DE3909274C2

DE3909274C2 -

Info

Publication number: DE3909274C2
Application number: DE19893909274
Authority: DE
Inventors: Karl 8068 Pfaffenhofen De Furtmayer
Original assignee: ZACH JOHANN 8068 PFAFFENHOFEN DE
Current assignee: ZACH JOHANN 8068 PFAFFENHOFEN DE
Priority date: 1988-03-24
Filing date: 1989-03-21
Publication date: 1992-02-27
Also published as: DE3909274A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Druck- oder Kraftmeß vorrichtung von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Beim Messen von zeitlich veränderlichen Drücken treten aufgrund von Massenbeschleunigungen im mechanischen Teil derartiger Drucksensoren Meßfehler auf. Druckstöße, stochastische Druckverläufe sowie äußere Störungen, z.B. auf das Gehäuse wirkende Schwingungen, führen zu immer neuen Einschwingvorgängen. Während dieser Ein schwingvorgänge sind die angezeigten Meßwerte mit dynamischen Fehlern behaftet. Grundsätzlich reagiert der Drucksensor aufgrund seiner Konstruktion, be stehend aus der Masse des druckbeaufschlagten Teils und der Rückstellkraft des als Feder wirkenden Kraft meßelements, mit einem dynamischen Verhalten, welches einem gedämpften Feder-Masse-System entspricht.

Aus der DE-PS 6 94 803 ist ein Drucksensor der eingangs genannten Art bekannt, bei dem der vom Meßdruck beauf schlagte Meßkörper und ein Referenzkörper jeweils über piezoelektrische Meßelemente am Gehäuse abgestützt sind, wobei die Meßsignale der beiden Kraftmesser einander sub traktiv überlagert werden. Wenn während einer Druck messung Erschütterungskräfte auf das Gehäuse einwirken, werden diese über die beiden Kraftmeßelemente auf Meß körper und Referenzkörper übertragen und erzeugen in den Kraftmeßelementen gleichgroße und gleichgerichtete Signale, die sich gegenseitig aufheben, so daß nur die vom Meßdruck auf den Meßkörper ausgeübte Druckkraft gemessen wird. Mit dieser Anordnung können aber prinzipiell nur die auf das Gehäuse wirkenden Beschleunigungskräfte aus der Messung ausgeschlossen werden. Dynamische Meßfehler, die auf plötzlichen Änderungen des zu messenden Druckes beruhen, werden nicht erfaßt. Aber auch die dynamischen Anteile der auf das Gehäuse wirkenden Kräfte werden nur dann vollständig ausgeglichen, wenn man im Idealfalle eine exakt synchrone Bewegung von Meßkörper und Referenz körper bei Gehäuseerschütterungen voraussetzt. Im realen Fall werden wegen ungleicher Massen, Materialdämpfung usw. notwendigerweise Phasenverschiebungen von Meß- und Re ferenzkörper auftreten, die das Meßergebnis verfälschen.

In ähnlicher Weise arbeitet ein aus DE-PS 34 23 711 bekannter Meßwertaufnehmer, bei dem ein dem Meßdruck ausgesetzter Meßkörper über piezoelektrische Scheiben gegen eine Elektroden scheibe und diese wiederum über eine piezoelektrische Beschleunigungs-Kompensationsscheibe gegen das Gehäuse abgestützt ist. Wenn auf das Gehäuse Beschleunigungen einwirken, so werden durch die an der Elektrodenscheibe wirkende Trägheitskraft die piezoelektrischen Meß- und Kompensationsscheiben gegensinnig zueinander beaufschlagt, so daß die von ihnen erzeugten Spannungen sich annähernd kompensieren. Auch mit dieser Anordnung können aber die dynamischen Anteile der Beschleunigungskräfte nur näherungsweise und die dynamischen Anteile von plötzlichen Änderungen des Meßdrucks überhaupt nicht ausgeglichen werden.

Aus der Zeitschrift "Technisches Messen", S. 211-218, ist es bekannt, zur Feinauflösung von Spektren und anderen elektrischen Signalen eine Differentiation höherer Ordnung dieser Signale vorzunehmen. Dies dient aber nicht zur Beseitigung des Störeinflusses von Beschleunigungen oder anderen dynamischen Kräften, und die durch die Diffentiation gewonnenen Signale werden getrennt voneinander verwertet und nicht miteinander kombiniert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druck- oder Kraftmeßvorrichtung der angegebenen Art von möglichst ein fachem und kostengünstigem Aufbau so auszubilden, daß ein vom dynamischen Eigenverhalten der Meßvorrichtung möglichst unverfälschtes Meßergebnis, insbesondere bei rasch wechselnden Meßdrücken oder -kräften erzielt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung.

Durch die Erfindung werden die vom dynamischen Feder- Masse-Verhalten des Sensors erzeugten Kraftanteile er faßt und in der Auswerteschaltung kompensiert, so daß das erhaltene Meßsignal im wesentlichen exakt den zeit lichen Verlauf der zu messenden Kraft wiedergibt. Dies geschieht dadurch, daß mittels der Auswertungseinrich tung in jedem Zeitpunkt das dynamische Kräftegleichge wicht für beide Massen mindestens in vereinfachter Näherung, gemäß der weiteren Ausgestaltung sogar exakt, berechnet wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Druck- oder Kraftsensor im wesentlichen ohne Dämpfung ausgeführt werden kann. Bisher übliche Druck- oder Kraft sensoren bedürfen aufgrund ihres dynamischen Verhaltens einer Dämpfung, um den Einfluß der Einschwingvorgänge auf das Meßergebnis möglichst gering zu halten. Eine solche Dämpfung im Sensorsystem unterdrückt aber auch die Kraftspitzen des zu messenden Kraftverlaufs und führen insbesondere bei hochfrequenten Druck- oder Kraftverläufen zu fehlerhafter Messung. Die Erfindung erlaubt eine praktisch dämpfungsfreie Ausführung des Sensors, so daß dieser im wesentlichen verzögerungs frei auf Kraft- oder Druckänderungen ansprechen kann.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druck- oder Kraftsensors;

Fig. 2 eine vereinfachte Prinzipskizze des Sensors nach Fig. 1 zur Veranschaulichung der auf tretenden Kräfte aus Auslenkungen;

Fig. 3 das Prinzipschema einer Auswertung für den Sensor nach Fig. 1;

Fig. 4 ein Detail einer abgeänderten Ausführungsform des Sensors nach Fig. 1;

Fig. 5 das Schema einer Auswerteschaltung für die Ausführungsform nach Fig. 4;

Fig. 6 in ähnlicher Darstellung wie Fig. 1 einen Schnitt durch eine geänderte Ausführungsform des Druck- oder Kraftsensors.

Fig. 7a eine getrennte Darstellung der Bestandteile des Sensors nach Fig. 6 und

Fig. 7b die zugehörige Prinzipskizze zur Herleitung der Kräftegleichungen;

Fig. 8 eine Skizze zur Berücksichtigung der Dämpfungs kräfte;

Fig. 9 das Schema einer Auswerteschaltung für die Aus führungsform nach Fig. 6;

Fig. 10 und 11 zwei abgewandelte Ausführungsformen des Druck sensors nach Fig. 6.

Gemäß Fig. 1 ist in einem z.B. zylindrischen Gehäuse 1 ein Meßkörper 3 mittels eines z.B. rohrförmigen, ersten federelastischen Kraftelementes 5 abgestützt. Auf die Stirnfläche des Meßkörpers 3, die gegen das Gehäuse 1 mittels einer Membrane 7 abgedichtet ist, wirkt der zu messende Druck und übt eine Druckkraft F_m aus. Falls der Sensor als Kraftsensor benutzt werden soll, kann die zu messende Kraft F_m mittels geeigneter Elemente auf den Meßkörper 3 übertragen werden. Die durch die Kraft F_m verursachte Längenänderung des Kraftmeßelementes 5 kann mittels Dehnungsmeßstreifen 9 erfaßt werden.

Im Inneren des Gehäuses 1 ist ein der zu messenden Kraft F_m nicht ausgesetzter Referenzkörper 11 ange ordnet. Er ist bei der gezeigten Ausführungsform durch ein zweites elastisches, verformbares Kraftmeßelement 13 gegen den Meßkörper 3 abgestützt, und ein der Längen änderung des Kraftmeßelementes 13 proportionales Signal kann mittels Dehnungsmeßstreifen 15 abgegriffen werden. Elektrische Anschlüsse von den Dehnungsmeßstreifen 9, 15 (nicht dargestellt) können durch eine Bohrung 17 im Gehäuse 1 herausgeführt werden.

Anstatt die Kraftelemente 5, 13 als Federelemente mit Dehnungsstreifen auszubilden, wie dargestellt, können sie in an sich bekannter Weise auch in Form von z. B. piezoelektrischen Elementen, induktiven Kraftgebern und dgl. ausgebildet werden.

In Fig. 2 sind schematisch die auf Gehäuse 1, Meßkörper 3 und Referenzkörper 11 wirkenden Kräfte dargestellt. Wenn die in den Kraftmeßelementen 5 und 13 gemessenen Kräfte mit F₁ bzw. F₂, die Massen von Meßkörper 3 und Referenzkörper 11 mit m bzw. m_r und die Auslenkungen des Gehäuses 1, des Meßkörpers 3 und des Referenzkörpers 11 mit x₀, x₁ bzw. x₂ bezeichnet werden, wie in Fig. 1 dargestellt, dann ergeben sich die folgenden Beziehungen:

Dynamisches Gleichgewicht am Meßkörper 3:

F_m-F₁-F₂ = m ₁ (1)

Dynamisches Gleichgewicht am Referenzkörper 11:

F₂ = m_R ₂ (2)

Längenänderung des Kraftmeßelementes 13 zwischen Meß- und Referenzkörper:

F₂ = c₂ (x₁-x₂) (3)

wobei c₂ die Federkonstante des Kraftmeßelementes 13 ist.

Durch zweimaliges Differenzieren der Gleichung (3) und Zusammenfassung mit (1) und (2) erhält man:

deren letztes Glied ein Korrekturglied für alle durch das dynamische Eigenverhalten des Sensors verursachten Meßfehler darstellt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Auswerteschaltung, mit der die am ersten und zweiten Kraftmeßelement 5 bzw. 13 abgegriffenen Signale F₁ und F₂ entsprechend der Formel (4) zu dem der anliegenden Kraft F_m entsprechenden Meßsignal verarbeitet werden können. Einem Summationsglied 17 werden das Signal F₁ und das Signal F₂ direkt zugeführt. Ferner wird das Signal F₂ in einem Multiplizierglied 19 mit dem Quotienten der Massen m und m_R des Meßkörpers und Referenzkörpers multipliziert und dem Summationsglied 17 zugeführt. Schließlich wird das Signal F₂ in zwei Differenziergliedern 21, 23 zweimal differenziert und in einem Multiplikationsglied 25 mit dem Quotienten aus der Masse m des Meßkörpers und der Federkonstanten c₂ des zweiten Kraftmeßelementes 13 multipliziert und schließlich dem Summationsglied 17 zugeführt. Durch Summierung der Eingangswerte bildet das Summationsglied 17 ein der Meßkraft F_M proportionales Ausgangssignal, welches in einem Anzeigeglied 29 zur Anzeige gebracht und/oder registriert werden kann.

Die verschiedenen Rechenglieder der Auswerteschaltung brauchen nicht, wie dargestellt, als getrennte analoge Schaltungselemente ausgebildet sein, sondern es ist selbstverständlich auch eine entsprechende digitale Signalverarbeitung der Signale F₁ und F₂ entsprechend der Formel (4) in einem Mikroprozessor oder dgl. Rechner, unter vorheriger Analog-Digital-Umwandlung der Signale, möglich.

Bei der anhand Fig. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsform werden die Einflüsse der Massen m und m_R von Meßkörper und Referenzkörper berücksichtigt. Je nach der Konstruktion des Sensors und dem zu erfassenden Frequenzbereich können aber auch die Eigenmassen der Kraftmeßelemente 9, 13 das dynamische Verhalten mit beeinflussen. In diesem Fall müssen in der Kräftebilanz auch die von den Beschleunigungen der Kraftmeßelemente 9, 13 herrührenden Kräfte mit berücksichtigt werden. Das gilt insbesondere für das die Kräfte zwischen Meßkörper 3 und Referenzkörper 11 übertragende Kraftmeßelement 13. In Fig. 4 ist das Detail einer geänderten Ausführungsform des Sensors nach Fig. 1 dargestellt, bei der mit zusätzlichen Dehnungsmeßstreifen 14, 16 getrennt die Kräfte F₂ und F₃ gemessen werden können, die vom Kraftmeßelement 13 auf den Meßkörper 3 bzw. auf den Referenzkörper 11 übertragen werden. Der Dehnungsmeßstreifen 15 erstreckt sich über die ganze Federlänge des Kraftmeßelements 13 und erfaßt die der Relativbewegung von Meßkörper 3 und Referenzkörper 11 entsprechende Kraft F₂_M. Die Ungleichheit der Kräfte F₂ und F₃ beruht auf der Massenträgheit des Kraftmeßelements 13 bei Beschleunigung.

Für die Ausführungsform nach Fig. 4 sind die vorgenannten Gleichungen (1) bis (4) wie folgt abzuändern:

F_m-F₁-F₂ = m · ₁ (1′)

F₃ = m_R ₂ (2′)

F₂_M = c₂ (x₁-x₂) (3′)

Fig. 5 zeigt das Schema einer Auswerteschaltung, die die Kraftsignale F₁, F₂, F₃ und F₂_M gemäß der Beziehung (4′) verknüpft und außerdem die in dem System unvermeidliche Materialdämpfung in den Federkörpern berücksichtigt. Hierbei wird davon ausgegangen, daß zu den Kräften F₁, F₂, F₃ jeweils eine entsprechende Dämpfungskraft D₁, D₂, D₃ hinzugefügt werden muß, wobei jede Dämpfungskraft gemäß der Formel

D_i = K_i · _i (5)

von der jeweiligen Materialdämpfungskonstante K_i und von der zeitlichen Ableitung _i der Auslenkung x_i abhängt, wobei letztere wiederum nach der Formel

gleich dem Quotienten aus der Kraft F_i und der Federkonstanten c_i ist. Ist die axiale Länge l_DMS des jeweiligen Dehnungsmeßstreifens kleiner als die Länge l_K des zugehörigen Kraftmeßelements (Federkörpers), dann ist die vom Dehnungsmeßstreifen erfaßte örtliche Auslenkung

und aus (6a) und (5) ergibt sich die örtliche Dämpfungskraft

Wird

gesetzt, so erhält man statt der Formel (4′) die um die Dämpfungskräfte erweitere Formel:

In der Auswerteschaltung nach Fig. 5 werden die Dämpfungskräfte durch zusätzliche Schaltungszweige 30, 31, 32 mit Differenziergliedern 33, 34, 35 und Multipliziergliedern 37, 38, 39 sowie Summiergliedern 41, 42, 43 berücksichtigt.

Falls z. B. bei Verwendung sehr dämpfungsarmer Kraftmeßelemente eine Berücksichtigung der Dämpfungskräfte nicht erforderlich ist, erhält man aus Fig. 5 durch Weglassen der Schaltungszweige 30, 31, 32 eine vereinfachte Auswerteschaltung für die Ausführungsform nach Fig. 4.

Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Druck- oder Kraftmeßvorrichtung. Bei dieser Ausführungsform ist der Meßkörper 65, auf den die Druckkraft F einwirkt, über das Kraftmeßelement 63 gegen den Referenzkörper 66 und dieser wiederum über das zweite Kraftmeßelement 64 gegen das Gehäuse 61 abgestützt. Die Kraftmeßelemente 63, 64 sind hier nicht rohrförmig, sondern aus Vollmaterial hergestellt, können aber zweckmäßigerweise aus einem anderen Material als Meßkörper 65 und Referenzkörper 66 bestehen. Die Verformungen der Kraftmeßelemente 63, 64, die bei Relativbewegungen von Meßkörper 65 und Referenzkörper 66 gegeneinander und gegen das Gehäuse 61 auftreten, und die den dabei auftretenden Kräften proportional sind, können mittels Dehnungsmeßstreifen 67, 68, 69, 70 erfaßt werden. Die von diesen ausgehenden (nicht dargestellten) Signalleitungen können durch eine Bohrung 71 aus dem Gehäuse 61 herausgeführt werden.

In Fig. 7a sind die Bestandteile des Drucksensors nach Fig. 6 getrennt voneinander dargestellt. Die an den Schnitt flächen zwischen den einzelnen Bestandteilen angreifen den Verformungskräfte F 1, F 2, F 3, Dämpfungskräfte D 1, D 2, D 3 und die entsprechenden Auslenkungskoordinaten X 1, X 2 für die Massenschwerpunkte S₁, S₂ sowie X 0 für das Ge häuse sind angegeben. Die Massen des Meßkörpers 65 und Referenzkörpers 66 seien mit M 1 und M 2 bezeichnet. Durch Anwendung des Massenschwerpunktsatzes der Mechanik ergeben sich dann die folgenden Beziehungen:

Dynamisches Gleichgewicht für Masse M 1 und M 2:

F-F 1-D 1 = M 1 · 1 (11)

F 2 + D 2-F 3-D 3 = M 2 · 2 (12)

Kinematische Beziehung zwischen den Massen M 1 und M 2:

X 1 = X 2 + X_rel (13a)

1 = 2 + _rel (13)

Die Beziehung (13) ist allgemein bekannt als "Absolutbe schleunigung = Führungsbeschleunigung + Relativbeschleu nigung", angewandt auf die Bewegung zwischen den Massen M 1 und M 2.

Wird Ausdruck (13) und (12) nach entsprechender Umformung in Ausdruck (11) eingesetzt erhält man:

F = F 1 + D 1 + (M 1/M 2) · (F 2 + D 2-F 3-D 3) + M 1 · _rel (14)

Nach Fig. 7a werden die Kräfte F 1, F 2 und F 3 durch die Dehnmeßstreifen 68, 69 und 70 erfaßt. Hierbei sollten möglichst kurze Meßstreifen eingesetzt werden, damit eine der Ableitung zugrundeliegende exakte Bestimmung der in den Übergangsquerschnitten der Federkörper 63, 64 und der Massen 65, 66 wirkenden Kräfte gewährleistet ist.

Die (inneren) Materialdämpfungskräfte D 1, D 2 und D 3 in den Kraftmeßelementen werden anhand Fig. 8 hergeleitet.

Auf den dargestellten Abschnitt des Kraftmeßelementes 63 von der Länge L, die gleich der Länge des Dehnungsmeß streifens 68 ist, wirkt die Kraft F 1 und erzeugt die Längenänderung

ΔL = F 1/C 1 (15)

wobei C 1 die Federkonstante des Längenabschnitts L ist. Durch die Verformung tritt die Dämpfungskraft D 1 auf, die proportional der Verformungsgeschwindigkeit ist:

wobei K 1 eine Materialdämpfungskonstante ist. Aus (15) und (16) ergibt sich

wobei A 1 = K 1/C 1 eine Konstante ist. Für die Dämpfungskräfte D 2 und D 3 am Ort der Dehnungsmeßstreifen 69 und 70 gilt Gleichung (17) analog.

Das Korrekturglied M₁ · _rel von Gleichung (14), das die Beschleunigung der Massenschwerpunkte S 1, S 2 relativ zueinander berücksichtigt, läßt sich aus dem Meßsignal des Dehnungsstreifens 67 wie folgt herleiten. Dieses Ausgangssignal kann gleich einer Kraft F_M gesetzt wer den, die im Kraftmeßelement 63 von der Länge L_M die Längenänderung Δ L_M hervorruft:

F_M = ΔL_M · C_M (18)

wobei C_M die Federkonstante des Kraftmeßelementes über dessen Länge L_M ist. Unter Vernachlässigung etwaiger Verformungen in dem Meßkörper 65 und Referenzkörper 66 selbst ist ΔL_M = X_rel, und somit

_rel = _M/C_M (19).

Durch Einsetzen von (17) und (19) in (14) erhält man:

F = F 1 + A 1 · F 1 + (M 1/M 2) · (F 2 + A 2 2-F 3-A 3 · 3) + (M 1/C 1) · M (20),

wobei F 1, F 2, F 3 und F_M die Meßsignale von den Dehnungs meßstreifen 67, 68, 69, 70 sind und A 1, A 2, A 3, M 1, M 2 und C 1 Konstanten darstellen.

Diese Gleichung (20) beschreibt die Bewegung der Massen M 1 und M 2 unter der Wirkung der Kraft F(t). Aus der Be wegung der Massen wird die im Zeitpunkt t wirkende Kraft F(t) berechnet.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Auswerte schaltung, mit der die abgegriffenen Signale F 1, F 2, F 3 und FM entsprechend der Formel (20) verarbeitet werden können. Einem Summationsglied 72 wird das Signal F 1 direkt zugeführt, das Signal F 2 nach Multiplikation mit dem Ver hältnis der beiden Massen M 1 und M 2 im Multiplizierer 73, das Signal F 3 nach Vorzeichenumkehr im Inverter 74 und Multiplikation in 73. Die Dämpfungskräfte werden durch die Schaltungszweige mit Differenziergliedern 78, Mul tipliziergliedern 75, 76, 77, D 2 und D 3 zusätzlich mit Multiplikation in 73 und D 3 invertiert in 74, ermittelt und dem Summierer zugeführt. Die Relativbeschleunigung wird aus dem Signal FM durch zweimalige Differentation in 78 und anschließende Multiplikation in 79 errechnet und im Summierer 72 den anderen Gliedern der Gleichung (20) hinzugefügt. Die Summation der Eingangswerte im Summierer ergibt ein der Kraft F proportionales Signal und wird im Anzeigeglied 80 zur Anzeige gebracht.

Auch hier ist anstelle der Auswerteschaltung mit getrennten analogen Schaltungselementen eine entsprechende digitale Signalverarbeitung nach Formel (20) in einem Mikropro zessor od. dgl. Rechner, unter vorhergehender Analog- Digital-Umwandlung der Signale, möglich.

Auch hier können, falls eine Berücksichtigung der Dämpfungs kräfte nicht erforderlich ist, die Auswertung durch Weg lassung der Schaltungs- oder Rechenzweige mit den Glie dern 75, 76, 77 weggelassen und die Auswertung dadurch vereinfacht werden.

Die oben angegebene Herleitung der Gleichung (20) beruht auf der vereinfachten Annahme, daß eine elastische Ver formung nur in den Kraftmeßelementen 63, 64 und nicht in den Massen 65, 66 auftritt. In Wirklichkeit können durch Verformungen innerhalb des Meßkörpers 65 und des Referenzkörpers 66 zusätzliche Verlagerungen von deren Schwerpunkten S 1 und S 2 auftreten, die vom Dehnungs meßstreifen 67 nicht erfaßt werden. Dies kann bei extremer Meßgenauigkeit zu einer fehlerhaften Er fassung der Relativbewegungen führen.

Um diesen Fehler zu minimieren, sollte durch konstruk tive Maßnahmen dafür gesorgt werden, daß die Verfor mungen innerhalb des Meßkörpers 65 und Referenzkörpers 66 klein gegenüber den Verformungen in den Kraftmeßelemen ten 63 und 64 sind. Dies kann bei der Ausführungsform nach Fig. 6 durch Wahl geeigneter Materialien mit stark unterschiedlichem Elastizitätsmodul für die Kraftmeß elemente 63, 64 einerseits und den Meßkörper 65 und Referenzkörper 66 andererseits geschehen.

Gemäß Fig. 10 und 11 können Meßkörper 65 und Refe renzkörper 66 aber auch einstückig mit den Kraftmeß elementen 63, 64 zusammenhängen und aus dem gleichen Material wie diese bestehen. Gemäß Fig. 10 handelt es sich dann nur um verschiedene Abschnitte eines ein heitlichen zylindrischen Körpers, während gemäß Fig. 11 die Kraftmeßelemente 63, 64 durch dünnwandig-rohrförmige Formgebung eine höhere Verformbarkeit haben. In beiden Fällen ist es vorteilhaft, wenn der die Relativbewegung zwischen Meß- und Referenzkörper erfassende Dehnungs meßstreifen 67 eine Länge L 5 hat, die größer ist als die Länge L 2 des Kraftmeßelementes 63 und dem Abstand der Schwerpunkte S 1 und S 2 von Meß- und Referenzkörper entspricht.

Die Ausführungsformen nach Fig. 6, 10 und 11 weisen im Grunde nur einen einzigen der Meßkraft F ausge setzten stabförmigen Körper auf, der sich gegen das Gehäuse abstützt. Dieser Körper ist über seine Länge in verschiedene Abschnitte unterteilt, nämlich dem ersten Massenabschnitt oder Meßkörper 65, auf den die Kraft F einwirkt, einen ersten Verformungsab schnitt oder Kraftmeßelement 63, einen zweiten Massenabschnitt oder Referenzkörper 66, und einen zweiten Verformungsabschnitt oder Kraftmeßelement 64. Signalgeber in Form von Dehnungsmeßstreifen sind an den Verformungsabschnitten 63, 64 mindestens an den Stellen angebracht, wo diese an die Massenabschnitte 65, 66 angrenzen. Es ist nicht unbedingt erforder lich, daß sich die Verformungsabschnitte 63, 64 in ihrer Verformbarkeit von den Massenabschnitten 65, 66 unterscheiden. Deshalb kann der gesamte Körper gemäß der Ausführungsform nach Fig. 10 aus einem einheit lichen Material mit konstantem Querschnitt bestehen, wobei die Grenzen zwischen den Massenabschnitten 65, 66 und den Verformungsabschnitten 63, 64 nur durch die Position der Dehnungsmeßstreifen definiert ist.

Vorteilhafter ist es jedoch, wenn die Verformungsab schnitte 63, 64 eine höhere Verformbarkeit als die Massenabschnitte 65, 66 aufweisen. Zu diesem Zweck kann gemäß Fig. 6 der gesamte stabförmige Körper aus Abschnitten aus unterschiedlichem Material mit unterschiedlichen Elastizitätseigenschaften zusammen gesetzt sein. Es ist statt dessen auch möglich, daß der gesamte stabförmige Körper einstückig aus dem gleichen Material besteht, welches jedoch abschnitts weise derart behandelt ist, daß es unterschiedliche Verformungseigenschaften aufweist. Z.B. kann der Körper aus Kunststoff bestehen, der abschnittsweise unterschiedliche Shorehärte aufweist. Die höhere Verformbarkeit der Verformungsabschnitte 63, 64 kann auch durch entsprechende Formgebung erzielt werden, so daß diese Abschnitte einen kleineren Querschnitt als die Massenabschnitte 65, 66 aufweisen, z.B. durch die in Fig. 11 dargestellte rohrförmige Ausbildung. Die genannten Maßnahmen der Materialwahl und Form gebung können auch miteinander kombiniert werden.

Um die Meßvorrichtung gegen seitliche Verformungs- oder Beschleunigungskräfte möglichst unempfindlich zu machen, kann z.B. bei der Ausführungsform nach Fig. 6 der Referenzkörper oder zweite Massenabschnitt 66 seitlich durch eine Membran gegen das Gehäuse 61 abgestützt sein, wobei diese Membran in Richtung der Meßkraft F leicht verformbar, aber in der dazu senk rechten Richtung möglichst steif sein soll.

Claims

1. Druck- oder Kraftmeßvorrichtung mit einem Gehäuse (1, 61), einem mit dem Meßdruck oder der Meßkraft beaufschlagten Meßkörper vorgegebener Masse (3, 65), einem vom Meßdruck oder der Meßkraft nicht beaufschlagten Referenzkörper vorgegebener Masse (11, 66), einem ersten elastisch verformbaren Kraftmeßelement (5, 64), über das der Meßkörper (11) oder der Referenzkörper (66) gegen das Gehäuse auslenkbar abgestützt ist, einem zweiten elastisch verformbaren Kraftmeßelement (13, 63), über das der Meßkörper und der Referenzkörper auslenkbar gegeneinander abgestützt sind, Signalgebern (9; 15; 67, 70) zum Erzeugen von der Verformung der Kraftmeßelemente entsprechenden Meßsignalen, und einer die Meßsignale verarbeitenden Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Verformung des ersten Kraftmeßelementes (5, 64) entsprechendes erstes Meßsignal und ein der Verformung des zweiten Kraft meßelementes (13, 63) entsprechendes, die Auslenkung des Meßkörpers und Referenzkörpers relativ zueinander wiedergebendes, zweites Meßsignal getrennt der Auswerteschaltung zuführbar ist, und daß die Auswerteschaltung Rechenglieder (21, 23, 17) zur Bildung des zweiten zeitlichen Differentials des zweiten Meßsignals und zur additiven Verknüpfung dieses zweiten zeitlichen Differentials mit dem undifferenzierten ersten und zweiten Meßsignal aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zusätzlich Rechenglieder (31, 33, 35) zur Bildung des ersten zeitlichen Differentials der Meßsignale zum Berücksichtigen des Dämpfungsverhaltens des Systems aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem der Kraftmeßelemente (13) zwei Signalgeber (14, 16) in der Nähe der beiden Enden des Kraftmeßelementes (13) angeordnet sind.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein sich über die ganze Länge des Kraftmeßelementes (13) erstreckender Signalgeber (15) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper durch das erste Kraftmeßelement gegen den Referenzkörper und dieser durch das zweite Kraftmeßelement gegen das Gehäuse abgestützt ist.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Meßkörper, Referenzkörper und Kraftmeßelemente einstückig aus dem gleichen Material hergestellt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßelemente durch unterschliedliches Material oder unterschiedliche Formgebung eine höhere Verformbarkeit als der Meßkörper und der Referenzkörper aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (3, 65), der Referenzkörper (11, 66) und das erste und zweite Kraftmeßelement (5, 64; 13, 63) als Abschnitte eines stab- oder blockförmigen Körpers ausgebildet sind, dessen eine Stirnfläche dem Meßdruck oder der Meßkraft ausgesetzt und dessen andere Stirnfläche gegen das Gehäuse abgestützt ist, wobei der Körper über seine Länge folgende Abschnitte aufweist: Einen dem Meßdruck oder der Meßkraft (11) ausgesetzten ersten Massenabschnitt (65) von vorgegebener Masse, einen ersten, elastisch verformbaren Verformungsabschnitt (63), einen zweiten Massenabschnitt (66) von vorgegebener Masse und einen zweiten elastisch verformbaren Verformungsabschnitt (64), und daß am ersten und zweiten Verformungsabschnitt (63, 64) mindestens je ein Dehnungsmeßstreifen als erster bzw. zweiter Signalgeber (67, 68, 69, 70) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalgeber (68, 69, 70) sich nur über einen kleinen Teil der Länge jedes Verformungsabschnitts (63, 64) erstrecken und an der Grenze zwischen dem jeweiligen Verformungsabschnitt (63, 64) und dem angrenzenden Massenabschnitt (65, 66) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der erste Verformungsabschnitt (63) einen Signalgeber (67) aufweist, der sich über mindestens die gesamte Länge des Verformungsabschnitts (63) erstreckt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Signalgeber (67) über den gesamten Längenabstand zwischen den Massen schwerpunkten (S1, S2) des ersten und zweiten Massenabschnitts (65, 66) erstreckt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Verformungsabschnitt (63, 64) durch eine kleinere Quer schnittsfläche eine höhere Verformbarkeit aufweisen als der erste und zweite Massenabschnitt (65, 66).

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Verformungsabschnitt (63, 64) aus einem Material mit höherer elastischer Verformbarkeit bestehen als der erste und zweite Massenabschnitt (65, 66).

14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Verformungsabschnitt (63, 64) die gleiche Verformbarkeit und den gleichen Querschnitt wie der erste und zweite Massenabschnitt aufweisen und die Grenzen zwischen den Verformungsabschnitten und den Massenabschnitten durch die Lage der Signalgeber (68, 69, 70) definiert ist.