DE2615141A1

DE2615141A1 - Kapazitativer geber

Info

Publication number: DE2615141A1
Application number: DE19762615141
Authority: DE
Inventors: Per Lennart Christiansson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-04-08
Filing date: 1976-04-07
Publication date: 1976-10-14
Also published as: SE7503998L; DK163776A; US4102422A; GB1542732A; SE399963B; FI760931A; NO761183L

Description

Herr Per Lennart 7. April 1976

Christiansson

Lund / Schweden 1531-1-8910

Pa t e citanme lciu n£

Kapazitativer Geber

Die Erfindung besieht sich auf einen kapazität!ven Geber, im Besonderen geeignet zur Anwendung beim Bestimmen der Belastung von Strassendecken, Brückenkonstruktionen usw. Der Geber ist ausserdem so beschaffen, dass er auf der Strasse angebracht werden kann ohne den Verkehr zu beeinträchtigen. Er kann deshalb leicht in mobilen Wiegestationen angewandt werden.

Geber für die Anwendung in mobilen Wiegestationen sind bereits bekannt. So hat beispielsweise Decca Navigator und Radar AB einen Geber, der für derartige Zwecke vorgesehen ist. Ausserdem sind Geber, bestehend aus konduktiven Gummimatten, welche hatiptsächlich für die Gewichtbestimmung von Containern entwickelt wurden, von Metrodyne hergestellt worden.

Der erstgenannte Geber ist an und für sich in mobilen WiegeStationen anwendbar, aber ist verhältnismässig teuer und weist ausserdem andere Nachteile auf. Der letztgenannte Geber hat u.a. den Nachteil, dass das Ausgangssignal von der Fläche abhängig ist, auf welche die Belastung einwirkt.

Der Hauptzweck der Erfindung ist, einen leicht herstellbaren und zuverlässigen Geber zti erhalten. Der Geber soll ausserdem so beschaffen sein, dass dessen Fläche annähernd wahlfrei ist. Ausserdem wird ge-

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ORIGINAL INSPEGTED

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fordert, dass der Geber die grösstmögliche Empfindlichkeit unter Beibehaltung der verhältnismässig geringen Höhenabmessungen aufweist. Ausserdein soll der Geber gut von der Umgebung abgeschirmt sein, damit dessen Störungsempfindlichkeit gering ist. Es ist in? Weiteren wesentlich, dass der Geber so beschaffen ist, dass das elektrische Ausgangssignal des Gebers linear in Abhängigkeit von der aufliegenden Last und dadurch flächenunabhängig ist.

Zur Erfüllung dieser Bedingungen wird ein kapazitativer Geber entsprechend der Erfindung vorgestellt, der in seiner einfachsten Form dadurch karakterisiert werden kann, dass er wenigstens ein Geberelement aus einem elastischen Materialkörper umfasst, der entlang zv/ei entgegengesetzten Seiten mit Blechen aus leitenden Metall verseilen ist, sowie einer Mehrzahl im Materialkörper vorhandenen zueinander angeschlossenen elektrisch leitenden Drähten oder Streifen, die einen vom Geber elektrischen Ausgang bilden.

Weitere Besonderheiten für die Erfindung gehen aus den beigefügten Patentansprüchen hervor und v/erden ausserdem erläutert durch die zu den Zeichnungen gehörenden Beschreibung einer vorgestellten Ausführungsform. Der Geber kann auch als Detektor verwendet werden. In diesen Falle ist es nicht notwendig, dass die Bedingung für ein lineares Ausgangssignal erfüllt wird. Die Empfindlichkeitsansprüche sind bei derartiger Anwendung ebenfalls nicht kritisch.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch das Geberelement entsprechend der Erfindung. Eine Torrichtung für die mechanische Torspannung des Elementes ist dabei noch nicht angebracht.

Fig. 2 zeigt das Geberelement aus Fig. 1 mit einer angebrachten Torrichtung für das Zustandekommen der Torspannung.

Fig. 3 zeigt das Geberelement in Fig. 2 in Seitenansicht.

Fig. 4 zeigt eine Auffahrtsrampe für eine Wiegestation in der der Geber entsprechend der Erfindung enthalten ist.

Fig. 5 zeigt die Abfahrtsrampe der Wiegestation in Pig. 4.

Fig. 6 ist eine Teilansicht der Wiegestation einschliesslich Auffahrtsund Abfahrtsrampen gem. Fig. 4 und 5.

Fig. 7 ist eine Ansicht von oben auf die Wiegestation in Fig. 6.

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Unter Hinweis auf Fig. 1 wird dort das Gebereiement in nicht vorgespanntem Zustand gezeigt. Das Element besteht aus einem oberen Deckblech 10, einem unteren Deckblech 11 und einem zwischenliegenden, elastischem Materialkörper 12. In diesem besonderen Fall bssteht der Materialkörper 12 aus zwei Streifen aus Naturgummi..Der obere Streifen ist an seiner Oberseite 13 steif fixiert an der Unterseite des oberen Bleches 10 und der untere Gummistreifen iot an seiner Unterseite 14 steif fixiert an der Oberseite des Bleches Die Streifen haben eine im Wesentlichen identische Querschnittsfläche und liegen der ganzen länge der Streifen entlang aufeinander. Die Bleche 10, 11 erstrecken sich an beiden Seiten über die Seitenkanten 15j 16 der Streifen, um eine Deformation des Gummis unter Einwirkung der Belastung zu ermöglichen und wenn Bänder (Fig. 2) um das Element angebracht werden, um eine Vorspannung zu erhalten. Die Bleche 10, 11 erstrecken sich im Wesentlichen entlang der gesamten Streifenlänge. Entlang der gemeinsamen Anliegeflächen 17 der Streifen selbst, welche gleichzeitig die Zentrumschicht bildet, sind die Streifen aneinander mit einem Kontaktkleber für Weichnaterial befestigt. An im Wesentlichen gleichen Abständen voneinander, entlang der Zentrumschicht, befinden sich parallel verlaufende Metalldrähte 18. An der einen Seite des Streifens oder Elements sind die Drähte durch eine querverlaufende Verbindungsleitung elektrisch zusammengeschlossen und diese Verbindungsleitung ist an ein Koaxialkabel 19 angeschlossen, welches den elektrischen Ausgang des Elements bildet.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird das Element von einer Aussenhülle umgeben. Diese Hülle hat die Aufgabe, mechanische Vorspannung in den Gummistreifen 12 zu erzeugen und kann beispielsweise aus einem Gummiband bestehen, mit dem die ganze länge des Elements umwickelt wird.

Bevor die Anbringung des Geberelementes in einem Geber zur Ermögliehung des Feststeilens von Belastung (Fig. 4-7) behandelt wird, soll die Deformierung und Kapazidanzänderung im Geberelement erfolgen. Die erfolgende theoretische Ermittlung bezieht sich auf die Äusführungsform gemäss Fig. 1-3·

Die Drähte zwischen den Gummistreifen haben keinen nennenswerten Einfluss auf die Deformierung. Der Ausdruck für die Deformierung

R 0 9 R U ') i "ι w G 5

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muss auc der Theorie für Ouir.i:.ilagex geholl v/erden. Wenn ausserdem berücksichtigt wird, dass die Ausbreitung der Belastung in Längenrichtung; der Streif ort gross im Verhältnis zu der in der Breite ist, erhält nan für die Deformierung folgenden Zusammenhang:

wobei r = Deformierung, ρ = Kraft/Fj-ächeneinheit, t = Gesamtdicke der Streifen, G = Schubeinheit und b = Breite des Streifens.

Wie eben erwähnt, bieten die Drähte keinen Widerstand gegen horizontale Deformierimg quer zur Längenrichtung der Streifen, weshalb grössere Deformierung entsteht als es der Fall wäre, wenn eine zusammenhängende Kotallschicht zwischen den Gummistreifen zur Verwendung käme. Im aktuellen Fall entspricht die Deformierung vier mal der Deformierung die bei Anwendung von Metallblech zwischen den Streifen entstehen würde. Aus dem gegebenen Zusammenhang geht hervor, dass die relative Deformierimg sich quadratisch mit der Schichtstärke ändert. Nachdem ein relativ weicher Kontaktkleber zwischen den Gummistreifen zur Verwendung könnt, entsteht zwischen Gummi und Kleber auch keine Schubkraft.

Aus dem gegebenen Zusammenhang geht auch hervor, dass die Deformierung linear mit der äusseren Last ist.

Es kann angenommen werden, dass b = 35 mm, t = 4 mm, 1 = 2000 mm (Streifenlänge) und G - 3,5 kp/cm . Die relative Volumenveränderung zwischen den Blechen wird deshalb per Mp

S p-· t² · 1000 _n „ t ⁼ ⁼ °'⁵³

Es wird eingesehen, dass der elektrische Aufbau des Streifens als zwei Kondensatoren mit gemeinsamer Spannungsführung oder "va"-Elektrode, nämlich die Drähte, betrachtet werden kann. Aufgrund dessen, dass die Bleche 10, 11 die Streifen umgeben, wird die Störungsempfindlichkeit praktisch ausgeschlossen.

Die Kapazidanz für jede der Kondensatorhälften kann wie folgt bestimmt werden:

_ (Dielektrizitätskonstante Gummi) » (Area) ~ Tf · 4 · (Abstand zwischen den Blechen)

6 0 9 8 U 7 i M μ Γι R

Wenn die Dielektrizitätskonstante für das angewandte Gunnä gleich 2,9 und die Drähte eine Breite von 6 · 0,55 mm = 3,3 cm haben, wird di f Mittelblechbreite (3»3 + 4,o):2 = 3,65 cm und die Kapaaid^jns wird

Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine Reduktion der Kapayidanz erfolgen nmss, wenn das Blech durch Drähte ersetzt wird (Randerscheinung). Je weiter die Drähte voneinander entfernt liegen, desto grosser wird die Reduktion. Messungen haben gezeigt, dass die Kapazidanz G im aktuellen Falle bei 800 pF liegt.

Pur kleine Deformierungen wird die Kapazidanzänderung linear mit dem Zusammendrücken Ä , Die gesamte Kapazidanzänderung wird dadurcii pro«- portional gegen die Volumenveränderung. Deshalb erhält man pro Element

'" ~ 4 PF-.MP

Versuche haben ergeben, dass es mit passender Elektronik möglich ist, die Belastungsveränderungen bis herunter zu ungefähr 20 kp zu messen. Dies entspricht Änderungen der GrossenOrdnung 0,03 pF in der gesamten Kapazidanz des Geberelementes.

Der Anlass für die mechanische Vorspannung des elastischen Materials wird im folgenden kurzgefasst behandelt. Aufgrund des molekularen Aufbaus von Gummi erreicht man bei vorliegender Anwendung prinzipiell einen Zusammenhang zwischen elektrischem Ausgangsignal und Deformierung, der nicht linear entlang des ganzen Deformationsintervalles ist. Es entsteht somit ein Knie, ungefähr bei einer Belastung von 3 kp/crn^. Bei höheren Belastungen ist der Zusammenhang linear. Die Unlinearität kommt davon, dass Gummi.als aufgebaut aus weicheren und härteren Federn angesehen werden kann. Aber dadurch, dass das Gummi vorgespannt wird, beispielsweise mit dem elastischen Band 20, bis auf ungefähr 3 kp/cm , wird diese Unlinearität vermieden und die Deformierung oder das Ausgangssignal wird linear im gesamten Intervall der aufgelegten Last.

In Fig. 4-7 wird eine mobile Wiegestation gezeigt, welche als kapazitativer Geber sieben zusammengeschlossene Geberelemente der principiellen Ausführung verwendet, wie in Fig. 1-3 gezeigt.

In Fig. 4 wird Ausschnitt einer Auffahrtsrampe einer Wiegestation gezeigt. Die im Geber nebeneinander liegenden Elemente werden durch ein Deekblech 21 abgedeckt und an der Unterseite der Elementa befindet sich

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ein Gummituch ?2. Das Gummituch 22 wird möglichst auf der Unterseite des Dachblechen 21 festgeklebt. Das Deckblech ist an eine Sektion aus Gummi geklebt. Mit Hilfe von Schrauben 24, die an einem Blech befestigt sind, welches teils an ein Gummituch 25, teils an ein weiteres Gt)JuITIituch 26 geklebt ist, wird das Deckblech 21 befestigt und die dar aufgeklebte Sektion 23 an den genannten Ginur.it üchern und Blechen, dadurch, dass eine Mutter auf dem Schaft der Schraube 24 angebracht und zum Eindringen in das Loch 41 in Sektion 23 gebracht wird. Das Blech 27 und aas Gunnituch 26 erstrecken sich über die Sektion 23 hinaus und sind angebracht zwischen dem Gummituch 25 und einer weiteren Rampenauffahrtssektion 45 aus Gummi. Die Sektion 45 ist an das Blech im Bereich 42 geklebt und ist mit dem verbleibenden Rest seiner Länge an das Gummituch 26 geklebt« Wenn Geber und die Sektion 23 an den übrigen zuletzt beschriebenen Teilen der Auffahrtsrampe befestigt sind, wird die Rampe auf der Unterlage 29 befestigt, indem Nägel oder Schrauben durch versenkte Löcher 28 und die Unterlage 29 geführt werden. Die Nägel oder Schrauben durch diese Löcher nehmen die horizontalen Kräfte auf. Weitere Löcher 48 erstrecken sich in einer Ebene parallel zur Längenrichtung des Gnbers schräg abwärts gegen die Unterlage 29 und sind dazu vorgesehen, schiefgestellte Nägel oder Schrauben aufzunehmen, welche.die auf die Auffahrtsrampe vertikal einwirkenden Kräfte auffangen. Die Auffahrtsrampe erstreckt sich quer zur Länge des Gebers. Die Abmessungen der Elemente für die Auffahrtsrampe können folgende sein: Gummituch 26 (i mm), Blech 27 (i mm) und Gummitücher 45, 23 und 25 (4imn). Dies ergibt eine gesamte Rampenhöhe von 11 mm. Das Blech 21 und das Gummituch 22 können eine Stärke von 1mm haben.

In Fig. 5 wird die Abfahrtsr ampe yom Geber gezeigt. Auf die gleiche Yfeise wie bei der-Abfahrtsrampe, befindet sich ein am Deckblech 21 befestigtes, z. B. geklebtes Gummituch 30 über dem Deckblech 21. Das Gummituch 30 und das Deckblech 21 werden auf gleiche Weise wie bei der Auffahrt befestigt. Auf gleiche Weise wie bei der Auffahrtsrampe besteht die Abfahrtsrampe an ihrem, von unten gerechnet, dem Geber nächstgelegenen Teil, aus einem Gummituch 32, einem Metallblech 33 und einem Gummituch. 49. Der abgelegenere Teil der Abfahrtsrampe ab der gestrichelten Linie A-A ist im Prinzip auf die gleiche Weise aufgebaut, wie der vordere Teil der Auffahrtsrampe, d. h. dem Gummituch 32, dem Metallblech 33, dem Gummituch 34 und das obere Tuch 35 wird duech die Unterlage

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mit Hilfe -von Schrauben oder Nägeln am Platz gehalten, welche durch versenkte Löcher 46 und 47 eingeführt sind. Im mittleren Teil der Auffahrtsrampe befindet sich ein Eeitengeber. Für diesen Zweck sind zwischen dem Gummituch 32, dem Blech 33 und dem Gummituch 35 sich quer zur Abfahrtsrichtung erstreckende Gummistreifen 43 und eine Anzahl quer zur Abfahrtsrichtung nebeneinanderliegonder und sich in Abfahrt srichtung erstreckende Metallstreifen 44 eingelegt.

Die jeweiligen Metallstreifen 44 sind an die elektrischen Ausgangsleitungen 37 angeschlossen.

Die Funktion des Seitenlagegebers ist in Kürze folgende: Wenn ein Metallstreifen 44 in der Reihe von Metallstreifen durch äussere Belastung beeinflusst wird und über den Raum 36 zur Anlage gegen das darunterliegende Metallblech 33 gebracht wird, schliesst sich ein elektrischer Kreis und die dazugehörige Ausgangsleitung 37 erhält einen Aussignalimpuls. Durch entsprechende Behandlung dieser Aussignalimpulse wird es möglich, die Angriffsstellung in der Seitenrichtung für die auf die Abfahrtsrampe einwirkende Last zu bestimmen. Dadurch, dass die Zeit detektiert v/ird, welche der maximalen Belastung des Gebers entspricht, oder der Zeitpunkt für den Beginn der Belastung auf passende Weise signalbehandelt.und in der Elektronik gespeichert wird, entsteht die Möglichkeit, um, ausgehend von der Zeit, wann der Seitenlagegeber betätigt wurde, den Zeitunterschied zwischen der Einwirkung auf den Geber und den Signalgeber zu bestimmen und dadurch eine Angabe über die Geschwindigkeit des passierenden Fahrzeuges zu erhalten.

In Fig. 6 wird die komplette Wiegestation, umfassend Auffahrtsrampe 38, Geber 39 und Abfahrtsrampe 40 gezeigt. Mit dem Ffeil 50 wird die Bewegungsrichtung für das Fahrzeug auf der Fahrbahn 29 angegeben.

In Fig. 7 wird schliesslich die Wiegestation in Fig". 6 von oben gesehen gezeigt.

Wie bereits erwähnt, kann die Breite des Gebers nach freiem Ermessen gewählt werden und es ist möglich, diesen so breit zu gestalten, dass er wahlfrei von der ganzen oder halben Fahrzeugachse befahren werden kann. Es ist aber auch möglich, den Geber sich über die gesamte Fahr-

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bahn erstrecken zu lassen. Die Elektronik, welche für die Behandlung der Gir;nale vom Geber verwendet wird, stellt keinen Teil der Erfindung dar. Deren Punktion ist in Kürze folgende: Jedes Geberelement wird mit Viereckimpulaen einer Frequenz in der Grössenordnung 20 kHz gespeist. Bei Belastung des Gebers ändert sich, wie bereits vorstehend angeführt, die Kapasidans des Gebers und dadurch auch die Entladungszeit für jedes im Geber enthaltene Element, wenn die Entladung über eine bestimmte Resistanz erfolgen kann. Durch Studium der Entladungskurve und Umwandlung dor Änderung in Zeit und danach in Spannung, erhält man ein mit der Kapazidanzänderurig variierendes analoges Signal. Dieses Signal wird daraufhin verstärkt und mit einem konventionellen Analog/Digitalumwan dler detekti ert.

Das Registrieren kann- fortlaufend erfolgen oder kann auch mit dem Maximalwert der Belastung registriert werden.

Kit der Elektronik kann ausserdem eine Mindestlast eingestellt v/erden, unter v/elcher keine Registrierung erfolgen soll. Auf diese Weise kann man beispielsweise Personenwagen von.Lastwagen unterscheiden. Mit Hilfe des Seitenlagegebers ist es wie bereits erwähnt möglich, die Geschwindigkeit des Fahrzeuges zu bestimmen» Dies erlaubt auch die Möglichkeit zur Korrektur von Lastwerten aufgrund der eventuell entstehenden dynamischen Kräfte.

Auch wenn eine spezielle Ausführungsform beschrieben und gezeigt wurde, ist einzusehen, dass Modifizierungen und Änderungen im Rahmen der Erfindung möglich sind, entsprechend den Definitionen in den beigefügten Patentansprüchen.

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Claims

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1. Kapazität!vor Geber, vorgesehen ztu- Verwendung bei Bestimmung --- der Belastung von Fahrbahnen, Brücken oder dor;'l., dadurch gekennzeichnet, dass dieser wenigstens ein Geberelement enthält, einen elektrischen !.laterialkorper (12) ur.-.x'ao der entlang zwei entgegengesetzter Seiten fest mit Blechen (1O, 11) aus elektrisch leitendem Material verbunden ist, dass eine Mehrzahl im Materialkörper vorhandenen elektrisch leitende Di·Uhte (iß) oder Streifen elektrisch zueinander angeschlossen sind, um einen elektrischen Ausgang (19) vorn Geber zu bilden und dass die Bleche (1O, 1i) und der dazwischenliegende Materialkörper (12) unter mechanischer Vorspannung durch eine die Bleche gegeneinander belastende Vorrichtung (20) zusammengehalten werden.

2. Geber, gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Bleche gegeneinander belastende Vorrichtung (20) eine solche Kraft auf das zwischen den Blechen vorhandene Material ausübt, dass das elektrische Aussignal vom Ausgang des Gebers linear in Abhängigkeit von der Belastung wird.

3. Geber, entsprechend einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte (ΐδ) oder Streifen untereinander über im Wesentlichen gleichen Abständen sich in der Längenrichtung des Materialkörpers (12) erstrecken.

4. Geber, entsprechend einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungsvorrichtung aus einem elastischen Band (20) besteht.

5« Geber, entsprechend einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, dass über die genannten leitenden Bleche hinausragende Teile als Vorspannungsvorrichtung ausgenützt werden.

6. Geber, entsprechend einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialkörper aus zwei entlang der im Wesentlichen ganzen Länge, davon aufeinander entlang einer Zentrumebene (17)_; gelegenen Gummistreifen (12) besteht.

7. Geber, entsprechend Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Flächen der Gummistreifen (12) mit

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weichem Kontaktkleber oder durch Vulkanisierung zusammengefügt sind und dass die Streifen an den leitenden Blechen durch Zyanoakrylkleber oder ähnlichem befestigt sind.

8. Geber, genäes einem der vorstellenden Ansprüche, bei dem der Geber eine Mehrzahl von Seite an Seite gelegenen Geberelementen enthält, die mit ihrer einen Seitenfläche der Fahrbahn zugekehrt sind, dadurch gekennzeichnet, 'dass entlang der Seiten des Gebers, quer zur Fahrbahn, Auffahrts- und Abfahrtsrampen (38, 40) angebracht sind und dass zwischen diesen Rampen ein Deckblech (21) über der Oberseite des Gebers angebracht ist.