fig. 1) wandelt der als Erreger auftretende Ele?
tromagnet
16 die Schwingungen des elektrischen Stromes. in eine elektromagnetische Kraft zur
Aufschaukelung des Resonators ula.
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Die entstehenden mechanischen SchvJingungen des Itesonators werden
durch den als Adapter wirkenden Elektromagnet 15 in Schwin elektrischer zungen /
Spannung verwandelt. Auf solche Weise kommt der Schwingbetrieb des Resonators zustande.
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Bei der einwirkung der zu messenden Kraft P auf den größeren Hebelarm
A des Winkelhebels entstehen in dem als Resonator wirkenden prismatischen Stab 18
Knickspannungen, die die Quersteifigkeit des Stabes 18 und folglich dessen Schwingungsfrequenz
ändern. den Änderungen der Schwingungsfrequenz d Resonators wird auf den Wert der
zu messenden Kraft P geschlos sen. Hierbei wird das eine Information über die Änderung
der Schwingungsfrequenz des Resonators tragende Ausgangssignal am Verstärker 17
abgenommen und einem(nicht gezeigten) Frequenzmesser zugeführt.
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