DE2729150A1

DE2729150A1 - Wandler

Info

Publication number: DE2729150A1
Application number: DE19772729150
Authority: DE
Inventors: Antonio Nicholas Fred D
Original assignee: BATES RICHARD LAMAR; D'ANTONIO NICHOLAS FRED
Current assignee: BATES RICHARD LAMAR; D'ANTONIO NICHOLAS FRED
Priority date: 1976-07-01
Filing date: 1977-06-28
Publication date: 1978-01-12
Also published as: IT1085090B; ATA467577A; CA1068931A; DE2729150C2; FR2356919B1; GB1590135A; JPS5374077A; US4055078A; FR2356919A1

Description

PATENTANWALT DIPL-INQ. 3000 MÜNCHEN 22 KARL H. WAQNER Gewürzmühlsrasse

POSTFACH 246

77-P-2834

Nicholas Fred D'Antonio, Liverpool, N.Y. 13088, V.St.A. Richard Lamar Bates, Camillus, N.Y. 13031, V.St.A.

Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf Wandler, und zwar insbesondere auf Wandler, welche elektrische Schaltungen umfassen, um elektrische Signale infolge des Anlegens von Kraft oder Energie an kraft- oder energieempfindliche Vorrichtungen in der Schaltung zu erzeugen.

Wandler zur Erzeugung elektrischer Signale infolge des Anlegens von Kraft oder Energie an den Wandler sind als elektrische Grundschaltungskomponenten bekannt. Bekannte Mittel zur Erzeugung von Wandlerfunktionen verwenden die Änderungen im Widerstandswert, der Kapazität, der Induktivität (einschließlich des Magnetismus) oder der optischen Eigenschaften als Funktion der angelegten Kräfte oder Änderungen der angelegten Energie. Viele der bekannten Wandler sind sehr genau und in ihrer Verwendung effektiv. Bekannte Wandler haben jedoch verschiedene ernstzunehmende Nachteile. Einer der Nachteile besteht darin, daß das Verhältnis ihrer Eingangsleistung zum Ausgangssignal außerordentlich hoch ist. Die praktische Folge dieser Tatsache besteht darin, daß die bekannten Wandler relativ hohe Leistungseingangsgrößen benötigen, um Ausgangssignale zu erzeugen, die in einer mit dem Wandler verbundenen Schaltung verwendet werden können. Ein weiterer Nachteil bekannter Wandler besteht darin, daß

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sie hohe Kosten verursachen, und zwar selbst in Anwendunysfällen bei miniaturisierten elektrischen Systemen zur Feststellung kleiner Änderungen der angelegten Kräfte. Es ist in der Tat nicht ungewöhnlich, daß ein Wandler in einem miniaturisierten elektrischen System wesentlich teurer ist als die anderen Komponenten des Systems.

Es ist ein bekanntes Phänomen, daß der Widerstand von Elementen, die teilchenförmiges leitendes Material wie beispielsweise Kohlenstoffgranalien verteilt in dichter Nachbarschaft aufweisen, beispielsweise suspendiert einem elastischen, nicht leitenden Bindematerial wie Gummi, Polyäthylen oder dgl., sich infolge des Anlegens von Kraft an das Element ändert. Die U.S. Patente 2 690 489, 3 341 797, 3 398 233, 3 451 032, 3 5o9 296 und 3 82o 529 beschreiben Vorrichtungen, welche dieses Phänomen ausnutzen. Derartige Vorrichtungen können als Wandler verwendet werden, und zwar deshalb, weil ihre Widerstandwerte eine Funktion des angelegten Drucks sind und somit Änderungen in Spannung oder Strom dann bewirkt werden, wenn sie mit geeigneten Kraftquellen verbunden und einem derartigen Druck ausgesetzt werden. Nichtsdestoweniger wurde dieses Phänomen nicht in erfolgreicher Weise ausgenutzt, um billige Wandler zu erhalten, welche geringe Verhältnisse von Krafteingangsgröße zu Signaleingangsgröße aufweisen.

Die im Gleichgewicht befindliche Brückenschaltung ist als eine Grundwandlerschaltung bekannt. Abgeglichene Brückenschaltungen verwenden normalerweise vier miteinander verbundene Zweige, deren jeder ein Widerstandselement enthält, wobei eine Leistungs- oder Kraftquelle die Verbindungspunkte entgegengesetzter Paare von Zweigen verbindet, und wobei die Ausgangsgröße ferner von den beiden anderen Verbindungspunkten der Zweige abgenommen wird. Mindestens einer der Zweige ist gegenüber einer angelegten Kraft(oder Energie) empfindlich, wobei sich der Widerstandswert in diesem Zweig entsprechend der angelegten Kraft (oder Energie) ändert. (Obwohl die hier

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beschriebenen Wandler als auf Kraft ansprechend beschrieben werden, so ist es doch beabsichtigt, daß sich diese Ansprechfähigkeit auf alle an den Wandler angelegten Energiearten erstreckt, wie beispielsweise thermische Energie). Wenn sich die abgeglichene Brücke in ihrem nicht beanspruchten stabilen Zustand befindet, so ergibt sich kein Ausgangssignal. Wenn eine Kraft in einem entweder positiven oder negativen Sinn an das darauf ansprechende empfindliche Element angelegt wird, so wird ein entsprechendes Ausgangssignal durch die Brückenschaltung erzeugt.

Um die gewünschte Ansprechfähigkeit der Brückenschaltung zu erhalten, ist es wichtig, daß die Schaltung in ihrem nicht beanspruchten stabilen Zustand eine vorbestimmte feste Ausgangsgrösse (normalerweise Null) besitzt, wobei dieser letztgenannte Zustand theoretisch dadurch erreicht wird, daß man die Widerstandswerte der Komponentenelemente ins Gleichgewicht bringt. Die ins Gleichgewicht gebrachte oder abgeglichene Brückenschaltung ist theoretisch gegenüber diesem Abgleich besonders empfindlich, insbesondere, um eine Kompensation hinsichtlich Temperaturänderungen zu erreichen und um die Linearität des Ausgangssignals infolge der Eingangskraft zu erhalten.

Obwohl diese Brückenschaltungen in der Theorie nach dem Abgleich sich im Gleichgewicht befinden sollten, so haben diese Schaltungen dennoch die innewohnende Tendenz, in einen Nicht-Gleichgewichtszustand zu geraten. Dies liegt zum größten Teil an den Veränderungen, die bekanntermaßen in der Impedanz der einzelnen Widerstandselemente infolge von Änderungen der Temperatur, Kraft oder des Alterns auftreten. Daher machen im Gleichgewicht befindliche Brückenschaltungen im allgemeinen außerordentliche Maßnahmen erforderlich, um diese Faktoren zu korrigieren, wenn das Ansprechen der Brückenschaltungen gegenüber angelegten Kräften oder Energie bei allen auftretenden Bedingungen in annehmbarer Weise genau bleiben soll.

Ein weiterer bekannten abgeglichenen Brückenschaltungen innewohnender Nachteil besteht darin, daß sie durch ein anfängliches

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nicht lineares Ansprechen gegenüber angelegten Kräften gekennzeichnet sind, wobei dieser "nicht lineare Bereich" oftmals geringe Folgen hat, wenn die angelegte Kraft oder Energie von solcher Art ist, daß sie nicht in diesen Bereich fällt. Bei Brückenschaltungen, die jedoch zur Messung sehr kleiner Kräfte vorgesehen sind, und insbesondere im Falle der Messung von kleinen Änderungen bei externen Kräften, kann diese Nicht-Linearität die Genauigkeit der Brückenschaltung in ernsthafter Weise begrenzen. Die Elimination eines derartigen "nicht linearen Bereichs" würde daher für viele Anwendungsfälle von Brückenschaltungen vorteilhaft sein.

Die Erfindung vermeidet insbesondere die obengenannten Nachteile, wobei sich weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie den Ansprüchen und der Zeichnung ergeben; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer abgeglichenen Brückenschaltung, eingebaut in ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Endansicht eines erfindungsgemäßen Wandlers; Fig. 3 eine Draufsicht auf den genannten Wandler;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wandlers;

Fig. 5 eine Ansicht aus Richtung 5-5 in Fig. 4.

Bevor auf die Beschreibung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eingegangen wird, sei zunächst die Erfindung zusammengefaßt. Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, einen verbesserten Wandler vorzusehen, der ein niedriges Verhältnis von [iingangsleistung zu Ausgangsgrößenansprechen besitzt. Ferner ist beabsichtigt, einen Wandler vorzusehen, der billig in der Herstellung ist. Die Erfindung sieht schließlich auch vor, einen Wandler vorzusehen, der über einen breiten Bereich angelegter Kräfte em-

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pfindlich ist und der infolge dieser Kraftanlage in genauer Weise ein elektrisches Ansprechen erzeugt. Die Erfindung sieht ferner einen Wandler der genannten Arten vor, welcher aus üblichen Materialien herstellbar ist. Die Erfindung sieht ferner eine abgeglichene Brückenschaltung vor, die derart eingestellt werden kann, daß man ein außerordentlich genaues oder feines Gleichgewicht erreicht. Die Erfindung beabsichtigt schließlich ein Verfahren anzugeben, um im Gleichgewicht befindliche Brückenschaltungen aufzubauen, die keine innewohnende Tendenz zu einem Ungleichgewicht hin aufweisen. Die Erfindung hat sich ferner zum Ziel gesetzt, eine Brückenschaltung vorzusehen, deren anfängliches Ansprechen gegenüber angelegten Kräften oder Energie eine lineare Beziehung mit der angelegten Eingangsgröße über einen großen Bereich der Krafteingangsgröße aufweist. Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten erkennt der Fachmann beim Lesen der Beschreibung sowie der Ansprüche.

Die erfindungsgemäßen Ziele werden kurz gesagt dadurch erreicht, daß man eine abgeglichene oder im Gleichgewicht befindliche Brückenschaltung vorsieht, die folgendes aufweist: Konventionelle Kohlenstoffmasse- Widerstandselemente ausgewählt aus einer gemeinsamen Produktionscharge dieser Elemente und hergestellt in einer Folge, wodurch die elektrischen Eigenschaften dieser Widerstandselemente im wesentlichen identisch sind; die Widerstände sind in der üblichen Brückenschaltungsart verbunden und sie sind sandwichartig zwischen einem Basisglied und Kraftanleggliedern angeordnet; Mittel sind vorgesehen, um eine Kraft auf die Kraft-Übertragungsglieder auszuüben, um die Widerstände in hinreichender Weise vorzubelasten, um in effektiver Weise den "nicht linearen Bereich" der Schaltung zu eliminieren; der Wandler ist derart aufgebaut, daß das Anlegen von Kraft an die Brücke gleichzeitig die Vorbeanspruchung an den entsprechenden Brückenzweigen beansprucht und freigibt, um die auf Kraft ansprechende Empfindlichkeit des Wandlers zu erhöhen. Ferner ist der Wandler derart aufgebaut, daß die Pfade thermischer Leitfähigkeit zu jedem der Widerstände identisch sind, um die Brückenschaltung bei der Aufrechterhaltung einer fehlerfreien Betriebsfähigkeit über große Änderungen der

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Betriebstemperatur hinweg zu unterstützen.

Es sei nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt eine im Gleichgewicht befindliche Brückenschaltung mit einem ersten Paar von verbundenen Zweigen 1 und 4, in denen Fühlelemente S₁ bzw. S. eingeschaltet sind, und einem zweiten Paar von Zweigen 2 und 3, in denen Fühlelemente S₂ und S₃ eingeschaltet sind. Die Fühler S₁ bis S₄ werden hier als Widerstandselemente beschrieben, welche teilchenförmigen Kohlenstoff enthalten, der gleichförmig in einem elastischen dielektrischen Material verteilt ist. Die Fühler S₁ und S₃ sind miteinander verbunden; die Fühler S~ und S₄ sind mit den Fühlern S₃ bzw. S₁ und mit einem Gleichgewichtswiderstand R_ verbunden, wobei der Widerstand R_ßeinstellbar ist, um den gewünschten Gleichgewichtszustand der Brückenschaltung zu erhalten. Die elektrische Eingangsgröße für die Schaltung ist mit V₃. bezeichnet. Die Ausgangsspannung der Schaltung ist die Differenz zwischen der Spannung V₁ am Verbindungspunkt der Zweige 1 und 4 und der Spannung V» am Verbindungspunkt der Zweige 2 und 3. Spannungen V und V₁ werden an die invertierenden bzw. nicht invertierenden Klemmen 6 bzw. 8 eines Differentialbrückenverstärkers 10 angelegt. Das Ausgangssignal des in Fig. 1 gezeigten Systems, d.h. des Verstärkers 10, ist die Spannung e ; dabei gilt:

e_o = K(V₁ - V₂)

Dabei ist K die Verstärkungsfunktion des Verstärkers 10 in Verbindung mit den Widerstandswerten S₁ - S₄ und deren relativen Änderungen mit der angelegten Kraft. Wie bereits erwähnt, ist es für eine große Zahl von Anwendungsfällen von im Gleichgewicht befindlichen Brückenschaltungen zweckmäßig, daß das Verhältnis von Eingangsleistung zu Ausgangsansprechen sehr niedrig ist, wobei dieses Verhältnis durch die folgende Beziehung ausgedrückt wird:

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Leistungsfähigkeitsverhältnis =

eingegebene Leistung _ <_v » (I)
abgegebene Spannung

^eo

Es wurde bereits erläutert, daß ein im Gleichgewicht befindlichen Brückenschaltungen innewohnender Nachteil ihre Tendenz ist, in den Ungleichgewichtszustand überzugehen, wobei kleine Ausgangssignale selbst dann erzeugt werden, wenn die externen Kräfte,die eigentlich gemessen werden sollen, nicht vorhanden sind. Diese Tendenz wird durch eine Ungenauigkeit des elektrischen Ansprechens wiedergegeben, welche dann erzeugt wird, wenn die externen Eingangsgrößen, die gemessen werden sollen, an die empfindlichen Zweige der Schaltung angelegt werden. Es wurde versucht, diese Tendenz zum Ungleichgewicht hin dadurch zu kompensieren, daß man elektrische Kompensationselemente verwendet, wobei aber infolge der Tatsache, daß diese Tendenz zum Ungleichgewicht hin oftmals vorübergehend ist, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Brückenschaltungen begrenzt wird.

Bei der Analyse des obigen Problems haben die Erfinder erkannt, daß die Tendenz zum Ungleichgewicht hin bei einer theoretisch im Gleichgewicht befindlichen Brückenschaltung dadurch eliminiert oder im wesentlichen reduziert werden kann, daß man die in den Zweigen der Schaltung verwendeten Fühlelemente derart auswählt, daß sie gleiche Leitungsübertragungsfunktionen besitzen in ihrer Beziehung zur angelegten Kraft und den thermischen Eigenschaften. Die Erfinder haben ferner erkannt, daß diese Gleichheit der Leitungsübertragungsf unktion und der thermischen Eigenschaften dadurch ermöglich wird, daß man die Fühlerelemente mit identischen physikalischen Eigenschaften auswählt. Demgemäß würden diese Elemente nicht nur den gleichen elektrischen Vorschriften entsprechen, wie dies der derzeitigen Praxis entspricht, sondern diese Elemente würden aus einem beschränkten Teil einer Produktionscharge dieser Elemente ausgewählt werden, um die zusätzliche physikalische Gleichförmigkeit ebenfalls zu besitzen.

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Im Hinblick auf die letztgenannte Maßnahme sei bemerkt, daß es bekannt ist, daß die meisten modernen elektrischen Bauteile oder Komponenten, und zwar insbesondere die modernen Widerstandselemente, durch außerordentlich stark automatisierte Maschinen hergestellt werden, und zwar mit großen Raten und in großen Mengen. Die Widerstandselemente werden schnell der Reihe nach hergestellt, und zwar mit begrenzten Variationen hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften von einer Produktionscharge zur anderen, oder innerhalb einer gegebenen Produktionscharge. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß signifikante Variationen hinsichtlich der elektrischen,thermischen und physikalischen Eigenschaften solcher Widerstandselemente in der Tat von Produktionscharge zu Produktionscharge auftreten und sogar innerhalb gegebener Produktionschargen. Diese Variationen können so stark sein, daß eine Ungenauigkeit in der Größenordnung von 20% in abgeglichenen Brückenschaltungen, die diese Elemente verwenden, auftreten und Ausgangsspannungen von nur 10 Volt besitzen. Die Erfinder führen diese Variation auf die Zufallsvariationen der Dichte des teilchenförmigen leitenden Materials zurück, welches im dielektrischen Material suspendiert ist (dies ist der Grundaufbau solcher Widerstände) und auf die Variationen des dielektrischen Materials selbst, wobei diese Variationen oder Änderungen in der Produktion dieser Elemente auftreten.

Die Erfinder haben ferner erkannt, daß diese Variationen der elektrischen Eigenschaften der Widerstände (die sich wahrscheinlich durch die Variationen ihrer thermischen und physikalischen Eigenschaften ergeben),verwendet in den genannten Brückenschaltungen, und die Tendenz zum Ungleichgewicht in den Brückenschaltungen in wirkungsvoller Weise dadurch eliminiert werden kann, daß man die in der Brücke verwendeten Widerstände aus einer Gruppe von sequentiell erzeugten Elementen aus einer einzigen Produktionscharge auswählt, wobei man idealerweise diese Gruppen auf eine Größe gleich der Anzahl der in der Brücke verwendeten Elemente beschränkt (beispielsweise vier für die in Fig. 1 gezeigte SchaJtung). Zudem ist die Wandlerkonstruktion speziell für einen extrafeinen thermischen Ausgleich suszeptibel durch

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die Hinzufügung eines einzigen temperaturempfindlichen Elements, wie beispielsweise eines Thermistors, wenn eine solche Präzision für einen speziellen Anwendungsfall erforderlich ist.

Ein weiterer Nachteil bekannter Brückenschaltungen ist das Vorhandensein des erwähnten "nicht linearen Bereichs", der beim anfänglichen Anlegen einer externen Kraft an die Brücke vorhanden ist. Es wurde festgestellt, daß dieser "nicht lineare Bereich" in wirkungsvoller Weise durch Vorbeanspruchung der Widerstandselemente in einer Brückenschaltung um eine Größe ausreichend zur Absorption des nicht linearen Bereichs eliminiert werden kann, so daß jede zusätzliche Anlage von Kraft an die Brücke ein lineares Ansprechen ergibt, d.h. ein Ansprechen ohne die Nicht-Linearität, die andernfalls vorhanden wäre. Da jedoch der Vorteil der Verwendung einer im Gleichgewicht befindlichen Brückenschaltung die Eigenschaft einer festen vorbestimmten Ausgangsansprechgröße (normalerweise Null) dann ist, wenn sich die Brücke im stabilen unbelasteten Zustand befindet, wird ein Gleichgewichtswiderstand R derart eingestellt, daß sich nach der Vorbelastung ein solches vorbestimmtes Ansprechen (normalerweise Null) ergibt. Auf diese Weise ergibt sich ein lineares Ansprechen bezüglich jeder darauffolgend an die Brücke angelegten externen Kraft.

Die in Fig. 1 gezeigte im Gleichgewicht befindliche Brückenschaltung ist mit einem Differentialbrückenverstärker 10 verbunden, dessen Eingangsimpedanz so hoch als möglich ist, um ein Ausgangssignal e_Q zu erzeugen, dessen Größe insoferne verwendbar ist, als geeignete Ansprechvorgänge in einer Vorrichtung bewirkt werden können, mit welcher der Wandler betriebsmäßig verbunden ist. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß das Signal e_Q der Differenz zwischen den Spannungen V₁ und V_ entspricht, so daß jegliche Mittel zur genauen Vergrößerung des Werts dieser Differenz vor dem Anlegen derselben an den Verstärker 10 die Genauigkeit, Empfindlichkeit und Brauchbarkeit des Systems der Fig. 1 stark vergrößern würden.

Wenn die dargestellte Brückenschaltung von üblicher Konstruktion wäre, so würde das Anlegen von Kraft an einen oder mehreren der auf Kraft ansprechenden Fühler, wie beispielsweise Fühler S₂, den Widerstandswert in diesem Zweig vermindern, und die Spannung V₂ würde kleiner werden als der für den stabilen Betrieb der Schaltung angenommene Wert. Da die Ausgangsgröße des Verstärkers 10 durch die Beziehung e = K(V₁ - V₂) bestimmt ist, würde die Tatsache, daß V, nunmehr größer ist als V₂, bewirken, daß e einen positiven Wert annimmt. Im Falle, daß die Kraft eine Spannungsänderung bewirkt, wobei V₂ V.. übersteigt (d.h. wenn S₄ von einer angelegten Kraft reduziert würde), würde e_Q einen negativen Wert annehmen.

Die Erfinder haben erkannt, daß die Differentialspannung e dadurch vergrößert werden kann, daß man den Wert (V₁ - V₂) erhöht, und zwar durch gleichzeitige Belastung oder Entlastung der vorbelasteten oder vorbeanspruchten Fühler, welche den Wert von V₁ oder V₂ erzeugen, und zwar beim Anlegen von Kraft an die Fühler, welche den anderen Wert von V₁ oder V₂ hervorrufen. Wenn beispielsweise die Fühler S₁ und S₂ alleine beansprucht wären und die Spannung V- abnehmen würde, so würde die Spannung V₁ ansteigen und die Ausgangsgröße e würde einfach die Änderungen hinsichtlich V₂ und V₁ reflektieren. Wenn man jedoch gleichzeitig die Vorbeanspruchung an den Fühlern S^ und S. freigibt, um deren Widerstandswert zu erhöhen, so wird der Wert von V^ - V₂ weiter vergrößert, auf welche Weise der Wert von e erhöht wird, obwohl der Wert der angelegten externen Kraft gegenüber dem Beispiel der Verwendung einer konventionellen Brücke ungeändert ist.

Eine Vorrichtung zur Bewirkung der vorstehend erwähnten Vergrößerung des Ausgangssignals des Systems der Fig. 1 ist in Fig. 2 und 3 gezeigt. Die Vorrichtung umfaßt ein Fühler- oder Sensormodul 20 mit Widerständen 12-15, die den Fühlern S₁-S.

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in Fig. 1 entsprechen. Die Widerstände 12-15 sind miteinander zur Bildung einer abgeglichenen Brückenschaltung,wie in Fig. 1 gezeigt, verbunden. Eine Leistungsquelle, ein Differentialbrückenverstärker und ein Gleichgewichtswiderstand sind normaler-

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weise mit den Widerständen 12-15 dann verbunden, wenn das Fühlermodul im Betrieb ist. Das Modul 20 umfaßt ferner eine Basisplatte 22, ein Kraftübertragungsglied 24, ein Klemmglied 26 und eine Vorbelastungsschraube 28. Das Basisglied 22 besitzt geeignete Nuten oder Ausnehmungen 30, in denen die Widerstände 12-15 eingesetzt werden können, und das Kraftübertragungsglied 24 sowie das Klemmglied besitzen entsprechende Nuten 32 bzw. 34, um die entsprechenden entgegengesetzt liegenden Teile der Widerstände aufzunehmen, so daß die letztgenannten Elemente an ihrem Platz, wie gezeigt, festgeklemmt werden können. Die Nuten 30-34 sind derart dimensioniert, daß sie kleiner sind als die Durchmesser der Widerstände 12-15, so daß Spalte 36 und 38 zwischen Glied 22 und Gliedern 24 und 26 vorhanden sein können, wenn die Widerstände 12-15 sich an ihrem Platz befinden.

Die Vorbelastungsschraube 28 besitzt einen geschlitzten Kopf 40 und einen Schaft 42, der sich durch koaxiale Mittelbohrungen in jedem der Glieder 22-26 hindurcherstreckt. Der Schaft 42 endet in einem mit Gewinde versehenen Teil 44, dessen Gewindegänge mit entsprechenden Gewindegängen im Kraftanlegglied 24 in Eingriff stehen. Das Basisglied 22 besitzt ferner Befestigungslöcher 46, durch welche geeignete Befestungsvorrichtungen sich erstrecken können, um das Modul 20 an irgendeiner Vorrichtung zu befestigen, in der das Modul eingebaut werden soll. Vorzugsweise sind die Widerstände 12-15 in ihrer sequentiellen Reihenfolge der Herstellung aus einer einzigen Produktionscharge ausgewählt, um die Gleichheit der leitenden übertragungsfunktion zu erhalten, und zwar zusammen mit der Gleichheit hinsichtlich thermischer und physikalischer Eigenschaften.

Im Betrieb werden die Komponententeile des Fühlers 20 in der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Weise zusammengebaut. Die Vorbelastungsschraube wird angezogen, um die Glieder 24 und 26 gegen die Widerstände 12-14 um eine Größe zu ziehen, die ausreicht, um diese Elemente in hinreichender Weise vorzubelasten, um jede erwartete Entlastung zu übersteigen, die dann auftreten wird, wenn eine Kraft an die Widerstände angelegt wird,

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und um vorzugsweise die Kraftansprecheigenschaften der Widerstände abzuändern, um in effektiver Weise das Vorhandensein des zuvor diskutierten "nicht linearen Bereichs" zu eliminieren. Bei einem normalen Produktionsvorgang würde man die Größe,mit der die Schraube 28 angezogen werden müßte, zuvor bestimmen, so daß dieser Vorgang durch automatische Anzieheinrichtungen durchgeführt werden könnte.

Das Modul 20 ist in seiner Arbeitsumgebung erfindungsgemäß derart angeordnet, daß die zu messende oder zu überwachende externe Kraft F an die Oberfläche 48 des Kraftübertragungsglieds 24 angelegt wird, wobei die Kraft F auf die Widerstände 12 und 13 übertragen wird, um deren entsprechende Widerstandswerte zu verringern, und wobei ferner die Kraft F auf das Klemmglied 26 übertragen wird, um die Vorbeanspruchung an den Widerständen 14 und 15 zu verringern. Die Kraft F hat somit gemäß der Erfindung die Gesamtwirkung der gleichzeitigen Verminderung des Widerstandswerts im Widerstand 12, während der Widerstandswert im Element 15 durch eine Größe gleich dem Anstieg im Widerstand 12 erhöht wird, und ferner erfolgt eine Verminderung des Widerstandswertes im Widerstand 13, während eine entsprechende Erhöhung des Widerstandswerts im Element 14 bewirkt wird. Der Nettoeffekt des Anlegens der Kraft F besteht in einer Vergrößerung des Werts von (V₁ - V₂) durch Anlegen oder Entlasten der Kraft an allen Fühlern in der Brücke, was das gewünschte Ergebnis zur Folge hat.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Diese Zeichnungen veranschaulichen ein Sensormodul 50 mit einem Gehäuse 52, welches ein rechtwinkliges prismatisches Glied mit einem hohlen Innenteil oder einer Kammer 53 ist. Innerhalb des Gehäuses 52 ist eine Basis oder eine Tragstange 54 auf inneren Schultern 56, 58 aufgesetzt, welche die Enden von Innenschlitzen 60, 62 im Gehäuse 52 bilden. Die Tragstange 54 entspricht dem Basisglied 22 in den Fig. 2 und 3.

Ein Paar von FühlJochen 64, 66 ist ebenfalls in der Kammer 53 angeordnet. Diese Joche entsprechen in ihrer Funktion dem zuvor beschriebenen Kraftübertragungsglied 24 und Klemmglied 26,

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wobei aber die Joche 64 und 66 voneinander insoferne unabhängig sind, als mit diesen Jochen verbundene Fühler unabhängig voneinander vor-beansprucht werden können, um eine außerordentliche feine Gleichgewichtssteuerung vorzusehen, weil diese Sensoren oder Fühler nicht mit einer einzigen gleichförmigen Kraft vorbeansprucht werden.

Ein Satz von Widerstandselementen 68 bis 71, der den Fühlern S₁-S. in Fig. 1 entspricht, ist in der Weise wie die Fühler S₁ bis S₄ in Fig. 1 verbunden. Eine Leistungsquelle, ein Differentialverstärker und ein Gleichgewichtswiderstand würden üblicherweise ebenfalls vorgesehen sein, wenn das Sensormodul 50 in einer arbeitsfähigen Wandlerschaltung eingeschaltet ist. Die Widerstandselemente 68 - 71 sind kurze zylindrische Plättchen, auf welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel Axialkräfte ausgeübt werden. Diese Plättchen sind vorteilhafterweise "Scheiben", die von einem einzigen Widerstand abgetrennt werden, um die relative Gleichförmigkeit zwischen den Widerstandselementen, wie oben bereits diskutiert, vorzusehen.

Die Widerstandselemente 68 - 71 sind jeweils zwischen Paaren von Zwischenplatten 72 sandwichartig angeordnet. Die Zwischenplatten 72 schützen die Elemente 68 - 71 gegenüber Beschädigungen durch die Kräfte, denen sie ausgesetzt sind und sie halten ferner diese Elemente an ihrem Platz im Modul 50.

Die Fühlerjoche 64 und 66 besitzen jeweils Kanalglieder, welche Innenabteile 74, 76 bilden, die, wie in Fig. 5 gezeigt, in Ausrichtung sich befinden und zur Aufnahme der Tragstange 54 durch deren Mitten hindurch dienen. Erfindungsgemäß besitzt somit das Joch 64 eine Stange 54, welche durch die Mitte desselben verläuft und das Widerstandselement 68 (zwischen den Zwischenplatten 72) liegt auf einer Seite der Stange 54, während das Widerstanselement 71 (zwischen Zwischenplatten 72) auf der anderen Seite der Stange liegt; Widerstandselemente 69 und 70 sind in ähnlicher Weise in Abteil 76 des Jochs 66 angeordnet.

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Vorbelastungs- oder Vorbeanspruchungs-Schrauben 78 und 80 sind in mit Gewinde versehenen Schraubenlöchern 82, 84 der Joche 64 bzw. 66 vorgesehen, um die Horizontalwände der Fühler gegen die flachen Oberflächen (über Zwischenplatten 72) der Widerstandselemente 68 - 71 zusammenzudrücken, um so die Widerstandselemente vorzuspannen. Für jedes Paar von Widerstandselementen 68, 71 und 69, 70 sind gesonderte Schrauben 78 und 80 vorgesehen, so daß diese Paare von Elementen gesondert vorgespannt werden können, um die Differenzen zu kompensieren, die in den nicht linearen Gebieten der verschiedenen Elemente vorhanden sein könnten. Je nach den Umständen können erfindungsgemäß Mittel vorgesehen sein, um jeden Fühler oder Sensor gesondert vorzuspannen. Die Art und Weise der Vorspannung ist die gleiche wie dies unter Bezugnahme auf die Vorrichtung gemäß den Fig. und 3 beschrieben wurde.

Das Kraftanlageglied des Sensormoduls 50 ist eine Membranplatte 86, die auf einer elastischen Dichtung 88 auf der Oberkante oder dem Rand 90 des Gehäuses 52 ruht. Joche 6 4 und 66 sind an der Membranplatte 86 befestigt und daran aufgehängt. Wenn auf die Platte 86 eine Kraft ausgeübt wird, so wird die Kompressionskraft auf die Widerstandselemente 68, 69 übertragen, um deren entsprechende Widerstandswerte zu vermindern und die Leitfähigkeiten zu erhöhen, wobei gleichzeitig die Vorbeanspruchung an den Widerstandselementen 70, 71 dadurch freigegeben wird, daß eine nach unten gerichtete Kraft auf den Teil der Joche 64, 66 unterhalb der letztgenannten Widerstandselemente (vgl. die Zeichnungen) übertragen wird. Auf diese Weise wird das gewünschte Resultat des Erhalts eines großen Differentialausgangssignals infolge einer angelegten Eingangskraft erreicht.

Die Wandler dieser beschriebenen Bauart sind außerordentlich einfach in ihrem Aufbau, sie sind aber auch genauer und zuverlässiger als die bekannten teureren Gegenstücke. Die erfindungsgemäßen Wandler sind besonders zur Massenherstellung geeignet und können für praktisch alle Anwendungsfälle ausgebildet sein. Diese Wandler sind besonders für miniaturisierte und subminia-

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turisierte Schaltungen geeignet. Die Erfindung ist jedoch
auch bei größeren Systemen verwendbar, wie beispielsweise zur Überwachung von an unterschiedlichen Stellen angelegten Kräften. Im letzten Fall könnten die die Brückenschaltung bildenden Fühler in einer unabhängigen Kraftübertragungsvorrichtung angeordnet sein, obwohl dies die gleichzeitige Anlage von Beanspruchung an sämtliche Fühler begrenzen könnte, um die beschriebene Ausgangsgrößenvergrößerung zu erreichen.

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Claims

Ansprüche

(1.) Wandler mit einer Vielzahl von Impedanzvorrichtungen, die miteinander zur Bildung einer elektrischen Schaltung verbunden sind, wobei die Impedanzen dieser Vorrichtungen sich infolge des Anlegens einer Kraft an die Vorrichtungen verändern, und wobei die Schaltung ein Ausgangssignal infolge des Anlegens eines elektrischen Potentials an die Schaltung erzeugt, und wobei der Wert dieses Ausgangssignals von der Differenz der Impedanz zwischen den Vorrichtungen abhängt, gekennzeichnet durch

Vorbeanspruchungsmittel (28; 78,8O) zum Anlegen einer vorbestimmten Kraft an die Impedanzvorrichtungen (12-15; 78-71) zur Bewirkung erster Impedanzeigenschaften in der Schaltung, Kraftübertragungsmittel (24; 86) zur übertragung von Eingangskräften an einen Teil der Impedanzvorrichtungen zur Veränderung der Impedanzen in diesem Teil der Vorrichtungen, und Kraftfreigabemittel zur Verminderung der vorbestimmten Kraft am Rest der Impedanzvorrichtungen in Verbindung mit der übertragung von Kraft durch die Kraftübertragungsmittel an den Teil der Vorrichtungen, um die Differenz zwischen den Impedanzen des Teils der Vorrichtungen und des Rests der Vorrichtungen zu vergrößern, um ein stärkeres Ausgangssignal dann zu bewirken, wenn ein elektrisches Potential an die Schaltung angeschaltet ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Impedanzvorrichtungen eine Vielzahl von Widerstandsvorrichtungen (12-15; 68-71) ist, die zur Bildung einer Brückenschaltung verbunden sind, und wobei die Widerstandswerte der Vorrichtungen sich infolge des Anlegens einer Kraft an die Vorrichtungen ändern, und wobei die Brückenschaltung ein Ausgangssignal infolge des Anlegens eines elektrischen Potentials an die Brückenschaltung erzeugt, wobei der Wert des Ausgangssignals von der Differenz der Widerstandswerte zwischen den Widerstandsvorrichtungen abhängt, und wobei ferner die Vorbeanspruchungs- oder Vorbelastungs-Mittel

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ORIGINAL INSPECTED

Vorbelastungsmittel zum Anlegen einer vorbestimmten Kraft an die Widerstandsvorrichtungen aufweisen, um eine erste Widerstandseigenschaft in der Schaltung zu bewirken, und wobei die Kraftübertragungsmittel Kraftübertragungsmittel zur übertragung der Eingangskräfte auf einen Teil der Widerstandsvorrichtungen aufweisen, um die Widerstandswerte in dem Teil der Widerstandsvorrichtungen zu verändern, und wobei schließlich die Kraftfreigabemittel Kraftfreigabemittel aufweisen, um die vorbestimmte Kraft am Rest der Widerstandsvorrichtung in Verbindung mit der Übertragung der Kraft durch die Kraftübertragungsmittel an diesen Teil der Vorrichtungen zu vermindern, um so die Differenz zwischen den Widerstandswerten dieses Teils der Vorrichtungen und des Rests der Vorrichtungen zu erhöhen, um so ein starkes Ausgangssignal dann zu bewirken, wenn elektrisches Potential an die Schaltung angelegt ist.
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsvorrichtungen ausgewählt sind aus einem ausgewählten Teil von sequentiell hergestellten Widerstandsvorrichtungen aus einer einzigen Produktionscharge dieser Vorrichtungen, und wobei die ausgewählten Widerstandsvorrichtungen im wesentlichen identische elektrische Eigenschaften besitzen.
4. Wandler nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte ausgewählte Teil der sequentiell hergestellten Widerstandsvorrichtungen im wesentlichen aus der Anzahl der Widerstandsvorrichtungen in der Schaltung besteht.
5. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsvorrichtungen Segmente einer einzigen Widerstandsvorrichtung sind, und daß die Segmente im wesentlichen identische elektrische Eigenschaften besitzen.

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6. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannmittel Basismittel (22; 54) und erste und zweite Klemm- oder Festlegmittel (24, 26) aufweisen, die auf entgegengesetzten Seiten der Basismittel (22; 54) angeordnet sind, wobei der erwähnte Teil der Widerstandsmittel zwischen den Basismitteln und den ersten Kennmitteln angeordnet ist, und wobei der Rest der Widerstandsvorrichtungen zwischen den Basismitteln und den zweiten Klemm-Mitteln angeordnet ist, und wobei schließlich Vorspannungsmittel (28; 78,80) vorgesehen sind, um die vorbestimmte Kraft an die ersten und zweiten Klemm-Mittel zu den Basismitteln hin anzulegen.
7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Klemm-Mittel gesonderte erste und zweite Klemm-Mittel aufweisen für die entsprechenden der Widerstandsvorrichtungen .
8. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsvorrichtungen ein nicht lineares Gebiet oder einen nicht linearen Bereich aufweisen, wo das Ausgangssignal eine nicht lineare Beziehung mit der angelegten Kraft an die Widerstandsvorrichtungen aufweist, und wobei die vorbestimmte, durch die Vorspannungsmittel angelegte Kraft ausreicht, um das nicht lineare Gebiet zu absorbieren.
9. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Signale entsprechend dem Wert von angelegten Eingangskräften unter Verwendung einer im Gleichgewicht befindlichen Brückenschaltung mit einem Satz von auf Kraft ansprechenden Widerstandsvorrichtungen und mit einer Differentialausgangsgröße entsprechend der Differenz im Widerstandswert der Vorrichtung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Vorbeanspruchung der Widerstandselemente, Anlegen eines elektrischen Potentials an die Brückenschaltung und Anlegen der Eingangskraft an einen Teil der Widerstandselemente, wobei gleichzeitig die Vorbeanspruchung am Rest der

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Widerstandselemente entsprechend dem Ausmaß der Eingangskraft freigegeben wird, um die Differenz der Widerstandswerte des erwähnten Teils der Widerstandselemente und des Rests der Widerstandselemente zu erhalten.
10. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8 zur Messung einer in einer Richtung ausgeübten externen Belastung, wobei die Eingangskraft die externe Belastung ist und der Wandler sich kennzeichnet durch Befestigungsmittel zur Befestigung der Kraftübertragungsmittel in der Bahn der externen Last, die direkt an die Kraftübertragungsmittel angelegt wird, um zu bewirken, daß das Ausgangssignal direkt der externen Last entspricht.
11. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung einen Gleichgewichtswiderstand (R_n) aufweist (Fig. 1).
12. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände durch teilchenföriniges leitendes Material suspendiert in einem dielektrischen Material bestehen.
13. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beanspruchung der Fühler (S.. und S-) gleichzeitig eine Freigabe der Vorbelastung an Fühlern (S₃ und S₄) erfolgt, wobei die Fühler Widerstände (12-15) sind, die miteinander zur Bildung einer abgeglichenen Brückenschaltung verbunden sind, und wobei ferner ein Basisglied (22) mit Nuten (30) vorgesehen ist, in denen die Widerstände (12-15) angeordnet sind, während ein Kraftübertragungsglied (24) und ein Klemmglied (26) entsprechende Nuten (32 bzw. 34) aufweisen, um die entsprechenden entgegengesetzten Teile der Widerstände aufzunehmen, wobei Spalte (36 und 38) zwischen Glied (22) und Gliedern (24, 26) bestehen.

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14. Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorbelastungsschraube (28) sich durch koaxiale Mittelbohrungen in jedem der Glieder (22-26) erstreckt und in Kraftanlageglied (24) eingeschraubt ist.
15. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensormodul (50) ein Gehäuse (52) mit einer Kanuner (53) aufweist, wobei innerhalb des Gehäuses (52) eine Tragstange (54) auf Innenschultern (56, 58) sitzt, welche die Enden von Innenschlitzen (60, 62) im Gehäuse (52) bilden.
16. Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Fühlerjochen (64, 66) ebenfalls in Kammer (53) angeordnet ist, und wobei die Joche (64, 66) unabhängig voneinander insoferne sind, als die entsprechenden damit verbundenen Fühler unabhängig vorbeansprucht werden können.
17. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Widerstandselemente (68-71), die kurze zylindrische Plättchen sind, die vorteilhafterweise Scheiben eines einzigen Widerstands sind, um die relative Gleichförmigkeit zwischen den Widerstandselementen vorzusehen.
18. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (68-71) sandwichartig zwischen Paaren von Zwischenplatten (72) angeordnet sind.
19. Wandler nach einem oder mehr«, len der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerjoche (64, 66) jeweils Kanalglieder aufweisen, welche Innenabteile (74, 76) bilden, die sich, wie in Fig. 5 gezeigt, in Ausrichtung befinden, um die Tragstange (54) aufzunehmen.

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20. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vorbeanspruchungsschrauben (78, 80) in mit Gewinde versehenen Löchern (82, 84) der Joche (64 bzw. 66) .
21. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gesonderte Schrauben (78 und 80) für jedes Paar von Widerstandselementen (68, 71) und (69, 70) vorgesehen sind.
22. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftanlageglied des Fühlermoduls (50) eine Membranplatte (86) ist, die auf einer elastischen Dichtung (88) an der oberen Kante (90) des Gehäuses (52) aufliegt, wobei die Joche (64 und 66) an der Membranplatte (86) befestigt sind.

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