DE3505165A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen einer kraft - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum messen einer kraft

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DE3505165A1 DE19853505165 DE3505165A DE3505165A1 DE 3505165 A1 DE3505165 A1 DE 3505165A1 DE 19853505165 DE19853505165 DE 19853505165 DE 3505165 A DE3505165 A DE 3505165A DE 3505165 A1 DE3505165 A1 DE 3505165A1
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Description

DR.-ING. ULRICH KNOBLAUCH PATENTANWALT 6 frankfurt/main ι, den 14 Feb 1985 KÜHHORNSHOFWEG 10 . . POSTSCHECK-KONTO FRANKFURT/M. 3425-605 "K/W"" DRESDNER BANK, FRANKFURT/M. 230O308 TELEFON: 56 10 78
— 6 — TELEGRAMM: KNOPAT O U Π k "1 C U
DA 715 TELEX: 411877 KNOPA D OvJUU IUO
DANFOSS A/S, DK-6430 Nordborg Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Kraft
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer Kraft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Möglichkeit der Kraftmessung anzugeben, die über einen großen Wertebereich zu recht genauen Ergebnissen führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, ^ daß die Kraft einen Balken in Axialrichtung belastet, daß der Balken in Resonanzschwingungen versetzt wird, daß die Istfrequenz der Resonanzschwingungen festgestellt wird und daß hieraus die Kraft nach der Beziehung
S =
f2 - C
Cl
ermittelt wird, wobei C und C, Größen sind, die von den Eigenschaften des Balkens abhängen.
Da sich die Resonanzfrequenz eindeutig mit der Kraft ändert, kann man aus der Resonanzfrequenz die Kraft über einen sehr großen Wertebereich ermitteln.
Insbesondere kann die Erregungsfrequenz, mit der der Balken in Schwingungen versetzt wird, mit Hilfe der Istfrequenz der Resonanzschwingung nachgeführt werden. Dies ergibt eine kleine Erregerleistung. Da die Istfrequenz der Resonanzschwingung ohnehin zur Ermittlung der Kraft festgestellt werden muß, kann man sie ohne Mehraufwand auch zur Regelung der Erregungsfrequenz verwenden.
Mit besonderem Vorteil ist dafür gesorgt, daß der Balken gleichzeitig durch zwei Frequenzen, die etwa in dem Verhältnis zweier ganzer Zahlen miteinander stehen, in den Resonanzzustand erregt wird, und daß aus den beiden sich ergebenden Istfrequenzen Werte zur temperaturabhängigen Korrektur von C und C. ermittelt werden. Auf diese Weise wird das Meßergebnis von der Umgebungstemperatur unabhängig. Ausgenutzt wird hierbei die Tatsache, daß die Istfrequenz der zweiten Resonanzschwingung eine andere Abhängigkeit von der Temperatur hat als die Istfrequenz der ersten Resonanzschwingung, so daß man aus beiden Frequenzen eindeutige Temperatur-Korrekturwerte ermitteln kann.
Zweckmäßigerweise ist die eine der beiden Frequenzen die Grundfrequenz. Dies ergibt die größte Amplitude, so daß sich ein ausgeprägtes Meßsignal für den Istwert der Resonanzschwingung ergibt.
Die andere der beiden Frequenzen sollte vorzugsweise der dritten Oberwelle entsprechen. Weil es sich um eine ungradzahlige Oberwelle handelt, kommt man mit einem gemeinsamen Schwingungserreger für die Grundfrequenz |and die Oberwelle aus. Hierbei hat die dritte Oberwelle die größte Amplitude von allen diesen Oberwellen.
Mit besonderem Vorteil wird über zwei parallele Balken je die Hälfte der Kraft geleitet und beide Balken werden gegensinnig in Schwingung versetzt. Dies bewirkt, daß praktisch keine Geräusche an die Umgebung abgegeben werden.
Zweckmäßigerweise wird die Kraft als Zugkraft auf den Balken aufgebracht. In diesem Fall ist der Meßbereich nicht - wie bei einer Druckkraft, die auch gemessen werden kann, - durch die Knickkraft nach oben begrenzt.
Eine Vorrichtung zum Messen einer Kraft zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein in Axialrichtung mit der zu messenden Kraft belastbarer Balken an zwei axial versetzten Stellen zur Bildung je eines Knotenpunktes gegen seitliche Auslenkung gesichert ist, daß ein Schwingungserreger zwischen den Knotenpunkten am Balken angreift, daß dem Balken ein Sensor zugeordnet ist, der ein Meßsignal zur Feststellung der Istfrequenz abgibt, und daß eine Erregerschaltung vorgesehen ist, welche die Erregungsfrequenz mit Hilfe der Istfrequenz der Resonanzfrequenz nachführt. Der Balken bildet zusammen mit der Erregerschaltung eine Oszillatoreinrichtung. Der Balken stellt den Resonanzkreis dar und die Erregerschaltung ergibt die erforderliche Schleifenverstärkung und Rückkopplung. Demzufolge wird mit der geringstmöglichen Erregerleistung eine ausgeprägte Resonanzschwingung erzielt.
Besonders günstig ist es, wenn zwei Balken an ihren Enden über gemeinsame Kraftangriffselemente miteinander verbunden und an ihren Knotenpunkten gegeneinander festgelegt sind, daß der Schwingungserreger zwei 'zusainmenwirkende Teile aufweist, die je an einem Balken angebracht sind, und daß der Sensor ebenfalls zwei zusammenwirkende Teile aufweist, die je an einem Balken angebracht sind. Auf diese Weise wird eine Abstrahlung
BAD ORIGINAL
der Schwingungsenergie an die Umgebung und damit eine lästige Geräuscherzeugung vermieden.
Bei einer bevorzugten AusfUhrungsform ist dafür gesorgt, daß der Schwingungserreger eine Grundschwingung des Balkens und eine der Grundschwingung überlagerte Oberschwingung erzeugt und daß eine Frequenzermittlungsschaltung vorgesehen ist, die aus dem Meßsignal die Werte der Resonanzfrequenzen der Grundschwingung und der Oberschwingung ermittelt. Mit Hilfe der Resonanzfrequenzen beider Schwingungen kann dann eine temperaturabhängige Korrektur vorgenommen werden.
Hierbei empfiehlt es sich, daß der Schwingungserreger etwa in der Mitte zwischen den Knotenpunkten und der Sensor zwischen dem Schwingungserreger und dem Knotenpunkt angeordnet ist. Mit dem mittig angeordneten Schwingungserreger kann gleichzeitig die Schwingungsenergie für die Grundschwingung und für eine ungradzahlige Oberschwingung zugeführt werden. Der demgegenüber versetzte Sensor vermag eine ausgeprägte Komponente beider Schwingungen aufzunehmen.
Bei Verwendung der dritten Oberwelle als Oberschwingung hat der Sensor vorzugsweise einen Abstand von 15 bis
25 %, vorzugsweise etwa 20 % vom Knotenpunkt. Hierdurch wird einerseits die dritte Oberschwingung nahe ihrer Größtamplitude und die Grundschwingung ebenfalls mit einer ausreichenden Amplitude erfaßt. 30
Mit besonderem Vorteil weist die Erregerschaltung einen mit dem Sensor verbundenen Eingang, einen mit einem Verstärker versehenen Grundschwingungszweig, einen mit einer Selektionsfilteranordnung und einem Verstärker versehenen Schwingungsoberzweig und ein dem Ausgang vorgeschaltetes, die verstärkten Signale beider Zweige
aufnehmendes Summationsglied. Mit Hilfe des Oberschwingungszweiges kann man die Oberschwingung gesondert behandeln und verstärken, so daß sie dem verstärkten Signal des Grundschwingungszweiges in einem vorbestimmten, vorzugsweise einstellbaren Verhältnis beigemischt werden kann. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß für die Oberschwingung eine ausreichende Anregungsenergie zur Verfugung steht.
Günstig ist es, wenn das Summationsglied ein Summationsverstärker mit einer AGC (automatic gain control)-Regelung ist. Die Erregerleistung wird daher so geregelt, daß die Meßsignale eine bestimmte, ihre Auswertung ermöglichende Größe haben.
Außerdem sollten beide Zweige je ein Phasenkorrekturglied aufweisen. Für die Grundschwingung genügen kleine Korrekturwerte. Für die Oberschwingungen können erhebliche Phasendrehungen erforderlich sein, für die dritte Oberwelle beispielsweise eine Phasenumkehr.
Weiterhin empfiehlt es sich, daß zwischen Summationsglied und Schwingungserreger ein Spannungs-Strom-Wandler geschaltet ist. Auf diese Weise entfallen Phasenverschiebungen aufgrund der Induktivität der Spulen der Schwingungserreger und damit verbundene Meßfehler.
Mit besonderem Vorteil weist die Selektionsfilteranordnung ein Bandfilter mit durch Taktimpulse vorgebbarer Selektionsfrequenz auf und es ist ein Taktgeber vorgesehen, dessen Frequenz der Frequenz der Oberschwingung im Oberschwingungszweig nachgeführt wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß trotz der Änderungen der Oberschwingung, die bei einer Kraftänderung auftritt, die Selektionsfilteranordnung ihre Mittelfrequenz immer genau auf die vorhandene Oberschwingungsfrequenz
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abstimmt. Damit werden die bei einem festen Filter bei einer Frequenzänderung auftretenden Phasendrehungen vermieden.
Insbesondere kann der Taktgeber eine Phasenverriegelungsschaltung aufweisen, deren erster Eingang über einen Kompensator mit einem dem Verstärker nachgeschalteten Abschnitt des Oberschwingungszweiges und deren zweiter Eingang über einen 1:N-Teiler mit deren Ausgang verbunden ist. Dies ergibt einen besonders einfachen Aufbau des von der Oberschwingungsfrequenz abhängigen Taktgebers.
Des weiteren empfiehlt sich eine AnIaufschaltung, bei der das Summationsglied einen weiteren Eingang hat, der über eine logische Schaltung ein Rechtecksignal zugeführt erhält, wenn der erste Eingang der Phasenverriegelungsschaltung Spannung führt und diese Schaltung noch nicht verriegelt ist. Hiermit kann eine Erregung auch der Oberschwingung eingeleitet werden, so daß nach kurzer Zeit die Phasenverriegelung erfolgt und das Selektionsfilter normal arbeiten kann.
Vorteilhaft ist es ferner, daß eine Frequenzermittlungsschaltung unter Ausnutzung der Erregerschaltung gebildet ist und zwei Frequenzsignalausgänge aufweist, die je über einen Komparator mit einem dem Verstärker nachgeschalteten Abschnitt des Grundschwingungszweiges bzw. des Oberschwingungszweiges verbunden sind. An den Frequenzsignalausgängen erhält man auf einfache Weise Signale mit den zu ermittelnden Frequenzen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftmeßvorrichtung mit zugehöriger Schaltung,
Fig. 2 eine Ausführungsform eines Sensors,
Fig. 3 eine Ausführungsform eines Schwingungserregers, Fig. 4 das Schwingungsverhalten eines Balkens und Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Erregerschaltung.
Die in Fig. 1 veranschaulichte Vorrichtung 1 zum Messen der Zugkraft S weist zwei Balken 2 und 3 auf, die gerade sind und parallel zueinander verlaufen. Sie sind über Gelenke mit zwei Querverbindern 4 und 5 verbunden, von denen der eine über einen Träger 6 ortsfest gehalten und der andere durch die Zugkraft S belastet ist. Die veranschaulichten Gelenke bilden daher je zwei Knotenpunkte 7 und 8 sowie 9 und 10 für die beiden Balken 2 und 3. Jeder Balken kann zwischen diesen Knotenpunkten mit seiner Grundschwingung oder einer Oberschwingung schwingen.
Etwa in der Mitte der Balken 2 und 3 ist ein Schwingungserreger 11 vorgesehen, der einen mit dem Balken 2 verbundenen permanenten Magneten 12 und eine mit dem Balken 3 verbundene Antriebsspule 13 aufweist. In einem Abstand von etwa 20 % der Balkenlänge von den Knotenpunkten 8 und 10 ist ein Sensor 14 vorgesehen, der einen mit dem Balken 2 verbundenen Permanentmagneten 15 und eine mit dem anderen Balken 3 verbundene Induktionsspule 16 aufweist. Wird dem Schwingungserreger 11 ein periodischer Erregerstrom I zugeführt, schwingen die beiden Balken 2 und 3 gegensinnig zueinander. Durch die Schwingungsbewegung wird in der Induk-
tionsspule 16 des Sensors 14 ein Meßsignal U1 in der Form einer Spannung induziert, die proportional der Geschwindigkeit der Balkenbewegungen relativ zu einander ist.
5
Ein besonders wirksames Ausführungsbeispiel eines Sensors 114 ist in Fig. 2 veranschaulicht. Es werden um 100 gegenüber Fig. 1 erhöhte Bezugszeichen verwendet. Ein Permanentmagnet 115, der in Querrichtung nebeneinander als Südpol S und als Nordpol K magnetisiert ist, steht einer Induktionsspule 118 gegenüber, deren Achse parallel zu den Balken verläuft.
Ein besonders wirksames Ausfuhrungsbeispiel eines Schwingungserregers 111 ist in Fig. 3 veranschaulicht. Ein Permanentmagnet 112, der ebenalls in Querrichtung nebeneinander als Südpol S und Nordpol N magnetisiert ist, befindet sich im Inneren einer Antriebsspule 113, die aus einem Träger 117 aus nicht magnetisierbarem PO Material besteht.
Eine Erregerschaltung 18, die in Verbindung mit Fig. 5 noch näher erläutert wird, empfängt an ihrem Eingang 19 das Meßsignal IL und gibt über ihren Ausgang 20 den Erregerstrom I an den Schwingungserreger 11 ab. Die Erregerschaltung 18 ist so beschaffen, daß der Erregerstrom die Balken in ihren Resonanzzustand bezüglich ihrer Grundschwingung F. und ihrer dritten Oberschwingung F» bringt, wie es schematisch in Fig. 4 veranschaulicht ist. Die Grundschwingung F1 jedes Balkens erfolgt zwischen der voll ausgezogenen Linie F und der gestrichelten Linie. Die Amplitude der dritten Oberschwingung F,, ist erheblich kleiner als veranschaulicht und der Grundschwingung überlagert.
3A0
Ein Teil der Erregerschaltung 18 wird als Frequenzerrnittlungsschaltung 21 ausgenutzt. An ihren Ausgängen 22 und 23 stehen die ermittelten Resonanzfrequenzen f.. und fQ für die Grundschwingung und für die dritte Oberschwingung zur Verfugung. Die beiden Frequenzen werden einer Auswerteschaltung 24 zugeführt, v/elche einen Rechner und einen Datenspeicher mit einem Eingang 25 aufweist. Aus den eingegebenen Daten und den Frequenzen f. und f„ kann ein Signal für die Größe der Kraft S errechnet und am Ausgang 26 abgegeben werden, beispielsweise an eine Anzeigeeinrichtung 27.
Die Oberschwingungen sind hier mit einer Ordnungszahl bezeichnet, die sich auf eine Grundschwingung mit aev Ordnungszahl 1 bezieht. Aufgrund der Temperatur und des Querschnitts der Balken stehen die Resonanzfrequenzen dieser Schwingungen nicht notwendigerweise in einem genau geradzahligen Verhältnis zueinander.
Der Aufbau der Erregerschaltung ergibt sich aus Fig. 5. Sie bildet zusammen mit der Balkenanordnung eine Oszillator-Einrichtung, von der die Balken den Resonanzkreis darstellen und die Erregerschaltung die erforderliche Schleifenverstärkung und Rückkopplung ergibt, Dies hat zur Folge, daß sich das System automatisch auf die Resonanzfrequenzen der Balken einstellt. Es ist daher möglich, die Balken gleichzeitig mit den Resonanzfrequenzen f. und f„ der Grund- und der Oberschwingung zum Schwingen zu bringen. Das Meßsignal
U. wird über einen Vorverstärker Al einem Grundschwingungszweig 28 und einem Oberschwingungszweig 29 zugeführt. Der Grundschwingungszweig 28 weist eine Phasenkorrekturschaltung PCI und eine Verstärker A2 auf. Da im Meßsignal U. die Grundschwingung annähernd mit der Grundschwingung im Erregerstrom T in Phase ist, braucht in der Phasenkorrekturschaltung PCI nur eine geringfügige Korrektur vorgenommen zu werden. Der Ober-
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- 15 -
schwingungszweig 29 weist einen Hochpassfilter HPF, eine Phasenkorrekturschaltung PC2, einen Selektionsfilter SF und eine Verstärker A3 auf. Im Meßsignal U. ist die dritte Oberschwingung phasenverkehrt mit Bezug auf die dritte Oberschwingung im Erregerstrom I enthalten. Deshalb besorgt die Phasenkorrekturschaltung PC2 eine Phasenumkehr. Das Ausgangssignal des Zweiges 28 wird über einen Summationswiderstand Rl einem Sumrnationsverstärker A4 zugeführt, dem über einen Summationswiderstand R2 auch das Ausgangssignal des Zweiges 29 zugeführt wird, das an einem Potentiometer Pl abgegriffen wird, um das Verhältnis der Grundschwingung und der Oberschwingung im Ausgangssignal so zu wählen, daß eine ausgeprägte dritte Oberschwingung im Balken vorhanden ist. Das im Vorverstärker Al ververstärkte Meßsignal U1 wird auch einer automatischen Verstärkerregelung AGC zugeführt, welche die Amplitude des verstärkten Meßsignals mit einem an einem Potentiometer P2 einstellbaren Sollwert vergleicht und in Abhängigkeit davon die Verstärkung des Summationsverstarkers A4 so einregelt, wie es schematisch durch ein Potentiometer P3 im Rückführungskreis veranschaulicht ist, daß die Meßsignalamplitude dem Sollwert entspricht. Der Ausgangswert des Summationsverstarkers A4 wird über einen Spannungs-Strom-Wandler U/I und eine Endstufe E dem Schwingungserreger 11 als Strom I zugeführt.
Damit die Oberschwingung, hier also die dritte Oberwelie, sauber herausgefiltert werden kann, ist außer dem Hochpassfilter HPF, das für tiefere Frequenzen sperrt, das Selektionsfilter SF verwendet, dessen die Filterfunktion bestimmende Mittelfrequenz durch von einem Taktgeber 30 erzeugte Taktimpulse i. bestimmt ist, die über eine Leitung 31 mit einer Taktfrequenz f mit dem N-fachen der OberSchwingungsfrequenz fo züge-
BAD
führt werden. Zu diesem Zweck ist der eine Eingang 31 einer Phasenverriegelungsschaltung PLL über einen Komparator Kl mit dem Ausgang des Verstärkers A3 des Oberschwingungszweiges 29 und der zweite Eingang 32 über einen Teiler T mit dem Ausgang 33 der Phasenverriegelungsschaltung verbunden. Letztere besteht in üblicher Weise aus der Reihenschaltung eines Phasenkomparators, eines Tiefpassfilters und eines spannungsgesteuerten Oszillators. Die Taktfrequenz f. ist ein ganzzahliges Vielfaches der Oberschwingungsfrequenz f„. N hat beispielsweise den Wert 64. Mit Hilfe der Potentiometer P4 und P5 kann das Selektionsfilter SF zusätzlich eingestellt werden. Es handelt sich um ein sogenanntes "tracking filter", beispielsweise vom Typ MF 10 der Firma National. Weil die Mittelfrequenz des Selektionsfilters SF der Resonanzfrequenz f„ der Oberschwingung nachgeführt wird, ist gewährleistet, daß das Filter sehr genau auf diese Frequenz f« abgestimmt ist, die dritte Oberschwingung also verstärkt wird, während alle anderen Frequenzen kräftig gedämpft werden.
Eine Anlaufschaltung 34 weist eine logische Schaltung mit zwei Nand-Glieder Nl und N2 auf. Das Nand-Glied N2 speist den Summationsverstärker A4 über einen dritten Summationswiderstand R3 mit wahllos auftretenden Rechteckimpulsen immer dann, wenn am Ausgang 35 des Komparators Kl Rechteckimpulse vorhanden sind und gleichzeitig durch das Auftreten eines Signals 0 an einem weiteren Ausgang 36 der Phasenverriegelungsschaltung PLL angezeigt wird, daß noch keine Phasenverriegelung erfolgt ist. Tritt am Ausgang 36 dagegen bei Verriegelung das Signal 1 auf, also im Normalbetrieb, bleibt das Nand-Glied N2 gesperrt. Die unregelmäßig auftretenden Rechteckimpulse erzeugen eine Schwingung mit unterschiedlichen Frequenzen. Aufgrund des Aufbaus der Erreger-schal tung 18 dominieren in Kürze die Grund-
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schwingung und die dritte Oberschwingung, so daß der Normalbetriebszustand rasch erreicht wird.
Bei einer solchen Erregerschaltung 18 kann die Frequenzermittlungsschaltung 21 einen sehr einfachen Aufbau haben. Es braucht lediglich der Ausgang 22 über einen Komparator K2 mit dem Ausgang des Verstärkers A2 im Grundschwingungszweig 28 und der Ausgang 23 mit dem Ausgang 35 des Komparators Kl des Oberschwingungszweiges 29 verbunden zu werden. Am Ausgang 22 treten dann Rechteckimpulse mit der Resonanzfrequenz f1 der Grundschwingung, dem Ausgang 23 Rechteckimpulse mit der Resonanzfrequenz f~ der dritten Oberschwingung auf.
Die Frequenz des Balkens läßt sich wie folgt beschreiben:
f=ίL·^1-^1L·^-^ ill+ —-± --S (1)
n 2 -la If-A \ n2· E-I-TT
wobei f = n-te Resonanzfrequenz
ή = Ordnungszahl für Schwingung
1 s= Länge des Balkens
E = Elastizitätsmodul
I - Trägheitsmoment
f = Dichte des Balkens
A s= Querschnittsfläche des Balkens
S = Axialkraft
Hieraus ergeben sich die Frequenzen der Grundschwingung und der dritten Oberschwingung nach Quadrierung
f* = Co + C1 · S
f* = 81· C + - C · S
3 ο q 1
y
mit den zusammenfassenden Ausdrücken
.. . — BAD
c = „ E-I = Il E.I (4)
ο 4 * 4 e_ Λ , ,a
1 · ?·Α 4 I1
C1 1 1 1 (5)
4·12· f'A 4 1·Μ
wobei M = Masse des Balkens.
Bereits aus Gleichung (2) läßt sich die Axialkraft wie folgt berechnen
(6)
Da C und C1 unter Normalbedingungen bekannt sind, ergibt sich unmittelbar aus der Resonanzfrequenz f, der Grundschwingung die zu ermittelnde Kraft S.
Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit sollte allerdings noch die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden, Denn die Werte C und C- enthalten Grüßen, welche tempe raturabhängig sind, nämlich 1, I, f , A und E. Diese Temperaturabhängigkeit läßt sich berücksichtigen, wenn die Werte C und C1 aus beiden Gleichungen (2) und (3) mit Hilfe der Frequenzen f.. und fo ermittelt werden. So ergibt sich bei Eliminierung von C1
C = —i—(f! -9 ^) (7)
ο 728 1 3
Der Wert C^ ist ebenfalls temperaturabhängig, da die
Balkenlänge L in ihn eingeht. Da diese Länge bei Normaltemperatur sowie der Ausdehnungskoeffizient aber bekannt sind, kann man bei Kenntnis der Umgebungstemperarj5 tür den Wert C1 berechnen. Die Umgebungstemperatur kann entweder gemessen oder aus C ermittelt werden,
BAD ORIGINAL
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da sich C nur in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Man kann aber auch die Umgebungstemperatur anhand der Frequenzen f^ und fo ermitteln, da sich diese Frequenzen in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedlieh ändern. Die Grundschwingungs-Resonanzfrequenz T1 ändert sich mit steigender Temperatur sehr viel stärker als die Oberschwingungs-Resonanzfrequenz fQ. Wenn man daher die beiden Frequenzen in irgendeiner Rechenvorschrift miteinander verknüpft, sei es im Wert; C , sei es in einem Quotienten, ergibt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen diesem Verknüpfungswert und der Temperatur. Man kann daher C1 bei Kenntnis von f- und f„ mit dem Rechner der Auswerteschaltung 24 berechnen lassen.
Die Knotenpunkte können auch an anderer Stelle dadurch gebildet werden, daß die Balken 2 und 3 durch je eine Lasche nahe ihren Enden miteinander verbunden werden. Zur Ermittlung der Axialkraft kann man auch die Resonanzfrequenzen anderer Schwingungen als der Grundschwingung bzw. der dritten Oberschwingung verwenden. Insbesondere kann die zweite Oberwelle hierzu verwendet werden, was aber eine Erregung an einer anderen Stelle als an der Mitte und damit eine höhere Erregerenergie erfordert. Bei höheren Oberschwingungen muß man mit einer kleineren Schwingungsamplitude vorliebnehmen.
BAD

Claims (20)

10
Patentansprüche
Verfahren zum Messen einer Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft (S) einen Balken in Axialrichtung belastet, daß der Balken in Resonanzschwingungen versetzt wird, daß die Istfrequenz (f) der Resonanzschwingungen festgestellt wird und daß hieraus die Kraft nach der Beziehung
f2 - C
S =
ermittelt wird, wobei C und C1 Größen sind, die von den Eigenschaften des Balkens abhängen.
15
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsfrequenz, mit der der Balken in Schwingungen versetzt wird, mit Hilfe der Istfrequenz (f) der Resonanzschwingungen nachgeführt wird.
20
25
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Balken gleichzeitig durch zwei Frequenzen, die etwa in dem Verhältnis zweier ganzer Zahlen zueinander stehen, in den Resonanzzustand erregt wird, und daß aus den beiden sich ergebenden
Istfrequenzen (f.
Werte zur temperaturabhängigen
Korrektur von C und C1 ermittelt werden, ο 1
BAD
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Frequenzen (f. ) die Grundfrequenz ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die andere der be
Oberwelle entspricht.
daß die andere der beiden Frequenzen (f„) der 3.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß über zwei parallele Balken je die Hälfte der Kraft (S) geleitet wird und beide Balken gegensinnig in Schwingung versetzt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft (S) als Zugkraft auf den Balken aufgebracht wird.
8. Vorrichtung zum Messen einer Kraft zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Axialrichtung mit der zu messenden Kraft (S) belastbarer Balken (2, 3) an zwei axial versetzten Stellen zur Bildung je eines Knotenpunktes (7 bis 10) gegen seitliche Auslenkung gesichert ist, daß ein Schwingungserreger
(11) zwischen den Knotenpunkten am Balken angreift, daß dem Balken ein Sensor (19) zugeordnet ist, der ein Meßsignal (IL ) zur Feststellung der Istfrequenz abgibt, und daß eine Erregerschaltung vorgesehen ist, welche die Erregungsfrequenz mit Hilfe der Istfrequenz (f^; f„) der Resonanzfrequenz nachfuhrt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Balken (2, 3) an ihren Enden über gemeinsame Kraftangriffselemente (4, 5) miteinander verbunden und an ihren Knotenpunkten (7 bis 10) gegeneinander festgelegt sind, daß der Schwingungs-
BAD ORIGINAL
erreger zwei zusammenwirkende Teile (12, 13) aufweist, die je an einem Balken angebracht sind, und daß der Sensor (14) ebenfalls zwei zusammenwirkende Teile (15, 16) aufweist, die je an einem , Balken angebracht sind. i
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (11) eine Grundschwingung des Balkens (2, 3) und eine der Grundschwingung überlagerte Oberschwingung erzeugt und daß eine Frequenzermittlungsschaltung (21) vorgesehen ist, die aus dem Meßsignal (U1) die Werte der Resonanzfrequenzen (f1, fo) der Grund-
J. O
schwingung und der Oberschwingung ermittelt. 15
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich- |λ net, daß der Schwingungserreger (11) etwa in der %. Mitte zwischen den Knotenpunkten (7 bis 10) und ** der Sensor (14) zwischen dem Schwingungserreger und dem Knotenpunkt angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (14) einen Abstand von 15 bis 25%, vorzugsweise etwa 20%, vom Knotenpunkt (8,
10) hat.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerschaltung einen mit dem Sensor (14) verbundenen Eingang (19), einen mit einem Verstärker (A2) versehenen Grundschwingungszweig (28), einen mit einer Selektionsfilteranordung (SF) und einem Verstärker (A3) versehenen Oberschwingungszweig (29) und ein dem Ausgang vorgeschaltetes, die verstärkten Signale beider Zweige aufnehmendes Summationsglied (A4) aufweist. <
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Summationsglied (A4) ein Summationsverstärker mit einer AGC-Regelung ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zweige je ein Phasenkorrekturglied (PCI, PC2) aufweisen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Summationsglied (A4) und Schwingungserreger (11) ein Spannungs-Strom-Wandler (U/I ) geschaltet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die Selektionsfilteranordnung (SF) ein Bandfilter mit durch Taktimpulse (i.) vorgebbarer Selektionsfrequenz aufweist und daß ein Taktgeber (30) vorgesehen ist, dessen Frequenz (ft) der Frequenz (fq) der Oberschwingung
im Oberschwingungszweig (29) nachgeführt wird.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber (30) eine Phasenverriegelungsschaltung (PLL) aufweist, deren erster Eingang
(31) über einen Komparator (Kl) mit einem dem Verstärker (A3) nachgeschalteten Abschnitt des Oberschwingungszweiges (29) und deren zweiter Eingang
(32) über einen 1:N-Teiler (T) mit deren Ausgang
(33) verbunden ist.
30
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Anlaufschaltung (34), bei der das Summationsglied (A4) einen weiteren Eingang hat, der über eine logische Schaltung (Nl, N2) ein Rechtecksignal
3$ zugeführt erhält, wenn der erste Eingang (31) der
_ 5 —
Phasenverriegelungsschaltung Spannung führt und diese Schaltung noch nicht verriegelt ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzermittlungsschaltung (21) unter Ausnutzung der Erregerschaltung (18) gebildet ist und zwei Frequenzsignalausgänge (22, 23) aufweist, die je über einen Komparator (Kl; K2) mit einem dem Verstärker (A2; A3) nachgeschalteten Abschnitt des Grundschwingungszweiges (28) bzw. des Oberschwingungszweiges (29) verbunden sind.
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