DE4139084C2

DE4139084C2 -

Info

Publication number: DE4139084C2
Application number: DE19914139084
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. 2806 Oyten-Bassen De Mang
Original assignee: Erno Raumfahrttechnik 2800 Bremen De GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1991-11-28
Filing date: 1991-11-28
Publication date: 1993-09-09
Also published as: DE4139084A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Masse eines Wägegutes unter dem Einfluß von Schwerelosigkeit, insbesondere zur Anwendung im Bereich der Raumfahrt, bei der ein zur Halterung des Wägegutes vorgesehenes Adaptionselement über ein Verbindungs element an einen Kraftmesser angekoppelt ist, der mit einem Oszillator verbunden ist und bei dem eine Aus wertungseinheit an den Kraftmesser angeschlossen ist.The invention relates to a device for determining the mass of a weighing object under the influence of Weightlessness, especially for use in the area aerospace, in which a to hold the goods to be weighed provided adaptation element via a connection element is coupled to a dynamometer that works with an oscillator is connected and in which an off evaluation unit is connected to the dynamometer.

Übliche Bestimmungen zur Ermittlung der Masse eines Körpers, die im Bereich der Erdoberfläche mit hoher Zuverlässigkeit durchgeführt werden können und die im wesentlichen auf der Erdgravitation basieren, können im Bereich einer Erdumlaufbahn bzw. in einem erdfernen Bereich des Raumes nicht angewendet werden. Unter Be dingungen der Schwerelosigkeit wurden deshalb bislang im wesentlichen zwei Verfahren zur Masseermittlung ein gesetzt. Die eine Variante basiert auf einer künst lichen linearen Beschleunigung des Wägegutes und der Bestimmung der für diese Beschleunigung erforderlichen Energie bzw. der bei der Durchführung eines zugeord neten Bremsvorganges freigesetzten Energie. Darüber hinaus ist es auch bekannt, bei einer Zentrifugal bewegung auftretende Kräfte zu erfassen und hieraus die Masse des Wägegutes zu ermitteln. Diese Verfahren sind jedoch in der Regel nur zur Ermittlung der Masse von starren Körpern homogener Masseverteilung geeignet. Die Beschleunigung längs eines linearen Weges setzt darüber hinaus eine vergleichsweise große Dimensionierung der Vorrichtung voraus. Gerade im Bereich der Raumfahrt besteht jedoch eine wesentliche Anforderung darin, das Volumen der verwendeten Hilfsgeräte möglichst zu mini mieren.Usual provisions for determining the mass of a Body in the area of the earth's surface with high Reliability can be carried out and the im are essentially based on earth's gravity Area of orbit in or away from earth Area of the room cannot be applied. Under Be So conditions of weightlessness have so far essentially two methods for mass determination set. One variant is based on an artificial linear acceleration of the weighing sample and the Determination of the necessary for this acceleration Energy or the associated with the implementation of a Neten braking process released energy. About that in addition, it is also known to be centrifugal Forces occurring motion and from this the Determine the mass of the weighing sample. These procedures are however, usually only to determine the mass of rigid bodies with homogeneous mass distribution. The Acceleration along a linear path sets above this a comparatively large dimensioning of the Device ahead. Especially in the field of space travel however, an essential requirement is that The volume of the auxiliary devices used should be as small as possible lubricate.

Aus der Veröffentlichung Weighing a man in space, where he is weightless. In: Product Engineering 4, 1967, Vol. 38, H. 25, S. 30-32, ist es bekannt, die Masse eines Astronauten im Weltraum mit Hilfe einer aufgeprägten Schwingung zu ermitteln. Der Astronaut wird hierzu im Bereich eines Stuhles angeordnet und fest auf dem Stuhl angeschnallt. Durch diese Anschnallung wird verhindert, daß der Astronaut während der Durchführung des Meßvor ganges eine Bewegung relativ zum Stuhl durchführen kann. Dem Astronauten wird somit die Bewegung des Stuhles aufgezwungen. Der Stuhl ist über eine Kraftmeß einrichtung mit einem Oszillator verbunden, der dem Stuhl gemeinsam mit dem Astronauten eine definierte Schwingung aufzwingt. Auf Grund von während der Durchführung der Schwingbewegung auftretenden Brems- und Beschleunigungskräften kann bei bekannter Schwing charakteristik und bekannter Masse des Stuhles die Masse der Astronauten ermittelt werden. Prinzipiell ist es mit einer derartigen Vorrichtung nur möglich, definiert lokalisierbare und fixierbare Wägegüter zu vermessen.From the publication Weighing a man in space, where he is weightless. In: Product Engineering 4, 1967, Vol. 38, H. 25, pp. 30-32, it is known to be the mass of a Astronauts in space with the help of an embossed To determine vibration. The astronaut will do this in Area of a chair arranged and firmly on the chair buckled up. This buckle prevents that the astronaut while performing the measurement ganges make a movement relative to the chair can. The movement of the Chair forced. The chair is about a force measurement device connected to an oscillator that the Chair together with the astronaut a defined Forcing vibration. Because of during the Carrying out the oscillating movement of the braking and acceleration forces can with known vibration characteristic and known mass of the chair Mass of the astronauts can be determined. In principle is it is only possible with such a device defines localizable and fixable weighing goods measured.

Auch mit Hilfe der Vorrichtung, die bei Manfred Kochsiek: Handbuch des Wägens 2. Auflage, 1989, Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig, S. 67-71 angegeben ist, ist es nur möglich, definiert positio nierte Wägegüter zu vermessen. Die Wägegüter werden hier in einen Aufnahmebehälter geschüttet und durch die einwirkende Schwerkraft fixiert. Die Vorrichtung ist somit lediglich zu einer Verwendung unter dem Einfluß der Gravitationskraft geeignet. Die Bestimmung der Masse erfolgt ebenfalls über eine Kupplung des das Wägegut aufnehmenden Adapters über eine Kraftmeßein richtung an einen Oszillator.Also with the help of the device that Manfred Kochsiek: Handbook of Weighing 2nd Edition, 1989, Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig, pp. 67-71 is specified, it is only possible to define positio to measure weighed goods. The goods to be weighed poured here into a receptacle and through the acting gravity fixed. The device is thus only for use under the influence the gravitational force. The determination of Mass also takes place via a clutch of the Adapter to be weighed by means of a force measurement towards an oscillator.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu ver bessern, daß die Massebestimmung mit hoher Genauigkeit erfolgen kann und nur ein geringes Vorrichtungsvolumen benötigt wird.The object of the present invention is therefore a Ver device of the type mentioned in the introduction improve the mass determination with high accuracy can be done and only a small device volume is needed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auswertungseinheit zur Masseermittlung Kenndaten der für den Oszillator vorgegebenen Schwingcharak teristik sowie erfaßte Brems- bzw. Beschleunigungs kräfte miteinander kombiniert, der Oszillator mit einer frei vorgebbaren Schwungcharakteristik versehen ist und daß eine den Oszillator kontrollierende Steuereinheit dem Oszillator während eines Meßvorganges mindestens zwei unterschiedliche Frequenzen aufprägt. This object is achieved in that the evaluation unit for mass determination of characteristic data the vibration character given for the oscillator teristik and detected braking or acceleration forces combined, the oscillator with a freely definable swing characteristics is provided and that a control unit controlling the oscillator the oscillator during a measuring process at least impresses two different frequencies.

Bei einer geeigneten Ausbildung des Adaptionselementes ist es ohne weiteres möglich, unter Bedingungen der Schwerelosigkeit auch elastische oder verformbare Körper mit dem Oszillator zu koppeln. Durch die Kombi nation des Oszillators, des Verbindungselementes, des Kraftmessers und des Adaptionselementes wird dem Wäge gut die gleiche Schwingfrequenz aufgeprägt, mit der sich der Oszillator bewegt. Bei einem aktiven Oszilla tor, bei dem keine Beeinflussung der Schwing charakteristik durch externe Belastungen erfolgt, ist somit die Schwingfrequenz des Wägegutes sowie die Schwingungsamplitude exakt bekannt. Aufgrund dieser somit bekannten Schwingcharakteristik des Wägegutes und der mit Hilfe des Kraftmessers ermittelten Werte der auftretenden Kräfte ist eine sehr genaue Ermittlung der schwingenden Masse des Wägegutes möglich.With a suitable design of the adaptation element it is easily possible under conditions of Zero gravity also elastic or deformable To couple the body to the oscillator. Through the station wagon nation of the oscillator, the connecting element, the Force meter and the adaptation element is the weighing well imprinted the same vibration frequency with which the oscillator is moving. With an active Oszilla gate, which does not affect the vibration characteristic is caused by external loads the oscillation frequency of the goods to be weighed and the Vibration amplitude exactly known. Based on these thus known vibration characteristics of the goods to be weighed and the values of the with the help of the dynamometer occurring forces is a very precise determination of the vibrating mass of the weighing sample possible.

Ein aussagefähiges Meßspektrum wird dadurch bereitge stellt werden, daß eine den Oszillator kontrollierende Steuereinheit dem Oszillator während eines Meßvorganges mindestens zwei unterschiedliche Frequenzen aufprägt.This provides a meaningful measurement spectrum be that a controlling the oscillator Control unit the oscillator during a measuring process impresses at least two different frequencies.

Zur Aufprägung einer Schwingcharakteristik auf das Wägegut, die identisch zur Schwingcharakteristik des Oszillators ist, wird vorgeschlagen, daß das Verbin dungselement als ein starrer Körper ausgebildet ist.To impress a vibration characteristic on the Weighed goods that are identical to the vibration characteristics of the Is oscillator, it is suggested that the conn is designed as a rigid body.

Eine besonders hohe Genauigkeit durch senkrechte Kraft einleitungen kann dadurch gewährleistet werden, daß sich das Verbindungselement im wesentlichen symmetrisch zu einer Längsachse erstreckt. Eine zweckmäßige Über leitung der Schwingbewegung des Oszillators auf den Kraftmesser bzw. das Wägegut erfolgt dadurch, daß der Oszillator im wesentlichen aus einer im wesentlichen zylindrischen Basis sowie einer sich in Richtung auf den Kraftmesser erweiternden Überleitung ausgebildet ist.A particularly high accuracy due to vertical force discharges can be ensured that the connecting element is essentially symmetrical extends to a longitudinal axis. A convenient over conduction of the oscillatory movement of the oscillator on the Dynamometer or the goods to be weighed takes place in that the Oscillator essentially from one essentially cylindrical base as well as one towards the line extending the dynamometer is.

Eine äußerst kompakte Kopplung des Oszillators mit dem Kraftmesser kann dadurch erfolgen, daß die Überleitung über eine Membran mit dem Kraftmesser verbunden ist. Durch die Verbindung mit der Membran ist es beispiels weise möglich, im Bereich des Oszillators eine schwingende Luftsäule vorzusehen und eine Umsetzung der Schwingbewegung der Luftsäule mit Hilfe der Membran vorzunehmen.An extremely compact coupling of the oscillator with the Dynamometer can be done in that the transition is connected to the dynamometer via a membrane. The connection with the membrane makes it an example possible, in the area of the oscillator provide vibrating air column and an implementation of the Swinging motion of the air column with the help of the membrane to make.

Alternativ oder ergänzend zu einer Veränderung der Schwingungsfrequenz ist es aber auch möglich, daß eine den Oszillator kontrollierende Steuereinheit dem Oszillator während eines Meßvorganges mindestens zwei unterschiedliche Amplituden aufprägt.Alternatively or in addition to a change in Vibration frequency, it is also possible that a control unit controlling the oscillator At least two oscillators during a measurement process impresses different amplitudes.

Ein erheblicher Spielraum bezüglich der physikalischen Konsistenz des Wägegutes wird dadurch bereitgestellt, daß das Adaptionselement als ein Behälter ausgebildet ist, der einen zur Aufnahme des Wägegutes vorgesehenen Innenraum aufweist, der von einer Wandung umschlossen ist. Zur Vermeidung von ungewollten Eigenbewegungen des Wägegutes ist es möglich, daß der Innenraum mit einem veränderlichen Volumen versehen ist.A considerable margin regarding the physical Weighing consistency is provided that the adaptation element is designed as a container is the one intended for receiving the goods to be weighed Has interior, which is enclosed by a wall is. To avoid unwanted own movements of the Weighing goods, it is possible that the interior with a variable volume is provided.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin dung schematisch dargestellt. Es zeigtIn the drawing, embodiments of the invention are shown schematically. It shows

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines mit einem aktiven Oszillator mechanisch verkoppelten Wägegutes und Fig. 1 is a schematic diagram of a weighing object mechanically coupled to an active oscillator and

Fig. 2 ein Blockschaltbild der wesentlichen Vor richtungskomponenten. Fig. 2 is a block diagram of the essential Before direction components.

Eine Vorrichtung zur Masseermittlung besteht im wesent lichen aus einem aktiven Oszillator (1), dem eine Schwingcharakteristik extern aufprägbar ist. Durch die externe Steuerung werden insbesondere die Frequenz sowie die Amplitude der generierten Schwingung festge legt. Der Oszillator (1) ist über einen Kraftmesser (2) sowie ein Verbindungselement (3) mit einem Adaptionse lement (4) zur Halterung eines Wägegutes (5) ver koppelt.A device for mass determination essentially consists of an active oscillator ( 1 ), to which an oscillation characteristic can be impressed externally. The external control specifies in particular the frequency and the amplitude of the generated vibration. The oscillator ( 1 ) is coupled via a dynamometer ( 2 ) and a connecting element ( 3 ) to an adapter element ( 4 ) for holding a weighing sample ( 5 ).

Gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 ist der Kraft messer (2) zwischen dem Verbindungselement (3) und dem Oszillator (1) angeordnet. Das Verbindungselement (3) erstreckt sich im wesentlichen zylindrisch entlang einer Längsachse (6), bezüglich derer die verwendeten Bauelemente im wesentlichen symmetrisch angeordnet sind. Das Adaptionselement (4) ist als ein Behälter (7) ausgebildet, der einen von Wandungen (8) umschlossenen Innenraum (9) aufweist. In den Innenraum (9) ist das Wägegut (5) einfüllbar. Dies ist insbesondere bei elastischen bzw. verformbaren Körpern zweckmäßig. Bei spielsweise kann hierdurch eine Massebestimmung von Pulvern oder Flüssigkeiten erfolgen. Bei einer anderen Ausbildung des Adaptionselements (4) ist es jedoch auch möglich, Wägegut (5) fester Konsistenz über geeignete mechanische Verbindungselemente (3) zu haltern.According to the embodiment in Fig. 1, the force meter ( 2 ) between the connecting element ( 3 ) and the oscillator ( 1 ) is arranged. The connecting element ( 3 ) extends essentially cylindrically along a longitudinal axis ( 6 ), with respect to which the components used are arranged essentially symmetrically. The adaptation element ( 4 ) is designed as a container ( 7 ) which has an interior ( 9 ) enclosed by walls ( 8 ). The goods to be weighed ( 5 ) can be filled into the interior ( 9 ). This is particularly useful in the case of elastic or deformable bodies. For example, this can be used to determine the mass of powders or liquids. In another embodiment of the adaptation element ( 4 ), however, it is also possible to hold weighing goods ( 5 ) with a firm consistency by means of suitable mechanical connecting elements ( 3 ).

Der Oszillator (1) kann in einem Gehäuse angeordnet werden, das im wesentlichen aus einer im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Basis (10) sowie einer sich in Richtung auf den Kraftmesser (2) erweiternden Über leitung (11) besteht. Die Überleitung (11) kann bei spielsweise als ein Kegelsegment ausgebildet sein. Die Kopplung der Überleitung (11) an den Kraftmesser (2) kann mittels einer Membran (12) erfolgen. Der Oszilla tor (1) kann aus einer elektrischen Wicklung ausgebil det werden, in der ein stabförmiger Kern beweglich ge führt ist. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Ausbildungen möglich. Beispielsweise kann eine Reali sierung in Form eines elektrostatischen Lautsprechers erfolgen.The oscillator ( 1 ) can be arranged in a housing which consists essentially of a substantially cylindrical base ( 10 ) and a widening in the direction of the dynamometer ( 2 ) over line ( 11 ). The transition ( 11 ) can be formed as a cone segment in example. The coupling ( 11 ) to the dynamometer ( 2 ) can be coupled by means of a membrane ( 12 ). The Oszilla gate ( 1 ) can be trained from an electrical winding in which a rod-shaped core is movably guided. In principle, however, other training courses are also possible. For example, a realization can take place in the form of an electrostatic speaker.

Bei einer Ausbildung des Adaptionselementes (4) als Behälter (7) ist es insbesondere auch möglich, eine Massebestimmung bei teilgefüllten Flüssigkeitsbehältern vorzunehmen. Prinzipiell ist es jedoch auch denkbar, Behälter mit einem einstellbaren Nutzvolumen zu verwen den, um Bewegungen einer meßtechnisch zu untersuchenden Flüssigkeit relativ zum Behälter (7) zu vermeiden.If the adaptation element ( 4 ) is designed as a container ( 7 ), it is in particular also possible to determine the mass of partially filled liquid containers. In principle, however, it is also conceivable to use containers with an adjustable usable volume in order to avoid movements of a liquid to be examined by measurement technology relative to the container ( 7 ).

Aus der Darstellung in Fig. 2 ist ersichtlich, daß die mit Hilfe des Kraftmessers (2) ermittelten Meßdaten einer Auswertungseinheit (13) zugeführt werden, die darüber hinaus mit Informationen über die Schwing charakteristik des Oszillators (1) versorgt wird. Diese Informationen werden der Auswertungseinheit (13) von einer Steuereinheit (14) übermittelt, die die jeweilige Schwingcharakteristik des Oszillators (1) vorgibt. Zur Dokumentation und zur Anzeige der jeweiligen Meßergeb nisse ist die Auswertungseinheit (13) mit einer Anzei gevorrichtung (15) verbunden.From the illustration in Fig. 2 it can be seen that the measured data determined with the aid of the force meter ( 2 ) are fed to an evaluation unit ( 13 ) which is also supplied with information about the oscillation characteristic of the oscillator ( 1 ). This information is transmitted to the evaluation unit ( 13 ) by a control unit ( 14 ) which specifies the respective oscillation characteristic of the oscillator ( 1 ). For documentation and to display the respective measurement results, the evaluation unit ( 13 ) is connected to a display device ( 15 ).

Claims

1. A device for determining the mass of a weighing good under the influence of weightlessness, in particular for use in the field of space travel, in which an adapter element provided for holding the goods to be weighed is coupled via a connecting element to a dynamometer, which is connected to an oscillator and in which an evaluation unit is connected to the dynamometer, characterized in that the evaluation unit (13) for taking-off characteristic data of the predetermined for the oscillator (1) Schwingcharak teristik and detected braking or Accelerat acceleration forces combined with each other, the Oszilla gate with A freely definable Schwingcharak teristik is provided and that an oscillator ( 1 ) controlling control unit ( 14 ) impresses the oscillator ( 1 ) at least two different frequencies during a measuring process.

2. Device according to claim 1, characterized in that the connecting element ( 3 ) is designed as a rigid body.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the connecting element ( 3 ) extends substantially symmetrically to a longitudinal axis ( 6 ).

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the oscillator ( 1 ) is arranged in the region of a housing which consists essentially of a substantially cylindrical base ( 10 ) and one in the direction of the dynamometer ( 2 ) expanding transfer line ( 11 ) is formed.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the transition ( 11 ) via a membrane ( 12 ) is connected to the dynamometer ( 2 ).

6. Device according to one of claims 1 to 5, as by in that an oscillator (1) controlling the control unit (14) imposes the oscillator (1) different during a measurement process at least two frequencies.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the adaptation element ( 4 ) is designed as a container ( 7 ) having an interior ( 9 ) provided for receiving the goods to be weighed ( 5 ), which of a wall ( 8 ) is enclosed.

8. The device according to claim 7, characterized in that the interior ( 9 ) is provided with a variable volume.