DE3205705C2

DE3205705C2 - Einrichtung zur Messung einer physikalischen Größe mit einer verformbaren Feder

Info

Publication number: DE3205705C2
Application number: DE19823205705
Authority: DE
Inventors: Jakob Dipl.-Ing. 8025 Unterhaching Schillinger; Hans-Rolf Prof. Dr.-Ing. 8022 Grünwald Tränkler
Original assignee: Individual
Current assignee: Schillinger Jakob 8068 Pfaffenhofen De Traenkle
Priority date: 1982-02-17
Filing date: 1982-02-17
Publication date: 1986-04-24
Also published as: DE3205705A1

Abstract

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, die die Form einer durch die zu messende Größe entsprechend verformbaren Feder hat.

Description

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekermzeic'inet, daß der Federwerkstoff aus einer Legierung mit etwa 98% Cu und 2% Be besteht

3. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (L) einen hochpermeablen, von der zu messenden physikalischen Größe nicht beeinflußbaren Spulenkern aufweist

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verformbare Feder aus mindestens zwei, mechanisch parallel zusammenwirkender und elektrisch in Reihe geschalteter Einzelfedern besteht

5. Einrip&tung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Feder aus schlecht ieitfähigem Federwerkstoff mit Material von hoher elektrischer Leitfähigkeit vergütet wird.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung einer physikalischen Größe mit einem verformbaren Meßwandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Einrichtungen dieser Art finden vornehmlich Anwendung bei Kraft-, Druck-, Beschleunigungs- oder Drehmomentmeßeinrichtungen. Diese Meßeinrichtungen arbeiten dabei nach dem Prinzip der Messung einer Länge, nämlich der Messung derjenigen Länge, die durch die Wirkung von Kraft, Druck, Beschleunigung oder Drehmoment auf den Fiderkörper verursacht wird.

Es ist bekannt, bei Anordnungen der in Rede stehenden Art den Wert der als Spule ausgebildeten Induktivität des Oszillators, z. B. mittel? eines Polblechs, zu ändern, auf welches die zu messende Größe dergestalt einwirkt, daß es seine Lage in bezug auf die Spule ändert: vergleiche z. B. DE-PS 9 56 996. Ein einer zu messenden Größe, bspw. einer Kraft, entsprechendes Meßsignal kann ferner aus der Änderung der magnetischen Eigenschaften (magnetostriktiver Effekt) eines Meßwandlers unter dem Einfluß der zu messenden Größe gewonnen werden; vergleiche z. B. DL-PS 21 832.

Bekannt ist außerdem ein elektromechanischer Kraft- oder Druckmeßwandler bei dem die Resonanzfrequenz eines elastisch verformbaren Hohlraumresonators ein Maß für die ihn verformende MeßgrüDe ist (DE-PS 22 62 032).

Während diese drei vorgenannten Meßwandler im Vergleich zum Anmeldungsgegenstand auf wesentlich verschiedenen Prinzipien beruhen, kommt der Annieldungsgegenstand nach DE-AS 11 08 449 der in Rede stehenden Anordnung sehr nahe.
Es bestehen aber folgende wesentliche Unterschiede:

— Bei der Anmeldung nach DE-AS 11 08 449 wird eine in einer Apparatur vorhandene Feder als variable Induktivität zur Messung der Auslenkung der Feder verwendet Die die Auslenkung verursachende Federkraft spielt hierbei keine Rolle. Im Gegensatz dazu ist bei dem Anmeldung«sgegenstand die Federkonstante ein wesentlicher Entwurfsparameter des Meßaufnehmers (vgl. Anspruch Ia).

— Da die Stabilität des Oszillators und damit letztendlich die Auflösung des Sensors von der elektrischen Güte des LC-Schwir.gkreises bestimmt wird, wird im Gegensatz zur Anmeldung DE-AS 11 08 449 hier ein Federwerkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit vorgeschrieben (vgl. Anspruch l.b).

— Zur Vermeidung magnetostriktiver Effekte in der Spule wird im Gegensatz zur Anmeldung DE-AS 11 08 449 hier ein nichtpermeabler Werkstoff vorgeschrieben (vgl. Anspruch l.c).

S5 Weiterhin werden für die Messung der Meßgröße Kraft und davon abgeleiteter nichtelektrischer Größen neben den in den Entgegenhaltungen beschriebenen Verfahren folgende Prinzipien eingesetzt:

— Schwingsaiten-Meßzelle,

- DMS-Meßzelleund
— Kapazitive Meßzelle.

In der Regel wird bei diesen Meßverfahren die nicht-elektrische Meßgröße in eine elektrische Größe, wie z. B. Spannung oder Strom, überführt und erst diese Zwischengröße mit Hilfe eines Analog-Digital-Umsetzers in einen für einen Digitalrechner geeigneten digitalen Wert umgesetzt. Für die Abbildung der nichtelektrischen Größe in eine elektrische Größe bedient man sich meist des Prinzips der Brückenschaltung, wobei die Verstimmung der Brücke durch eine Widerstands-, Kapazitäts- oder Induktivitätsänderung erfaßt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß beim Meßwandler die Meßgröße unmittelbar auf die Induktivität des Oszillators einwirken

t kann und damit eine direkte Umsetzung der nichtelektrischen Meßgröße mittels eines Zählers in eine für einen

ξ Digitalrechner geeigneten Darstellungsform möglich ist

I Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen

ii gelöst

£ Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2—5 beschrieben.

K Ein Einfluß der Dehnung, der Alterung und der Temperatur auf die Permeabilität des Federmaterials kann

;: vernachlässigt und eine erstrebenswerte Güte des Oszillators kann erzielt werden, indem die Feder aus einem

:; nichtpprmeafcien Federmaterial mit hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt wird. Besonders günstig ist die

. ■ Verwendung einer etwa 98% Cu und 2% Be enthaltenden Kupferlegierung als Federmaterial.

j Bei schlecht leitenden Federwerkstoffen ist es empfehlenswert, die Oberfläche der Feder mit einem Materia!

i \ von großer elekti ischer Leitfähigkeit zu vergüten. Durch die Verwendung eines geeignet geformten, von der

V< Meßgroße nicht beeinflußten hochpermeablen Spulenkernes kann die Übertragungskennlinie des Aufnehmers

;■! in gewünschter Weise geändert werden. Für die elektrische Rückleitung ist erfindungsgemäß bei Verwendung

V einer einlagigen Schraubenfeder eine Biegeformfeder erforderlich. Mechanisch günstiger ist es, eine zweilagige

ί Schraubenfeder einzusetzen, die elektrisch in Serie und mechanisch parallel geschaltet ist

U Die mit der Anordnung gemäß der Erfindung erzielbaren Vorteil bestehen darin, daß aufgrund der einfachen

' -: Bauweise mit einer hohen Zuverlässigkeit gerechnet werden kann, daß der zur Erfassung und Weiterverarbei-

; tung analoger Zwischengröße notwendige Aufwand vermieden werden kann, und daß aufgrund der hohen Störsicherheit frequenzanaloger Signale auch größere Entfernungen zwischen Meßort und M.tSwertverarbei-

v; tungsaniage überbrückt werden können. 2ö

:'■'■ Die Erfindung wird nachfolgend anhand der F i g. 1 und 2 erläutert; von diesen zeigt

:; F i g. 1 ein Blockschaltbild der Anordnung gemäß der Erfindung,

''■ F i g. 2 ein Beispiel für die konstruktive Realisierung dieser Anordnung.

V Fig. 1 zeigt den Oszillator O mit dem Schwingkreis 5, der eine ah frequenzbestimmende Induktivität wirksa-

.<' me Feder L enthält, die durch die Meßgröße, Kraft F, verformt wird. Am Ausgang des Oszillators steht die der

■',■; Meßgröße entsprechende Oszillatorfrequenz als Ausgangssignal Stan, welches in der Impulsformerstufe A in ein

fj digitales Meßwertsignal S</umgewandelt wird.

;;■ Die durch die nichtelektrische Meßgröße hervorgerufene Verformung der Feder bewirkt eine Änderung der

\i geometrischen Abmessungen, insbesondere der Länge bei Schraubfedern bzw. der Fläche und Windungszahl bei

'fi Spiralfedern. Diese Verformung führt zu einer Änderung der Induktivität. Die Gleichungen 1 bis 3 erlauben eine

;/- grobe Abschätzung der Kennlinie des Kraftsensors.

= F/c, ~ (D

_{2\

L-*	**■ A ■ μο ■ μ, _ η ■ A ■ μ₀ ■ μ,**
	I lo+F/c
	1 1 j/ lo+F/c
	ί · VL ■ C/c 2 π- V Ck ' rr ■ A · μο ' μ_Γ
F =	Kraft
c =	Federsteifigkeit
y =	Auslenkung
/ =	Gesamtlänge der Feder
*'Ό =*	Gesamtlänge der Feder ohne Auslenkung
η =	Windungszahl
A =	Spulenfläche
μο =	Permeabihtätskonstante
μ_Γ =	relative Permeabilität
r	Ausgangsfrequenz des Oszillators
*Ck =*	Schwingkreiskondensator

(3)

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F i g. 2 zeigt schematisch ein Beispiel für die konstruktive Ausbildung der Allordnung gemäß der Erfindung. Die gesamte Anordnung ist in einem Abschirmgehäuse 9 untergebracht, welches in seinem oberen Teil den bs Oszillator und die Impulsformerstufe 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 konzentrisch zueinander orientierten Federn 7 und 8, die mechanisch parallel und elektrisch in Serie geschaltet sind. Die Impulsformerstufe 2 und der Oszillator 3 sind in Form ihrer Schaltungsplatinen schematisch angedeutet. Der Oszillator 3 steht über die Durchführungen 4 mit den elektrisch isoliert voneinander, in die eo Federhaltung 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 Krpft F und den Federn 7 und 8 hergestellt wird. M^:t dem Anschlag 11 wird der freie Federweg begrenzt, um eine Überdehnung der Feder zu verhindern. Über die bspw. zu einem Aufhängepunkt gemäß F i g. 1 führende Stange 1 ist die Anordnung mit einem festen Punkt verDjnden.

Die Genauigkeit der Anordnung wird in erster Linie von der Reproduzierbarkeit der Übertragungskennlinie »Frequenz über nichtelektrische Meßgröße« bestimmt. Sowohl Nichtiinearitäten als auch Offset jnd Verstär-

kung lassen sich weitgehend über die Meßwertverarbeitung in der Auswerteeinrichtung korrigieren. Der Einbau der Federn 7 und 8 in das Abschirmgehäuse 9 entkoppelt die Anordnung weitgehend von Einflüssen des HF-Nahfeldes.

Die Form der Feder wird der Anwendung der Anordnung angepaßt: Bei axialer Einwirkung der Meßgröße werden vorwiegend Schraubenfedern für die Zug-, Druck- oder Zug- und Druckbelastung verwendet. Bei rotatorischer Einwirkung werden vorwiegend 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.

io Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung einer physikalischen Größe mit einer verformbaren Feder, die als Spule in einer als Oszillator ausgebildeten elektrischen Meßschaltung wirkt, durch welche die als Kraft zu messende physikalische Größe in die ihr entsprechende Frequenz des Oszillators umgeformt wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) als Kraftmeßzelle ist in bekannter Weise eine verformbare Feder mit vorgebbarer Federkonstante vorgesehen;

b) die Feder besteht aus einem Federmaterial hoher elektrischer Leitfähigkeit;
c) die Feder besteht aus einem nichtpermeablen Werkstoff.