DE3336250A1

DE3336250A1 - Kraftmessvorrichtung

Info

Publication number: DE3336250A1
Application number: DE3336250A
Authority: DE
Inventors: Masami Miki Hyogo Yamanaka
Original assignee: Yamato Scale Co Ltd
Current assignee: Yamato Scale Co Ltd
Priority date: 1982-10-05
Filing date: 1983-10-05
Publication date: 1984-04-05
Also published as: AU1928383A; IT8368022A0; KR840006698A; FR2534021B1; GB8325509D0; US4614245A; FR2534021A1; KR900008328B1; GB2128329A; IT1206543B; GB2128329B; AU545387B2; DE8328722U1

Description

-4-Kraftmeßvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Kraft, bei welcher die Kraft in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die Vorrichtung ist speziell für Wägeeinrichtungen anwendbar.

Ein typisches Beispiel für derartige Vorrichtungen ist die sog. Lastzelle. In einer solchen Lastzelle ist ein Wider-

^q Standsdehnungsmeßstreifen auf der Oberfläche eines elastischen Elementes, das sich unter Einfluß der Kraft verformt, aufgeklebt, und es werden die Widerstandsveränderungen des Dehnungsmeßstreifens gemessen, um daraus die Größe der Kraft zu gewinnen. Eine derartige Lastzelle ist in dem japanischen Gebrauchsmuster Nr. 54-30863 beschrieben. Die Vorrichtung kann über einen weiten Bereich Kräfte messen, wenn die Geometrie des elastischen Elementes richtig gewählt ist. Ihr haftet jedoch der große Nachteil an, daß aufgrund der thermischen Änderung physikali- scher Größen wie des elastischen - oder des Ausdehnungskoeffizienten des elastischen Elementes und aufgrund der durch Feuchtigkeit bedingten Abnahme der Klebekraft des Dehnungsmeßstreifens erhebliche Fehler einstellen können, die nur äußerst schwierig und mit großen Kosten zu kompensieren sind. In der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 43-18665 ist eine Kraftmeßvorrichtung beschrieben, die eine theoretische Beziehung zwischen Spannung und Frequenz von Schwingungen einer Saite oder eines Drahtes ausnutzt. Wenngleich diese Vorrichtungen Messungen mit hoher Genauigkeit gestatten, haften ihr die Mängel wie komplizierter Aufbau und relativ schmaler Meßbereich an.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der den bekannten Meßvorrichtungen anhaftenden

Ι Nachteile und Mängel eine Vorrichtung zu schaffen, mit der mit hoher Genauigkeit Kräfte in einem großen Bereich gemes sen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe einer Kraftmeßvorrichtung gelöst, die ein erstes und ein zweites elastisches Freiarmelement aufweist, von denen jeweils ein Ende fest eingespannt ist und die zueinander parallel verlaufen, während ein drittes elastisches Element zwisehen die Enden der beiden freien Arme eingespannt ist; die zu messende Kraft greift an einem der freien Armenden an, und im dritten Element wird eine Kraft festgestellt, die darin aufgrund des Angriffs der zu ermittelnden Kraft auftritt.

Eine nähere Beschreibung der Erfindung und der ihr zugrunde liegenden Gedanken erfolgt nun anhand der Zeichnung, in der verschiedene Ausführungsformen dargestellt sind. Im einzelnen zeigen:
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Fig. 1 eine Seitenansicht in Schnittdarstellung eines typischen'Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 eine Skizzendarstellung zur Unterstützung der theoretischen Erläuterungen zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1;

Fig. 3 das Schaltbild einer Schaltung, mit der die

Schwingung einer Saite in dem Ausführungsbeispiel ^ow nach Fig. 1 als elektrisches Signal abnehmbar ist;

Fig. 4 eine typische Schaltung zur Verarbeitung des durch die Schaltung nach Fig. 3 gewonnenen Signals in

Blockdarstellung;
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Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Schaltung, die gegenüber der Schaltung nach Fig. 4 weitere Verbesserungen erfahren hat;

Fig. 6 bis 10 schematisierte Seitenansichtsdarstellungen weitererAusführungsformen von Wägevorrichtungen, in denen die erfindungsgemäße Kraftmeßvorrichtung eingesetzt wird.

'Soweit in der Zeichnung dieselben Teile wiederholt vorkommen, sind sie mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. ·

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 sind ein elastisches Hauptelement 2 und ein elastisches Hilfselement 4 zueinander parallel angeordnet und mit jeweils einem Ende unter Zwischenfügung eines Blockes 6 mittels Bolzen 10 auf einem Grundrahmen 8 so befestigt, daß die beiden Elemente 2 und 4 als Freiarme in den Raum stehen. Das Hilfselement 4 ist von den übrigen Bauteilen durch Isolationsmaterial 12 elektrisch isoliert. Die beiden elastischen Elemente 2 und 4 sind mit geschwächten Abschnitten 3 und 5 versehen, die nachfolgend als Deformationsabschnitte bezeichnet werden und in denen die Verformungskräfte konzentriert auftreten, wenn an ihren freien Enden eine Kraft angreift. Zwischen den freien Enden der beiden Elemente 2 und 4 erstreckt sich eine elastische Metallsaite 14, deren wirksame Länge d praktisch gleich der Dicke des Zwischenblocks 6 ist. Die Seite 14 ist mittels Schrauben 16 an den Stirnenden der beiden Elemente 2 und 4 befestigt. Ein Permanentmagnet 18 ist am freien Ende des elastischen Hauptelementes 2 so befestigt, daß er mit seinen Polen die Saite 14 in ihrem Mittelabschnitt umgreift, so daß sein Magnetfeld

zur Saite senkrecht verläuft.
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Wenn eine Last W das Ende des elastischen Hauptelementes 2 am Punkt 20 abwärts drückt, wie es durch einen Pfeil in den Fig. 1 und 2 angedeutet ist, so ergibt sich für das Hauptelement 2 eine Auslenkung Ad., die proportional der Last W ist und um die das untere Ende der Saite 14 abwärts gezogen wird. Damit entsteht eine Spannung T in der Saite 14, die im Hilfselement 4 eine Auslenkung Ad„ hervorruft. Wenn die Federkonstanten der elastischen Elemente 2 und 4 k₁ und k₂ sind und die Längsdehnung der Saite 14 vernachlässigt wird, dann gelten

Ad₁ = Ad₂ = Ad

W = AdCk₁ + k₂)

T = Adk₂

woraus man W = T(k.. + k₂)/k₂ (1)

erhält und somit die Last W aus einer proportionalen Beziehung zur Spannung T ableitbar ist, ihre Größe also durch Messen der Spannung T gewonnen werden kann.

Wie die Fig. 3 zeigt, ist das untere Ende der Saite.14 mit einem ersten und einem zweiten Eingang eines Differenz-.verstärkers 22 über Widerstände 24 bzw. 26 und außerdem mit einem Bezugspotentialpunkt 28 verbunden. Das obere Ende der Saite 14 ist über einen Kondensator 30 mit dem ersten Eingang des Differenz Verstärkers 22 und über einen Widerstand 32 mit seinem Ausgang verbunden. Wenn sich in dieser Anordnung die Saite 14 geringfügig in Richtung quer zum Magnetfeld des Permanentmagneten 18 verlagert, wird ein kleiner Strom in einer Richtung in dem geschlossenen Stromkreis induziert, der die Elemente 14, 24 und 30 ent-' hält, wodurch am Widerstand 24 eine Spannung auftritt. Diese Spannung wird vom Verstärker 22 verstärkt, und der verstärkte Wert wird über den Widerstand 32 der Saite 14 mit einer solchen Spannungsrichtung zugeführt, daß die Auslenkung verstärkt wird. Wenn zwischen mechanischer und elektri-

-δι scher Energie, welche der Saite 14 zugeführt werden, ein Gleichgewicht erreicht ist, hört die Auslenkung der Saite in der ersten Richtung auf, und sie beginnt, sich in der entgegengesetzten Richtung durchzubiegen, wodurch die Stromrichtung umgekehrt wird. Dies wiederholt sich, so daß die Saite 14 mit einer Frequenz f schwingt. Diese Frequenz f ist durch die folgende Naherungsgleichung bestimmbar, welche der Literaturstelle O. Nishino "KOGYO DENSHI KISOKU (Industrial Electronic Measurement)",' S. 51, veröffent-"licht durch Corona Inc., Tokyo, 1965 entnommen werden kann und folgendermaßen lautet:

f = (n/2d)/ Tg/m (2)

worin η die Ordnung für Harmonische , d die wirksame Länge der Saite 14, g die Erdbeschleunigung und m die Masse pro Längeneinheit der Saite 14 sind. Die Zugspannung t läßt sich also durch Messen der Frequenz f bestimmen.

' Fig. 4 zeigt das Beispiel einer Schaltung zum Erfassen der Frequenz und zum Berechnen der Last, die an der Vorrichtung nach Fig. 1 angreift. Die Schaltung weist einen Oszillator 34 auf mit einer Schaltung nach Fig. 3, der ein Oszillationssignal der Frequenz f abgibt. Das Oszillationssignal wird über ein Gatter 36, das von einem Zeitsteuerkreis 38 gesteuert wird, einem Zähler 40 zugeführt, der die Zahl der Schwingungen des zugeführten Oszillationssignals über eine bestimmte Dauer, die von der Zeitsteuerschaltung 38 vorgegeben wird, zählt. Der Zähler 40 leitet einen Zählausgang an eine Rechnereinheit 42, die ein Mikrocomputer sein kann und die Frequenz f aus dem ankommenden Zählsignal und der vorgegebenen Zeitspanne berechnet, woraus dann die Zugspannung T und die Last W nach den Gleichungen (2) und (1) ermittelt werden. Eine Anzei-

^ gevorrichtung 44 zeigt das Berechnungsergebnis an.

COPV

Zur Erhöhung der Genauigkeit oder Auflösung der gemessenen Last W in dieser Anordnung muß der Ausgangszählwert des Zählers 40 erhöht werden, zu diesem Zweck können die Ausgangsfrequenz des Oszillators 3 4 oder die Auftastzeit des

c Gatters 36 vergrößert werden. Eine Grenze für die Erhöhung der Frequenz f besteht in der Verringerung der Länge d der S^ite 14, und es ist auch unerwünscht, die Zeit für die Messung durch Verlängerung der Auftastzeit zu vergrößern.

,Q Fig. 5 zeigt eine Abwandlungsform der Schaltung von Fig. 4, mit der das oben erwähnte Ziel ohne Veränderung der Saitenlänge oder der Auftastzeit erreicht wird. Ein Phasenregelschleifen-(PLL)-Frequenzvervielfacher 46, der in Fig. 5 gestrichelt umrahmt ist, ist zwischen Oszillator 34 und 5 Gatter 36 der Schaltung nach Fig. 4 eingefügt. Der PLL-Frequenzvervielfacher 46 enthält einen Phasendetektor 48, ein Tiefpassfilter 50 und einen spannungsgesteuerten Oszillator 52, die in Reihe zwischen dem Oszillator 34 und dem Gatter 36 liegen, während ein Frequenzteiler 54 zwisehen den Ausgang des Oszillators 52 und einen zweiten Ausgang des Phasendetektors 48 geschaltet ist.

Bei dieser Anordnung erzeugt der Oszillator 3 4 ein Signal der Frequenz f, der spannungsgesteuerte Oszillator 52 ist so eingestellt, daß er ein Signal einer nahe der Frequenz liegenden Frequenz Nf erzeugt, und der Frequenzteiler 54 besitzt einen Teilungsfaktor N. Damit wird die Ausgangsfrequenz des Frequenzteilers 54 anfänglich nahe der Frequenz f. Der Phasendetektor 48 vergleicht die Phasenlage der Ausgangssignale des Oszillators 34 und des Frequenzteilers 54 und erzeugt eine der Phasendifferenz dieser beiden Signale entsprechende Spannung. Diese Spannung wird durch ein Tiefpassfilter 50 gefiltert, wodurch die Wechselkomponente beseitigt wird, und dann dem spannungsgesteuerten Oszillator 52 zugeführt. Dieser ist in der La-

-ΙΟΙ ge, seine Ausgangsfrequenz so zu verändern, daß seine Eingangsspannung abnimmt, so daß er sich mit der von ihm erzeugten Frequenz genau auf die Frequenz Nf einstellt. Dies bedeutet, daß es möglich wird, eine N-fache Auflösung der Schaltung der Fig. 4 mit derselben Meßdauer zu erhalten oder die Meßzeit um den Faktor N mit derselben Auflösung zu verringern.

Wenngleich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch Feuchtig- -keit nicht beeinflußt werden sollte und deswegen auch keine teuere Abschirmung gegen Feuchtigkeit benötigt, was im Gegensatz steht zu den bekannten Meßvorrichtungen, bei denen Dehnungsmeßstreifen auf verformbaren Abschnitten festgeklebt sind, kann die Vorrichtung nach der Erfindung doch durch TemperaturSchwankungen beeinflußt werden. Einer der möglichen Effekte ist die temperaturbedingte Ausdehnung der Saite 14, wodurch ihre Spannung T sich ändert, was einen wesentlichen Fehler in der Messung nach sich zieht. Dieser Einfluß kann dadurch ausgeschieden werden, daß die Dicke des Zwischenblockes 6 praktisch gleich der wirksamen Länge TD der Saite 14 gemacht wird, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist·, und daß überdies der Block 6 und die Saite 14 aus Werkstoffen mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen.

· Eine weitere mögliche Auswirkung der Wärme auf das Meßergebnis kann durch Veränderung der Federkonstanten k.. und kder beiden elastischen Elemente 2 und 4 entstehen, was zu einer Änderung der Proportionalkonstanten (k. + k~)/k₂ in Gleichung (1) führt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Wert dieser Proportionalkonstanten dann praktisch unverändert bleibt, wenn die beiden Elemente 2 und 4 aus demselben Material oder aus Materialien mit demselben Wärmekoeffizienten des Elastizitätsmoduls hergestellt sind und wenn die wärmebedingte Änderung der Geometrie durch Nullpunktkorrektur kompensiert wird.

Auch wenn keine TemperaturSchwankungen auftreten, können durch Restspannungen und Kriecherscheinungen der Elemente 2 und 4 Fehler auftreten. Diese Fehler lassen sich jedoch durch Gestaltung der verformbaren Abschnitte der beiden Elemente 2 und 4 in der Weise, daß die maximalen Spannun- . gen darin in ihrer Größe im wesentlichen gleich sind und daß beide Elemente aus demselben Material hergestellt sind, vermeiden, da dann für beide die Restspannungen und die Kriecherscheinungen eine Funktion dieser Spannung sind, ig, die von dem verwendeten Material abhängt.

Aus der Gleichung (1) sieht man, daß die Zugspannung T unabhängig von der Größe von W durch geeignete Wahl der Federkonstante k nur des elastischen Hauptelementes erhalten werden kann. Dies bedeutet, daß der Meßbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Belieben wählbar ist, indem nur die Geometrie des verformbaren Abschnitts 3 des elastischen Hauptelementes 2 verändert wird, während die übrigen Bauteile wie das Hilfselement 4 und die Saite 14 unverändert bleiben.

Die bisherige Beschreibung ist auf Ausführungsbeispiele mit einer Vibrationssaite gerichtet, die mit einem Permanentmagneten zusammenwirkt und als mechanisch-elektrischer Wandler dient, doch ist die Erfindung auf diese Ausführungs- ' form nicht beschränkt. Jede Art von Wandler, mit dem eine mechanische Kraft in eine elektrische Schwingung umgewandelt werden kann, deren Frequenz zur auftretenden Kraft in Beziehung steht, kann anstelle der Konstruktion mit der Saite verwendet werden. Derartige Alternativen umfassen Kristallwandler, wie sie in der Veröffentlichung von Y. Nishiguchi "Vibratory Electronic Balances", KEIRYO KANRI (Weight Measurement Control), Vol. 32, Nr. 4 (1983) S. 10-13 beschrieben sind, sowie Stimmgabelwandler gemäß Sei-

ten 15,. 16 desselben Artikels. )

Fig. 6 zeigt eine Waage, in der eine abgewandelte Ausführungsform des Vorrichtungsbeispiels aus den Fig. 1 und 2 für das Messen von Gewichten dargestellt ist. Die Waage enthält einen Parallelogrammechanismus 56, der allgemein als "Roberval"-Mechanismus bezeichnet wird und die Funktion des elastischen Hauptelementes 2 der Vorrichtung aus den Fig. 1 und 2 innehat. Der Parallelogrammechanismus 56 weist ein Paar vertikaler Teile 58 und 60 und ein Paar . horizontaler Elemente 62, 64 auf, die über vier elastisch

JLQ verformbare Abschnitte 66, 68, 70 und 72 miteinander verbunden sind. Der Vertikalteil 58 ist an einer Stütze 8 der Waage befestigt, und mit dem Vertikalteil 60 ist der Waageteller 74 über eine Stütze 75 starr verbunden, so daß der Waageteller 74 sich mit dem Vertikalteil 60 in senkrechter Richtung bewegen kann. Ein starrer Arm 76 verläuft von der inneren Fläche des Vertikalteils 58 horizontal auswärts, und ein elastisches Hilfselement 4, das dem in den Fig. 1 und 2 entspricht, ist über einen Zwischenblock 6 mit dem starren Arm verbunden, so daß es in der Ebene des Parallelogrammechanismus 56 zu liegen kommt. Ein weiterer starrer Arm 78 verläuft von der inneren Fläche des Vertikalteils 60 horizontal, .und zwischen seinem vorderen Ende und dem freien Ende des elastischen Elementes 4 ist eine Metallsaite 14 gespannt. Ein Permanentmagnet 18 ist mit dem Vertikalteil 60 so verbunden, daß die Saite 14 zwischen seinen beiden Magnetpolen verläuft. Ferner ist, was in der Zeichnung nicht eigens dargestellt ist, eine Frequenzdetektor- und Gewichtsberechnungsschaltung entsprechend den Fig. 4 oder 5 mit den beiden.Enden der Saite 14 verbunden. Da die Funktionsweise dieser Waage aus der Beschreibung der Fig. 1 und 2 von selbst deutlich wird, kann an dieser Stelle auf nochmalige Erläuterungen verzichtet werden.

Die Fig. 7 bis 10 zeigen weitere Ausführungsformen, die gegenüber der Waage nach Fig. 6 abgewandelt sind. Da sie sowohl im Aufbau als auch in der Funktionsweise nur ge-

ringe Unterschiede aufweisen, können sie jeweils aus den Zeichnungen leicht verstanden werden. Lediglich die Waage nach Fig. 10 unterscheidet sich ein wenig von den anderen, da die Anfangsspannung der Saite 14 durch das Gewicht auf dem Waageteller 74 verringert wird, und es wird die Frequenzabnahme, die proportional zum Gewicht ist, festgestellt. Diese Abwandlungsformen haben Gestaltungsgründe, damit man sich den Anforderungen der Benutzer anpassen kann, welche den Meßbereich, die kompakte Ausführung oder das äußere 10, Erscheinungsbild des Produktes betreffen.

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Leersejte

Claims

DR. dVeTER y.:BiZ9i:b '] Q Q Q r π tr η

DIPL. ING. PETER*SCHÜTZ O O J b Z 0 U

DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

PATENTANWÄLTE

MAHIA-TIIlItISlASTI(ASSt O'X POSII-ACII HCiO¹J GO

D-βΟΟΟ MUENCHEN Q6

ZUGELASSEN BtIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIRES EN BRI-.VETS EUROPI

11503/Mü

YAMATO SCALE COMPANY, LIMITED
5-22, Saenba-cho, Akashi-shi, Hyogo-ken (Japan)

Kraftmeßvorrichtung
Patentansprüche

raftmeßvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten elastischen Element in Form von Freiarmhebeln, die an ■ einem Ende fest eingespannt sind und voneinander einen Abstand haben, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem ersten und dem zweiten elastischen Element (2, 4) ein Kraftdetektor (14, 18) eingefügt ist, mit dem eine auf den Detektor einwirkende Kraft feststellbar ist, wenn die zu messende Kraft (5 W) an einem der elastischen Elemente (2, 4) angreift.

·
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, insbesondere zur Verwendung in einer Waage, dadurch gekennzeichnet, daß das eine elastische Element aus einer Parallelogrammkonstruktion (58, 60, 62, 64) besteht, die im wesentlichen in einer senkrechten Ebene angeordnet ist, von der ein vertikales Element (58) fest gehaltert und das andere (60) sich vertikal bewegen kann, daß das andere elastische Element (4) innerhalb der vertikalen Ebene liegt und mit einem Ende gegenüber dem einen vertikalen Seitenteil (58) ortsfest gelagert ist, daß der Kraftdetektor (14) zwischen dem

anderen elastischen Element (4) und einem mit dem anderen vertikalen Seitenteil (10) fest verbundenen Punkt angeordnet ist, und daß an dem anderen vertikalen Seitenteil (60) ein Waageteller (74) angebracht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite elastische Element (2, 4) aus Werkstoffen mit praktisch gleichen Temperaturkoeffizienten und Elastizitätsmodulen bestehen.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite elastische Element Abschnitte (3, 5) aufweisen, in denen konzentriert Spannungen auftreten, und daß diese Abschnitte in ihrer Geometrie so gestaltet sind, daß in ihnen im wesentlichen gleiche maximale Spannungen auftreten..
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftdetektor Mittel zum Umwandeln der ihm zugeführten Kraft in ein elektrisches Signal aufweisen, dessen Frequenz ein Maß für die Kraft ist, ferner Mittel zum Messen der Frequenz und Mittel zum Berechnen der zu messenden Kraft aus der gemessenen Frequenz nach einem vorbestimmten Programm.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu den ümwandlungsmitteln eine Metallsaite (14), wenigstens ein Paar von Magnetpolen (18), die einander zu beiden Seiten der Saite (14) gegenüberstehen, und Mittel zur Abnahme des bei den Schwingungen der Saite (14) darin induzierten Stroms aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzmeßschaltung ein Gatter (G) enthält, daß das Ausgangssignal der Umwandlungseinrichtung während einer bestimmten Zeitdauer passieren läßt, außerdem einen

Frequenzvervielfacher, der die Frequenz des Ausgangssignals des Gatters (36) multipliziert, Mittel zum Zählen der Schwingungszahl des Ausgangssignals des Frequenzvervielfachers und Mittel zum Berechnen der Frequenz aus dem Zählergebnis.