DE2627303C3 - Vorrichtung zur elektromechanischen Wandlung einer physikalischen Meßgröße in eine elektrische Größe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektromechanischen Wandlung einer physikalischen Meßgröße in eine elektrische Größe, insbesondere elektromethiinische Wägevorrichtung, mit einem Kraftaufnehnier mit /u einer Meßbrücke geschalteten Dehnungsmeßstreifen und mit Einrichtungen zur Unterdrückung der NullDunktdrift.

Bei üolchen Vorrichtungen, insbesondere wenn sie im Bereich, der Wägetechnik eingesetzt werden, ergibt sich ein erhebliches Problem mit Bezug auf die Langzeitkonstanz des Nullsignals, an die aus eichtechnischen und meßtechnischen Gründen besonders hohe Anforderungen gestellt werden müssen.

Die Nullpunktkonstanz bei elektromechanischen Wandlervorrichtungen, die beispielsweise Kraftaufnehmer mit Dehnungsmeßstreifen verwenden, kann aus

ίο einer Vielzahl von Gründen negativ beeinflußt *erden, etwa durch Drifterscheinungen an den verwendeten mechanischen und elektrischen Komponenten, durch nicht völlig zu kompensierende Temperaturabhängigkeiten, durch bleibende Verformungsänderungen, wenn nach Wegnahme eines zu wägenden Gutes über längere Zeiträume gesehen das System nicht mehr völlig auf Null zurück geht, oder durch sonstige, sich beispielsweise auf die einzelnen Komponenten der Wandlervorrichtung unterschiedlich auswirkende Einflüsse.

Handelt es sich bei der Wandlervorrichtung um einen Kraftaufnehmer mit Dehnungsmeßstreifen, so ist es zwar möglich, die Temperaturkoeffizienten von Dehnungsmeßstreifen und Dehnungskörper, auf welchem die Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind und der der mechanischen Einwirkung ausgesetzt ist, nahezu gleich zu machen, die Temperaturkoeffizienten sind jedoch nicht völlig identisch. Bei Temperaturänderungen ergeben sich Relati Dehnungen zwischen Dehnungsmeßstreifen und Dehnungskörper, die wiederum, wenn auch nur sehr kleine elektrische Signale erzeugen und das Meßergebnis beeinflussen können.

Bekannt ist es, zur Temperaturkompensation eine besondere Auswahl des Materials des Dehnungskörpers zu treffen und durch zusätzliche Dehnungsmeßstreifen und temperaturabhängige Widerstände, die auf ein nicht deformiertes Teil des Kraftaufnehmers aufgebracht sind, und durch empirische Bestimmung der Größen dieser zusätzlichen Kompensationsmittel eine relativ gute Konstanz des Nullsignals zu erreichen.

Dies ist jedoch kompliziert, er^fordert zusätzliche Elemente, entsprechende Eichungen und Justierungen und kann vor allen Dingen nicht in sämtlichen Fällen die Nullpunktkonstanz solcher Kraftaufnehmer sichern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur elektromechanischen Wandlung einer physikalischen Meßgröße, insbesondere eine elektromechanische Wägevorrichtung, zu schaffen, die eine außerordentlich hohe Nullpunktkonstanz aufweist, dennoch aber die zu messende Meßgröße mit hoher Genauigkeit erfassen kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:

« a) Die Einrichtungen zur Unterdrückung der Nullpunktdrift weisen eine zweite, wie die erste Meßbrücke aufgebaute Meßbrücke mit Dehnungsmeßstreifen auf;

b) es sind Vorspanneinrichtungen zur Nullpunklver-Schiebung vorgesehen, mit deren Hilfe die Dehnungsmeßstreifen beider Meßbrücken mit der gleichen, ständig wirksamen, mechanischen Vorspannung beaufschlagbar sind;

c) die Ausgangssignale beider Meßbrücken sind f>5 einander cntgegengeschaltet und

d) die Meßgröße wird derart in die Meßvorrichtung eingeleitet, daß sie nur auf eine der beiden Meßbrücken einwirkt.

Aus der DE-AS 15 73 865 ist es zwar bereits bekannt, für die Speisung von Brückenschaltungen eine Gleichspannungsquelle vorzusehen, was aber die Erfindung offenbar nicht betrifft, da es bei der vorbekannten Schaltungsanordnung darum geht, an einem einzigen säulenförmigen Maschinenteil die Meßstreifen von Meßbrücken so zu befestigen, daß zueinander senkrechte Komponenten von Biegemomenten-Vektoren ermittelt werden können. Weiterhin ist aus der DE-AS 12 95 213 eine Meßanordnung zur Messung des Verhältnisses der Differenzen nichtelektrischer Größen mit Hilfe von Widerstandsgebern bekannt, was mit Hilfe von paarweise an den Meßobjekten angeordneten, in Reihe geschalteten Widerstandsgebern erfoigt, die gegensinnig gespeist sind, wobei die Spannungsdifferenzen über den Widerstandsgebern jeweils an einen Meßzweig eines Quotientenmeßwerks angelegt werden. Auch diese vorveröffentlichte Auslegeschrift kann somit keine Anregung in Richtung auf die erfindungsgemäße Lösung vermitteln.

Weiterhin befaßt sich die DE-OS 21 35 021 mit einem Verfahren zur Ermittlung von Materialspannungen und überdurchschnittlich harten Zonen in Stahlrohrsn, wobei gegensinnig geschaltete Hallgeneratoren verwendet werden, ohne daß sich dieser Druckschrift im übrigen Anregungen in Richtung auf die erfindungsgemäße Wandlervorrichtung entnehmen ließen.

Weiterhin ist aus der DE-AS 10 17 275 ein Verfahren zur leistungslosen Anzeige der Verstimmung einer elektrischen Meßbrücke an einer Kompensationsmethode bekannt, ohne daß eine Kompensation der Nullpunktdrift im Sinne der vorliegenden Anmeldung angesprochen würde. Dies gilt im wesentlichen auch für eine weitere aus der DE-AS 12 14 425 bekannte Kompensationsmeßbrückenanordnung sowie für einen S5 aus der DE-AS 12 76 348 bekannten Meßgeber für elektrische Spannungen oder Ströme.

Im Gegensatz zu dem aus den vorstehend genannten Druckschriften ersichtlichen Stand der Technik wird gemäß der Erfindung mit der Kombination der beanspruchten Merkmale der entscheidende Vorteil erreicht, daß eine Nullpunktdrift vollständig kompensiert wird, da im Ruhezustand des Systems und bei der Durchführung der Messungen diejenigen Signalanteile der Ausgangssignale der beiden Meßbrücken, die nicht unmittelbar auf die Meßgröße selbst zurückzuführen sind, durch die Maßnahme, daß die Ansgangssignale der Meßbrücken einander entgegengeschaltet sind, kompensiert werden, so daß nur noch die Wirkung der Meßgröße selbst gemessen wird. Werden also Kräfte, insbesondere Gewichtskräfte, gemessen, so stellt sich nach Wegnahme der zu messenden Krafteinwirkung von selbst ein konstantes Nullsignal ein, welches auch keiner Langzeitänderung mehr unterworfen ist, da die Meßstreifen, die vorzugsweise auf einem einzigen Kraftaufnehmer angeordnet sind, den gleichen äußeren Einflüssen unterworfen sind, so daß die einander entgegengeschalteten Ausgangssignale keine Signaländerung des resultierenden Ausgangssignals bewirken können. Zusätzlich ergibt sich aufgrund der ständig wirksamen mechanischen Vorspannung der Vorteil, daß die Signaleffassung durch eine Nullpunktverschiebung in einem besonders günstigen Bereich erfolgen kann.

Ausgestallungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. hi

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsbeispielen noch naher erläutert. Es zeigt

F ί g, 1 ein schematisches Blockschaltbild einer elektromechanischen Wandlervorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig.2 eine schematische Darstellung einer a's elektromechanische Wägevorrichtung ausgebildeten Vorrichtung gemäß der Erfindung und

F i g. 3 ein elektrisches Schaltbild einer elektromechanischen Wandlervorrichtung gemäß der Erfindung.

Die elektromechanische Wandlervorrichtung ist in F i g. 1 mit dem Bezugszeichen 1 versehen und umfaßt zwei Kraftaufnehmer 2a und 2b, die so ausgebildet sind, daß eine Änderung von auf die Kraftaufnehmer einwirkenden physikalischen Kräften eine entsprechende, bevorzugt proportionale Änderung ihrer elektrischen Ausgangssignale bewirkt. Die Kraftaufnehmer, die im wesentlichen aus dem System Dehnungskörper-Wandlerelement bestehen, sind identisch ausgebildet oder doch so justiert, daß sie für gleiche äußere Krafteinwirkung gleiche Ausgangssignale liefern; außerdem wird ihnen die gleiche Eingangsspannung Ue zugeführt. Die Ausgänge 3a und 3b der Kraftaufnehmer 2a und 2b sind so miteinander ve; wanden, daß es zu einer Entgegenschaltung oder Subtraktion der Ausgangsspannungen beider Kraftaufnehmer kommt; bei dem Ausführungsbeispiel der Fi g. 1 bilden die Ausgänge 3a und 3b einen gemeinsamen Summenpunkt 4, an dem die Ausgangsspannung Ua anfällt. Beide Kraftaufnehmer 2a und 2b werden von einer identischen, ständig einwirkenden Kraft P₀ beaufschlagt, was zu gleichen und infolge geeigneter elektrischer Beschallung entgegengesetzten Ausgangssignalen führt, so daß sich am Summenpunkt 4 die Ausgangsspannung Ua zu Null ergibt.

Wie ersichtlich, wirken sich äußere Einflüsse, beispielsweise Temperatur, Alterung, sonstige Drifteinflüsse u. dgl. auf beide Kraftaufnehmer 2a und 2b identisch aus, so daß ein solches System vom Prinzip her eine Langzeitkonstanz des Nullsignals sichert. Die zu messende Krafteinwirkung P_x wirkt sich lediglich auf den Kraftaufnehmer 2a aus und führt zu einer Störung des Gleichgewichts und einer entsprechenden Ausgangsspannung Ua-

Üer Darstellung der Fig.2 läßt sich eine erste Möglichkeit zur Realisierung der Wandlervorrichtung der F i g. 1 entnehmen, wobei ein Wägehebe! IO mittels einer Schneide 12 gestellfest gelagert ist. An der Schneide 13 wirkt die Lastschale 14 mit der aufgelegten Last 11 als vertikale Kraft nach unten. Dieses System ist durch eine Ausgleichsmasse 5 so kompensiert, daß bei der Belastung Null der Lastschale 14 an der Krafteinleitungsstelle 6 keine vertikale Kraft wirkt.

Senkrecht zum Wägehebel 10 erstreckt sich das Kraftaufnehmersystem, bestehend aus einem Kraftaufnehmer 7, auf welchem unterhalb und oberhalb der Kraf.eirJeitungsstelle 6 bei A und B Wandlerelemente angeordnet sind, die beim Ausführungsbeispiel als Dehnungsmeßstreifen ausgebildet sind. Der Kraftaufnehmer 7 ist hier ein einstückiges Stahlband, welches mit den Wandlerelementen A und B die Funktion der Kraftaufnehmer 2a und 2b übernimmt und gleichzeitig eine mechanische Kupplung der beiden Kraftaufnehmer infolge seiner einstöckigen Ausbildung sicherstellt. Bei A und B sind jeweils vier Dehnungsmeßstreifen auf dem Stahlband angeordnet, z. B. je zwei aul jeder Seite, insgesamt also acht Dehnungsmeßstreifen.

Der Kraftaufnehmer 7 ist bei 8 gestellfest gelagert und wird mittels einer Feder 9 in Funktionsrichtung vorgespannt. Die Einleitung der Meßkraft bei 6 erfolgt

formschlüssig, d. h. spielfrei.

Da die Totlast der Waage, hervorgerufen durch das Gewicht der Wägebrücke und des Hebelwerks, durch das Ausgleichsgewicht 5 oder durch eine entsprechende Federwirkung vollkommen ausgeglichen ist, ist die im unbelasteten Zustand am Kraftaufnehmer 7 wirkende Kraft gleich Null.

In diesem Fall erfassen beide Wandlerelemente A und B die von der Feder 9 auf den Kraftaufnehmer 7 ausgeübte Zugkraft, und es ergibt sich infolge der Gegeneinanderschaltung ihrer Ausgangssignale das Gesamtausgangssignal U_A = 0, gleichzeitig wird hierdurch die Langzeitkonstanz des Nullsignals gesichert, denn Änderungen der Federspannung, Alterung des Kraftaufnehmers, Temperatureinflüsse u.dgl. wirken sich auf beide Wandlerelemente A und flstets gleich aus und können den Nullpunkt nicht verschieben.

Ergibt sich an der Krafteinleitungsstelle 6 infolge einer aufgelegten Last ii eine vertikale Kraft, so wird, wie leicht einzusehen ist, durch diese Kraft das Wandlerelement A zusätzlich beaufschlagt, das Wandlerelement B wird jedoch durch diese Kraft nicht beeinflußt. Anstelle der Feder 9 kann auch eine Masse wirksam sein.

Weiterhin ist es möglich, die beiden Kraftaufnehmer 2a und 2b nicht durch ein einstückiges Stahlband entsprechend der Ausbildung des Kraftaufnehmers 7 zu realisieren, sondern zwei getrennte Kraftaufnehmer vorzusehen und an ihren oberen Endbereichen ortsfest einzuspannen. Verbindet man ihre unteren Endbereiche gelenkig über einen Querhebel, so kann man an der Mitte des Querhebels die Kraft der Feder 9 oder eines sonstigen geeigneten Gewichts einwirken lassen; diese Kraft verteilt sich gleichmäßig auf beide Dehnungskörper und wird durch eine an dem Anlenkpunkt des einen Dehnungskörpers mit dem Querhebel angreifende zusätzliche Kraft, nämlich durch die Meßkraft, nicht beeinflußt. Durch eine Querverschiebung der angreifenden Kraft am Querhebel können beispielsweise auch Unswnmetrien der beiden Systeme mechanisch kornpensiert werden; eine weitere Kompensationsmöglichkeit läßt sich elektrisch durch entsprechende Beschallung der Wandlerelemente erreichen.

Anstelle des durchgehenden vorgespannten Stahlbandes des Kraftaufnehmers 7 können auch sonstige geeignete Dehnungskörper, beispielsweise Federringe verwendet werden, deren Spannung oder Dehnung durch Dehnungsmeßstreifen oder sonstige Sensoren ermittelt wird.

F i g. 3 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel für die Ausbildung und Zusammenschaltung der Wandlerelemente; hierbei besteht jedes Wandlerelement A und B aus vier in Form einer Wheatstone'schen Brücke zusammengeschalteten Dehnungsmeßstreifen, die als Widerstände Ri-R4 und RY-RA' bezeichnet sind. Über geeignete, zwischen den Brücken angeordnete Abgleichwiderstände R5 und RB werden die sich an den Brückendiagonalen ergebenden Meßspannungen zur Subsiraktion in enispreciieiiuei Weise /.usainmeiigeschaltet und ergeben die Ausgangsspannung U_A; die Speisung der Brücke erfolgt mit Hilfe einer hochkonstanten Eingangsspannung Ue- Die Ausgangsspanniing Ua kann dann mit Hilfe weiterer, nicht näher zu beschreibender elektronischen Auswertesysteme verarbeitet und angezeigt werden. Die acht Widerstände Rl-Re. RY-RA' in F i g. 3 können z.B. die Dehnungsmeßstreifen bei Wund ßin Fig. 2 symbolisieren.

Es versteht sich, daß die Ausbildung der Wandlerelemente in Form der beiden Wheatstone'schen Brücken lediglich eine Möglichkeit zur Realisierung der erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung darstellt; beispielsweise ist es möglich, die als Dehnungsmeßstreifen ausgebildeten Wandlerelemente A und B lediglich als eine oder zwei Widerstandsbeschichtungen auf dem bandförmigen Kraftaufnehmer 7 aufzubringen und die Gegeneinanderschaltung unmittelbar in einer einzigen Wheatstone'schen Brücke oder einer sonstigen geeigneten elektrischen Schaltungsanordnung vorzunehmen.

Dian ^eicnnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur elektromechanischen Wandlung einer physikalischen Meßgröße in eine elektrische Größe, insbesondere elektromechanische Wägevorrichtung, mit einem Kraftaufnehmer mit zu einer Meßbrücke geschalteten Dehnungsmeßstreifen und mit Einrichtungen zur Unterdrückung der Nullpunktsdrift, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die Einrichtungen zur Unterdrückung der Nullpunktdrift weisen eine zweite, wie die erste Meßbrücke (A) aufgebaute Meßbrücke (B) mit Dehnungsmeßstreifen (Ry bis Ra) auf;

b) es sind Vorspanneinrichtungen (7 bis 9) zur Nullpunktsverschiebung vorgesehen, mit deren Hilfe die Dehnungsmeßstreifen (R\ bis Ra; Ry bis ftr) beider Meßbrücken (A; B) mit der gleichen, ständig wirksamen, mechanischen Vorspannung (P₀) beaufschlagbar sind;

c) die Aus2^ang^ss'g^na'^e beider Meßbrücken (A; B) sind einander entgegengeschaltet und

d) die Meßgröße (P_x) wird derart in die Meßvorrichtung eingeleitet, daß sie nur auf eine (A) der beiden Meßbrücken fA;iy einwirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftaufnehmer für die Meßbrükken (A, B) als Dehnungskörper (7) ausgebildet und kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungskörper beider Meßbrükken (A, B) a's einstückiger bandförmiger Kraftaufnehmer (7) ausgebildet sind und daß die Einleitstelle (6) für die Meßgröße (P_x) aii dem bandförmigen Kraftaufnehmer (7) zwischen den beiden Meßbrükken (A, B) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in Form einer Wägevorrichtung mit Totlast, dadurch gekennzeichnet, daß zur ausschließlichen Einleitung der die Meßgröße darstellenden Meßkraft (P_x) die Totlast der Wägevorrichtung (10, 14) durch eine Massen- und/oder Federwirkung (5) im wesentlichen kompensiert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bandförmige Kraftaufnehmer (7) als ein Stahlband ausgebildet ist, dessen eines Ende eingespannt ist und an dessen anderem Ende eine Vorspannkraft (Feder 9) angreift.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbrücken (A, B) als Wheatstone'sche Brücken ausgebildet sind, daß beide Brücken eingangsseitig mit der gleichen konstanten Eingangsspannung (Ue) beaufschlagt sind und daß die Meßdiagonalen beider Meßbrücken (A, B) derart miteinander verbunden sind, daß sich bei Fehlen einer Meßgröße (P_x) eine Gesamtausgangsspannung (Ua) von Null ergibt.