DE2638322C2 - Schaltungsanordnung zur Steuerung einer definiert einstellbaren Kraft eines Kraftgebers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruches beschriebenen Art.

Es sind Tauchspulwaagen bekannt, (Feinwerktechnik 74 (1970) Heft 5, Seiten 201 bis 203), bei denen die Bewegung des mit der zu messenden Kraft beaufschlagten Bauteiles mittels eines optoelektronischen Bauelementes erfaßt wird, in dessen Beleuchtungsstrahlengang sich eine mit dem genannten Bauteil bewegte Blende befindet. Das Ausgangssignal des optoelektronischen Bauelementes wird einer Regelschaltung zugeführt, über die die Bewegung des genannten Bauteiles mittels einer Tauchspule rückgängig gemacht wird. Da die von einer Tauchspule ausgeübte mechanische Kraft dem sie durchfließenden Strom proportional ist, ist letzterer ein Maß für das angreifende Gewicht, wenn die Tauchspule durch die Regelschaltung in ihre der Ruhestellung entsprechende Lage zurückgeführt ist. Als optoelektronische Bauelemente empfehlen sich insbesondere Fotodioden (Otto Limann, »Elektronik ohne Ballast« München 1971, Seiten 286 bis 287), deren Widerstand sich mit der auf ihrer wirksamen Oberfläche herrschenden durchschnittlichen Beleuchtungsstärke ändert, so daß der sie durchfließende Strom ein Maß für die durch das bewegte Bauteil verursachte Abschattung und damit ein geeignetes Signal für die Steuerung der Regelschaltung bildet.

Durch die DE-OS 21 43 933 ist es bekannt, Prüfkräfte für ein Testobjekt mit Hilfe von stromdurchflossenen Spulen zu erzeugen.

Der im Gattungsbegriff des Patentanspruches beschriebene von einer Tauchspule beaufschlagbare Kraftgeber besitzt eine Meßspitze, die mit der Spule fest verbunden ist und von einem Blattfeder-Parallelogramm geführt ist. Ein derartiges Blattfeder-Parallelogramm übt eine zusätzliche Gegenkraft auf die Meßspitze aus. Durch diese Gegenkraft wird die Kennlinie des Kraftgebers, die infolge der Proportionalität von Tauchspulenstrom und magnetischer Kraftwirkung an sich geradlinig verläuft, im Bereich größerer

ίο Kräfte versteuert. Eine weitere Abweichung vom linearen Verlauf der Kennlinie ergibt sich durch die nichthomogene Verteilung des von dem Topfmagneten der Tauchspule erzeugten magnetischen Feldes. Darüber hinaus wird die Kennlinie des Kraftgebers durch weitere Faktoren, beispielsweise durch Temperaturschwankungen, Eigenschaften der Fotodiode und der sie beleuchtenden Lampe beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der im Gattungsbegriff des Patentanspruches beschriebenen Art so auszugestalten, daß die erwähnten Veränderungen der Kennlinie des Kraftgebers korrigiert und ihr Anstieg in einem möglichst weiten Bereich linearisiert ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchesgelöst.

Die Kennlinie der beiden gegeneinander geschalteten Fotodioden verläuft im wesentlichen S-förmig, wobei ihr mittlerer Bereich symmetrisch zur Mittellage und annähernd geradlinig verläuft. In Verbindung mit zusätzlichen Bauelementen entsteht somit eine Kompensationskennlinie, deren Form zumindest annähernd derjenigen des Kraftgebers selbst entspricht, so daß sich insgesamt ein geradliniger Verlauf ergibt. Durch die Regelung der Helligkeit der Lampfe zur Beleuchtung der Fotodiode steht ein weiterer Korrekturfaktor für die Beeinflussung der Kennlinie in dem in der Aufgabenstellung genannten Sinne zur Verfügung.

Im folgenden sei die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert:

Der Kraftgeber besteht aus einer Kraftmeßdose und einem Regelkreis, durch den gewährleistet ist. daß die Meßspitze der Kraftmeßdose mit einer definierten einstellbaren Kraft auf das Meßobjekt einwirkt, so daß beispielsweise Kontakt- oder Durchgangswiderstandsmessungen durchführbar sind.

Die Kraftmeßdose beinhaltet eine bewegungsfest mit der Meßspitze verbundene Tauchspule S, die von einem Topfmagneten umgeben ist. Die Meßspitze ist durch ein Blattfeder-Parallelogramm geführt, so daß sie nur in einer Richtung hin- und herbewegbar ist. Je nach dem Richtungssinn dieser Bewegung übt die Meßspitze entweder einen Zug oder einen Druck auf das Meßobjekt aus.

Der Weg der Meßspitze wird mit Hilfe zweier gegeneinander geschalteter Fotodioden erfaßt. Die wirksamen Oberflächen dieser Fotodioden befinden sich im Beleuchtungsstrahlengang einer Glühbirne Lp.

In diesen Strahlengang ist eine als Bohrung ausgebildete Blende eingefügt, die mit der Meßspitze verschiebbar ist, so daß sich die Beleuchtungsstärke auf den Fotodioden mit der Bewegung der Meßspitze ändert.

Zu Beginn der Messung wird der von der Glühbirne

b^ri Lp zu den Fotodioden D verlaufende Strahlengang mit Hilfe einer Taricrungseinrichtung TE so verschoben, daß beide Fotodioden D gleiche Ströme führen. Anschließend wird die mit der Meßspitze auszuübende

Kraft mit Hilfe eines mit /wf bezeichneten Krafteinstellers vorgewählt.

Die dargestellte Schaltung enthält ferner einen analogen Spannungsmesser W sowie ein Digitalvoltmeter K. Der analoge Spannungsmesser W besitzt einen Skalenbereich, dessen Skalenteilung der korrigierten Kennlinie des Kraftgebers entsprich» Nach Einstellung der gewünschten Andruckkraft am Krafteinsteller KE wird die Kraftmeßdose durch Verschiebung des zu untersuchenden Objekts so stark gegen die Oberfläche dieses Objekts gedrückt, bis der Zeiger des analogen Spannungsmessers W sich etwa in der Mitte der Skala befindet

Der Krafteinsteller KE'isl ebenso wie die Tarierungseinrichtung TE als Potentiometer ausgebildet, deren äußere Anschlüsse jeweils mit unterschiedlichen Potentialen verbunden sind. Das von dem Krafteinsteller KE abgegriffene Potential gelangt zu einem aus einem Widerstand RX und einem Kondensator CX bestehenden Integrator. Der durch die Tauchspuie 5 fließende Strom, der dem ist-Wert der Kraft proportional ist, wird an dem Widerstand /?2 gemessen und über einen Verstärker VX ebenfalls dem erwähnten Integrator zugeführt.

Die Tauchspule S wird von einem Leistungsverstärker V3 gespeist. Am Eingang dieses Leistungsverstärkers V3 liegt die Integrationsspannung des erwähnten Integrators an. Infolgedessen wird der Strom durch die Tauchspule 5 so lange erhöht, bis der Ist-Wert den vorgewählten Soll-Wert erreicht. Für die weitere Messung werden der Strom durch die Tauchspule Sund damit die Kraft des Kraftgebers konstant gehalten.

Das von den gegeneinander geschalteten Fotodioden D erzeugte Signal wird an Widerständen R 3 und RA abgegriffen und einem Differenzverstärker V 4 zugeführt, dessen Ausgang ebenfalls mit dem Integrator RXICX in Verbindung steht. Weiter sind an den Integrator ein Verstärker V 6 sowie ein Verstärker V7 angeschlossen.

Über den Verstärker V 6 wird das Digitalvoltmeter K angesteuert, das diejenige Kraft anzeigt, mit der die Meßspitze des Kraftgebers gegen das Meßobjekt drückt. Das Digitalvoltmeter K ist vorieilhafterweise in Krafteinheiten, beispielsweise in niN, geeicht.

Der Ausgang des Verstärkers V7 ist mit der Basis eines Transistors TR 1 verbunden. Je nach der Größe der von dem Kraftgeber aufgebrachten Kraft, die dem Strom durch die Tauchspuie S entspricht, wird der Transistor mehr oder weniger aufgesteuert, so daß er einen entsprechenden Speisestrom zu der Glühbirne Lp gelangen läßt. Dadurch wird die Helligkeit der Glühbirne Lp verändert. Entsprechend wird auch das von den gegeneinander geschalteten Fotodioden Düber den Verstärker V 4 zu dem Integrator RMCX gelangende Korrektursignal beeinflußt.

Eine Korrektur der Temperaturabhängigkeit der die Fotodioden D durchfließenden Ströme ist nicht erforderlich. Die lemperaturbedingien Abweichungen kompensieren einander, da der Strahlengang der Glühbirne Lp beide Fotodioden gleich stark beleuchtet.

Da der Kraftgeber einen Kennlinienbereich hat, innerhalb dessen sich die vorgegebene Kraft nicht in Abhängigkeit vom Weg ändert, kann er beim automatischen Messen um ein bestimmtes Maß angehoben und abgesenkt werden, so daß Dickentoleranzen des Meßobjekts nicht zu änderungen der erzeugten Kraft führen.

Es ist auch möglich, eine negative Kraft zu erzeugen, um beispielsweise die Abreißkräfte bei Kontaktverschweißungen ermitteln zu können. Die Größe der negativen Kräfte des Kraftgebers kann ebenfalls mit Hilfe des Krafteinstellers KE kontinuierlich verändert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaltungsanordnung zur Steuerung einer definiert einstellbaren Kraft eines Kraftgebers zum Andrücken einer Meßspitze an ein zu untersuchendes Objekt, wobei der Kraftgeber aus einer von einem Topfmagneten umgebenen stromdurchflossenen Spule besteht und der Weg der mit dieser Spule fest verbundenen von einem Blattfeder-Parallelogramm geführten Meßspitze mit Hilfe von Fotodioden ermittelbar ist, die von einer Lampe beleuchtet sind und in deren Beleuchtungsstrahlengang sich eine mit der Meßspitze gekuppelte Blendenvorrichtung befindet, dadurch gekennzeichnet,

   — daß zwei gegeneinander geschaltete Fotodioden (D) vorgesehen sind, deren der Differenz ihrer beleuchtungsabhängigen Widerstandswerte entsprechendes gemeinsames Ausgangssignal einem Integrator (Ri, Ci) zugeführt wird,

   — daß das Ausgangssigrtai des Integrators (R 1, C i) zur Steuerung des Speisestromes der Spule (S) dient,

   — daß im Stromkreis der Lampe (Lp) zur Beleuchtung der Fotodioden (D) ein Verstärker (Ti) angeordnet ist, mittels dessen die Helligkeit der Lampe (Lp) durch Änderung ihres Speisestromes in Abhängigkeit von der in dem Kraftgeber erzeugten Kraft regelbar ist

   — und daß ein Meßinstrument (W) vorgesehen ist, auf welchem der Bereich angezeigt ist, innerhalb dessen die von dem Kraftgeber erzeugte Kraft vom Weg der Meßspitze unabhängig ist.