DE3205705A1

DE3205705A1 - "anordnung zur messung von eine laengenaenderung bewirkenden nichtelektrischen physikalischen groessen"

Info

Publication number: DE3205705A1
Application number: DE19823205705
Authority: DE
Inventors: Jakob Dipl.-Ing. 8047 Karlsfeld Schillinger; Hans-Rolf Prof. Dr.-Ing. 8022 Grünwald Tränkler
Original assignee: TRAENKLER HANS ROLF PROF DR IN
Current assignee: Schillinger Jakob 8068 Pfaffenhofen De Traenkle
Priority date: 1982-02-17
Filing date: 1982-02-17
Publication date: 1983-08-25
Also published as: DE3205705C2

Description

Anordnung zur Messung von eine Längenänderung bewirkenden
nichtelektrischen physikalischen Größen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von eine Längenänderung bewirkenden nichtelektrischen physikalischen Größen mit einem Meßwandler, durch welChen die zu messende Größe in die ihr entsprechende Frequenz eines Oszillators gewandelt wird, dessen Frequenz von einer Induktivität abhängt, deren Wert der zu messenden Größe entsprechend veränderbar ist.
Anordnungen dieser Art finden vornehmlich Anwendung bei Kraft-, Druck-, Längen-, Winkel oder Drehmomentmeßeinrichtungen sowie bei elektromechanischen Waagen. Die Längen-, Winkel- oder Drehmomentmeßeinrichtungen arbeiten dabei ebenfalls nach dem Prinzip der Messung einer Kraft, nämlich der Messung derjenigen Kraft, auf deren Wirkung die Längen- oder Winkeländerung oder das Drehmoment, die letztendlich gemessen werden sollen, zurückzuführen sind.
Es ist bekannt, bei Anordnungen der in Rede stehenden Art den Wert der als Spule ausgebildeten Induktivität des Oszillators z. B. mittels eines Polblechs zu ändern, auf welches die zu messende Größe, bspw. Kraft oder Druck, dergestalt einwirkt, daß es seine Lage in Bezug auf die Spule ändert; vgl. z. B. DE-OS 29 03 141. Ein einer zu messenden Größe, bspw. einer Kraft, entsprechendes Signal in Form einer Oszillatorfrequenz kann ferner aus der Änderung der magnetischen Eigenschaften eines Meßwandlers unter dem Einfluß der zu messenden Größe gewonnen werden; vergl. z. B. DE-OS 28 53 999. Außer den vorgenannten Anordnungen mit diskreten Induktivitäten ist auch ein elektromechanischer Kraft- oder Druckmeßwandler mit einem Hohlraumresonator, also mit verteilten Induktivitäten und Kapazitäten, bekannt bei dem die Resonatorfrequenz des elastisch verformbaren Hohlraumresonators ein Maß für die ihn verformende Meßgröße ist (DE-OS 22 62 032).
In der Regel wird die nichtelektrische Meßgröße in eine elektrische Größe, wie z. B. Spannung oder Strom, überführt und erst diese Zwischengröße mit Hilfe eines Analog-Digital-Umsetzers in einen diskreten Wert, der für eine Weiterverarbeitung auf einem Digitalrechner in der Prozeßautomatisierung und Prozeßmeßtechnik geeignet ist, umgesetzt. Vorwiegend bedient man sich des Prinzips der Brückenschaltung, wobei die nichtelektrische Größe über eine Widerstands-, Kapazitäts- oder Induktivitätsänderung in der Brücke in eine elektrische Größe umgesetzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der in Rede stehenden Art zu schaffen, bei deren Meßwandler die Meßgröße unmittelbar auf die Induktivität des Oszillators einwirken kann und bei der ferner eine direkte Umsetzung der nichtelektrischen Meßgröße in eine für einen Digitalrechner (z. B. Mikroprozessor) geeignete Darstellungsform (Frequenz, Pulsdauer, Periode) möglich und der Zwischenschritt über eine Analog-Digital-Umsetzung zu vermeiden ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Induktivität eine der zu messenden Größe entsprechend verformbare Feder, bspw. eine Metallfeder, ist. Ferner wird gemäß der Erfindung dem Ausgangssignal des Oszillators eine binäre, für die unmittelbare Verarbeitung durch eine digitale Auswerteeinrichtung geeignete Form gegeben.
Ein Einfluß der Dehnung, der Alterung und der Temperatur auf die Permeabilität des Federmaterials kann vernachlässigt und eine erstrebenswerte Güte des Oszillatorkreises kann erzielt werden, indem die Feder aus einem nichtpermeablen Federmaterial mit großer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt wird. In diesem Zusammenhang besonders empfehlenswert ist es auch, die Oberfläche der Feder mit einem Metall von großer elektrischer Leitfähigkeit zu vergüten. Besonders günstig ist die Verwendung einer etwa 98% Cu und 2% Be enthaltenden Kupferlegierung als Federmaterial.
Weitere Ausbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung, insbesondere solche, die für die Beeinflussung und Auswertung der Meßwertanzeige von Bedeutung sind, sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die mit der Anordnung gemäß der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß aufgrund der einfachen Bauweise mit einer hohen Zuverlässigkeit gerechnet werden kann, daß der zur Erfassung und Weiterverarbeitung analoger Zwischengrößen notwendige Aufwand vermieden werden kann und daß aufgrund der hohen Störsicherheit frequenzanaloger Signale auch größere Entfernungen zwischen Meßort und Meßwertverarbeitungsanlage überbrückt werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 erläutert; von diesen zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild der Anordnung gemäß der Erfindung; Fig. 2 ein Beispiel für die konstruktive Realisation dieser Anordnung.
Fig. 1 zeigt den Oszillator 0 mit dem Schwingkreis S, der eine als frequenzbestimmende, diskrete Induktivität wirksame Feder L/F enthält, die durch die Meßgröße, Kraft K, verformt, und zwar ausgedehnt, wird. Am Ausgang des Oszillators steht die der Meßgröße entsprechende Oszillatorfrequenz als Ausgangssignal Sf an, das in der Auswerteeinrichtung A in das digitale Meßwertsignal 5d umgewandelt wird.
Die durch die nichtelektrische Meßgröße hervorgerufene Verformung der Feder bewirkt eine Anderung der geometrischen Abmessungen, insbesondere der Länge bei Schraubenfedern bzw. der Fläche und Windungszahl bei Spiralfedern. Diese Verformung führt zu einer Anderung der Induktivität. Der in Gleichung (Gl. 1) mit L = Induktivität W = Windungszahl A = Spulenfläche = =rel. Permeabilität 1 = Spulenlänge angegebene Zusammenhang erlaubt eine grobe Abschätzung der Induktivitätsänderung bei gegebener Verformung der Feder.
Diese Änderung der Induktivität bewirkt eine Änderung der Schwingfrequenz des Oszillators, da die Feder als Spule im frequenzbestimmenden Teil des Oszillators eingebaut ist. Der in Gleichung (Gl. 2) angegebene Zusammenhang beschreibt die für LC-Oszillatoren hinreichend gültige Abhängigkeit der Schwingfrequenz (f) von der Induktivität (L) und vom Kondensator (C) des Schwingkreises.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel für die konstruktive Ausbildung der Anordnung gemäß der Erfindung. Die gesamte Anordnung ist in einem Abschirmgehäuse 9 untergebracht, welches in seinem oberen Teil den Oszillator und die Auswerteeinrichtung und im unteren Teil die als frequenzbestimmende Induktivität des Oszillators dienende und durch die zu messende Größe verformbare Schraubenfeder enthält; diese besteht hier aus den beiden parallel bzw. konzentrisch zueinander orientierten Federn 7 und 8, die mechanisch parallel und elektrisch in Serie geschaltet sind. Mit 2 und 3 sind die Auswerteeinrichtung und der Oszillator in Form ihrer Schaltungsplatinen schematisch angedeutet. Der Oszillator 3 steht über die Durchführungen 4 mit den elektrisch isoliert voneinander, in die Federhalterung 5 eingehängten Federn 7 und 8 in Verbindung. Mit ihren anderen Enden sind die Federn 7 und 8 in die Federhalterung 10 eingehängt, durch die sie elektrisch miteinander verbunden sind und durch die über die Stange 12 die Wirkverbindung zwischen der zu messenden Größe, der Kraft K, und den Federn 7 und 8 hergestellt wird. Mit dem Anschlag 11 wird der freie Federweg begrenzt, um eine Überdehnung der Federn zu verhindern.
Über die bspw. zu einem Aufhängepunkt gemäß Fig. 1 führende Stange 1 ist die Anordnung mit einem festen Punkt verbunden.
Die Genauigkeit der Anordnung wird in erster Linie von der Reproduzierbarkeit der übertragungskennlinie "Frequenz über nichtelektrische Meßgröße" bestimmt. Sowohl Nichtlinearitäten als auch Offset und Verstärkung lassen sich weitgehend über die Meßwertverarbeitung in der Auswerteeinrichtung korrigieren. Die Forderung nach einer reproduzierbaren Kennlinie führt zu einer Feder aus hochwertigem Federmaterial. Neben dieser mechanischen muß die Feder auch gute elektrische Eigenschaften aufweisen, um eine ausreichende HF-Güte der Induktivität, die für die Frequenzstabilität erforderlich ist, zu erreichen. Diese Eigenschaften können durch Oberflächenvergütung schlecht leitfähiger Federwerkstoffe oder durch Verwendung spezieller Kupferlegierungen erreicht werden.
Der Einbau der Federn 7 und 8 in das Abschirmgehäuse 9 mit Öffnungen nur für die Einleitung der Meßgröße und für den Anschluß an den Oszillator entkoppelt die Anordnung weitgehend von Einflüssen des HF-Nahfeldes.
Zur Kompensation des Temperatureinflusses kann ein zusätzlicher Oszillator vorgesehen werden, der weitgehend gleichartig dem Meßoszillator aufgebaut ist und der als Induktivität eine Spule 6 erhält. Dieser Oszillator, der nicht durch die Meßgröße beeinflußbar ist, liefert eine Vergleichs frequenz für die Auswertung des durch die Meßgröße beeinflußbaren Oszillators. Durch Bildung der Differenz beider Frequenzen läßt sich der Temperatureinfluß verkleinern, da diese Störgröße auf beide Oszillatoren wirkt, während die Meßgröße nur auf den einen der beiden Einfluß hat. Zur Ermittlung der Differenz sind sowohl analoge (Multiplikation der beiden Frequenzsignale mit anschließender Tiefpaß-Filterung) als auch digitale Verfahren (Erfassung der beiden Frequenzen und anschließende algebraische Differenzbildung) bekannt.
Eine Beeinflussung der Meßkennlinie im Hinblick auf einen gewünschten Empfindlichkeitsverlauf kann durch eine windungsabhängige Federrate erreicht werden.
Die Konstruktion der Feder wird der Anwendung der Anordnung angepaßt: bei axialer Einwirkung der Meßgröße werden Schraubenfedern für Zug-, Druck- oder Zug- und Druckbelastung verwendet. Bei tangentialer oder drehender Einwirkung werden Spiralfedern eingesetzt.
Vorzugsweise wird für die Feder eine geradzahlige Anzahl von Lagen zur Konstruktion des Meßwandlers verwendet, weil dann die Zuleitung zum Oszillator nur kurze Verbindungen erfordert.
Leerseite

Claims

P a t e n t a n s p .r ü c h e 1. Anordnung zur Messung von eine Längenänderung bewirkennichtelektrischen physikalischen Größen mit einem Meßwandler, durch welchen die zu messende Größe in die ihr entsprechende Frequenz eines Oszillators gewandelt wird, dessen Frequenz von einer Induktivität abhängt, deren Wert der zu messenden Größe entsprechend veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L/F) eine durch die zu messende Größe entsprechend verformbare Feder (7, 8) ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder aus einem Federmaterial mit großer elektrischer Leitfähigkeit besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Feder mit einem Material von hoher elektrischer Leitfähigkeit vergütet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder aus einer etwa 98 % Cu und 2 % Be enthaltenden Kupferlegierung gefertigt ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder als ein- oder mehrlagige Druck- oder Zugfeder ausgebildet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder sich als Zusammenfassung mehrerer parallel wirkender Spiralfedern darstellt.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder durch die zu messende Größe sowohl auf Zug als auch auf Druck beanspruchbar ist.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federrate der geforderten Empfindlichkeit des Meßaufnehmers angepaßt ist.
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Spule ausgebildete Feder einen hochpermeablen, von der zu messenden Größe nicht beeinflußbaren Spulenkern enthält.
10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (Sf) des Oszillators (0) eine binäre, für die unmittelbare Verarbeitung durch eine digitale Auswerteeinrichtung (A) geeignete Form aufweist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (A) für die Korrektur von Nichtlinearitäten der Meßwandlerempfindlichkeit und/oder des Offsets und der Verstärkung und/oder die Kompensation von Temperatureinflüssen programmierbar ist.
12. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dem Meßwandler analoge, von der zu messenden Größe nicht beeinflußbare Oszillatorschaltung, die eine Vergleichsfrequenz für die Auswertung des Ausgangssignals des durch die Meßgröße beeinflußbaren Oszillators liefert.