DE4420691C1 - Kraftmeßzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßzelle, insbesondere zur Verwendung in Waagen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

In vielen Anwendungsbereichen der Wägetechnik und der Kraft­ meßtechnik, sowohl für geringere Auflösungen als auch bei hö­ herauflösenden eichfähigen Geräten, werden heute sogenannte Kraftaufnehmer mit wegeempfindlichen Sensoren verwendet. Bei diesen Kraftaufnehmern bewirkt die zu messende Kraft eine Ver­ formung eines Federkörpers. Diese Verformung wird dann mit weg- oder dehnungsempfindlichen Sensorelementen in ein elek­ trisches Meßsignal umgewandelt.

Die bekannteste Bauart dieser Gattung von Wägezellen ist wohl die Dehnungsmeßstreifen-Wägezelle. Auch kapazitiv arbeitende Wägezellen sind bekannt (siehe M. Kochsiek, Handbuch des Wä­ gens, Vieweg Verlag 1989, S. 128).

Der Dehnungsmeßstreifen-Kraftaufnehmer setzt die durch die zu messende Kraft erzeugten Oberflächendehnungen des Federkörpers in eine ohmsche Widerstandsänderung der Dehnungsmeßstreifen um, die dann von der Signalverarbeitung der Waage oder des Kraftmeßsystems weiterverarbeitet wird. Die Hauptnachteile dieses weitverbreiteten Prinzips sind das infolge der kleinen nutzbaren Dehnungen kleine Ausgangssignal der Wägezelle, die Empfindlichkeit der Dehnungsmeßstreifen-Applikation gegenüber Feuchtigkeit aufgrund der verwendeten Kunststoffe für Träger­ material und Kleber sowie der Bauelementeaufwand für den not­ wendigen Analog-Digital-Wandler.

Bei der wegeempfindlichen kapazitiven Wägezelle wird der Meß­ weg über geeignete Elektroden in eine Kapazitätsänderung umge­ setzt. Diese Kapazitätsänderung kann entweder über Wechsel­ strombrückenschaltungen ausgewertet werden oder die lastabhän­ gige Kapazität der Wägezelle wird als frequenzbestimmendes Glied in einer Oszillatorschaltung verwendet. Das Nutzsignal einer solchen Anordnung ist eine mit der Last sich ändernde Frequenz, so daß hierbei auf einen Analog-Digital-Wandler, wie er bei Dehnungsmeßstreifen-Wägezellen notwendig ist, verzich­ tet werden kann, da eine Frequenz in einfacher Weise mit einem Zähler erfaßbar ist.

Der Hauptnachteil solcher Wägezellen ist ihre Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit (wegen der Dielektrizitätskonstanten von Wasser) sowie die sehr kleinen Kapazitätsänderungen durch die zu messende Kraft.

Ein Kraftaufnehmer mit induktivem Sensorelement ist nicht mit diesen beschriebenen Nachteilen behaftet. Obwohl das induktive Prinzip im Bereich der Wegaufnehmer sehr verbreitet ist und durch Kombination eines induktiven Wegaufnehmers mit einem ge­ eigneten Verformungskörper ein Kraftaufnehmer entsteht, hat sich dieses Verfahren aber wegen geringer Genauigkeit nicht durchgesetzt (siehe M. Kochsiek, Handbuch des Wägens, Vieweg Verlag 1989, S. 128, Ziffer 3.8.4).

Diese geringe Genauigkeit ist bauartbedingt bei Verwendung üb­ licher Wegaufnehmer-Sensorelemente sowie auf die Materialei­ genschaften der bei diesen Sensorelementen verwendeten ferro­ magnetischen Materialien zurückzuführen. Diese Materialeigen­ schaften äußern sich in Hysteresefehlern sowie großen Tempera­ tur-Querempfindlichkeiten.

Aus der DE 28 53 999 A1 ist eine gattungsgemäße Kraftmeßzelle mit Parallelführung und induktivem Sensor der oben beschriebe­ nen Art bekannt. Eine auf die Meßzelle aufgelegte Gewichts­ kraft erzeugt eine Dehnung eines mit einer Spule umwickelten ferromagnetischen Zugbandes. Dabei wird die Induktivität der Spule reduziert, was zu einer Erhöhung der Frequenz eines nachgeschalteten Oszillators führt. Die Frequenz wird als Meß­ signal verwendet.

In der DE 38 11 942 A1 ist zwar eine elektronische Waage mit induktiven Ecklastsensoren beschrieben, jedoch erfolgt die Messung der Gewichtskraft an der Parallelführung der Kraftein­ leitung mittels elektromagnetischem Kompensationssystem. Dabei ist die unter der Lastschale angeordnete Unterschale elastisch nachgiebig ausgeführt. Die elastische Verbiegung dieser Unter­ schale bei außermittiger Belastung der Wägeschale wird mit mehreren induktiven Abstandssensoren abgetastet und zur Kor­ rektur des Ecklastfehlers der Parallelführung in die Meßwert­ verarbeitung mit einbezogen. Die induktiven Sensoren werden also nicht für die Erzeugung des eigentlichen Wägesignals, sondern nur zur Ermittlung von weit weniger genau zu erfassen­ den Korrekturfaktoren eingesetzt.

Aus der Druckschrift
GB-Z: Soviet Inventions Illustrated Week D 44, Instrumentation, Measuring and Testing, SU-S, P.9, SU-605 632,
ist eine Kraftmeßzelle mit einer induktiven Sensoranordnung zur Erfassung einer Kraftaufnehmer-Verformung und zu deren Um­ wandlung in ein elektrisches Signal bekannt, bei der Spulen mit ferromagnetischen Topfkernen als induktive Elemente ver­ wendet werden.

Aus der DE-AS 12 03 015 ist eine Kraftmeßzelle mit einem ela­ stisch verformbaren Kraftaufnehmer und einer induktiven Sen­ soranordnung zur Erfassung der Kraftaufnehmer-Verformung und deren Umwandlung in ein elektrisches Signal bekannt, wobei die Sensoranordnung eine Spule mit Eisenkern umfaßt, welche auf einem Federstab gegenüber einem unbelasteten Stab so angeord­ net ist, daß sich bei Belastung des Federstabs mit einer Kraft eine von dieser Kraft abhängige Änderung des Abstandes zwi­ schen der Spule und dem unbelasteten Stab aufgrund der elasti­ schen Verformung des Federstabs ergibt, welche in das elektri­ sche Signal umgesetzt wird. Auch diese Kraftmeßzelle ist auf­ grund der Verwendung eines ferromagnetischen Spulenkerns mit den vorstehend genannten Nachteilen, insbesondere mit Hystere­ sefehlern und großen Temperatur-Querempfindlichkeiten, behaf­ tet.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Kraftmeßzelle mit in­ duktivem Sensor zu schaffen, welche auch für Waagen höherer Genauigkeit mit ca. 1000 bis 10 000 Auflösungsschritten ver­ wendbar ist und dabei nur minimale Temperaturempfindlichkeit innerhalb der zulässigen Eich-Fehlergrenzen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Als Kraftaufnehmer wird vorzugsweise ein Biegestabkraft­ aufnehmer mit Parallelführung des Krafteinleitungsteils verwen­ det, da diese Art Kraftaufnehmer eine sehr kompakte Bauweise der Meßzelle erlaubt.

Das Sensorelement wird zweckmäßigerweise ortsfest angeordnet, vorzugsweise auf einem mit dem feststehenden Teil des Kraftauf­ nehmers verbundenen Träger, so daß sich bei einer Belastung des Krafteinleitungsteils des Kraftaufnehmers eine Annäherung des Krafteinleitungsteils an das Sensorelement ergibt. Diese Ab­ standsänderung wird - wie oben genannt - in das elektrische Wä­ gesignal umgesetzt.

Alternativ kann das Sensorelement am Krafteinleitungsteil selbst gehalten sein und wird im Falle der Krafteinleitung dann gegen ein feststehendes, d. h. ortsfestes, signalgebendes Teil bewegt, wobei wiederum die Abstandsänderung vom Sensorelement zum signalgebenden Teil - wie beschrieben - in das elektrische Wägesignal umgesetzt wird.

Vorzugsweise wird der Biegestabkraftaufnehmer einstückig ausge­ bildet und umfaßt gegebenenfalls einen Träger zur ortsfesten Halterung des Sensorelements oder aber zur ortsfesten Halterung des signalgebenden Teils.

Diese Art Kraftmeßzellen bauen besonders kompakt und sichern einen minimalen Montageaufwand der Kraftmeßzelle. Vorzugsweise benachbart zu dem Sensorelement ist ein zugehöriger Oszillator­ schaltkreis angeordnet, wobei dieser vorzugsweise auf einem ge­ meinsamen Substrat mit dem Sensorelement angeordnet ist und so gemeinsam bei der Herstellung montiert werden kann.

Eine weiterhin bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen Biegestab-Kraftaufnehmer, welcher innerhalb der Parallelführung einen Mittelsteg umfaßt, welcher einerseits am feststehenden Ende des Kraftaufnehmers und andererseits über einen Schwächungsbereich am Krafteinleitungsteil gehalten ist, wobei der Mittelsteg entweder das signalgebende Teil bildet oder aber das Sensorelement trägt. Wird bei dieser Art Kraft­ meßzelle ein zweites Sensorelement verwendet, das auf ein ande­ res signalgebendes Teil als das erste Sensorelement anspricht, erhält man eine Kraftmeßzelle, deren Wägesignal besonders unem­ pfindlich gegen Torsionsbelastungen ist.

Bei der Verwendung des Biegestab-Kraftaufnehmers mit Mittelsteg wird der Mittelsteg bevorzugt in der Längsmittelachse des Bie­ gestab-Kraftaufnehmers angeordnet, so daß er in dessen neutra­ ler Faserzone angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine erneut gesteigerte Unempfindlichkeit gegen Torsionsbelastungen.

Die Anordnung von zweien oder mehreren Sensorelementen inner­ halb der Kraftmeßzelle, die mit verschiedenen signalgebenden Teilen zusammenwirken, ist nicht nur auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern läßt sich in jeder der bis­ lang beschriebenen Anordnungen verwenden. Durch den Einsatz von zwei oder mehreren Sensorelementen läßt sich die Genauigkeit steigern und lassen sich Störeinflüsse minimieren.

Bevorzugt gehorcht der Abstand a zwischen dem Sensorelement und dem zugehörenden signalgebenden Teil der Beziehung a < 0,1 · d, wobei d die maximale Ausdehnung des Sensorelementes bedeutet. Dies bedeutet, daß der Abstand des Sensorelementes zum signalgebenden Teil, bezogen auf seinen Durchmesser (im Fall von rundgewickelten Spulen) verhältnismäßig klein, d. h. kleiner 10%, ist. Dadurch reichen bereits minimale absolute Änderungen im Abstand zwischen dem Sensorelement und dem zugehörenden signalgebenden Teil aus, um ausreichend genaue Wägesignale zu liefern. Dies gilt insbesondere für den Einsatz von Biegestabkraftaufnehmern.

Für die Herstellung und kostengünstige Montage weiter bevorzugt wird das induktive Sensorelement in Dünnschicht- oder Folien­ technik auf einen Träger, vorzugsweise aus Keramik oder Glas, aufgebracht. Die vorzugsweise verwendeten Trägermaterialien aus Keramik oder Glas machen die Kraftmeßzelle bzw. das verwendete Sensorelement wenig feuchtigkeitsempfindlich, so daß selbst ex­ treme Luftfeuchtigkeiten und Temperaturen in der Umgebung der Waage zu keiner Verschlechterung der Genauigkeit des Wägesi­ gnals führen. Vorzugsweise wird das Sensorelement und der zuge­ hörende Oszillator wieder auf einem gemeinsamen Trägerelement integriert.

Eine Verbesserung der Genauigkeit des Wägeergebnisses der Kraftmeßzelle wird dann erreicht, wenn die beiden den Sensor­ elementen zuzuordnenden Oszillatorschaltungen unterschiedliche frequenzbestimmende Kapazitäten aufweisen, derart, daß zwei ge­ genläufige Frequenz-Kraft-Kennlinien erhalten werden, welche sich innerhalb eines vorgegebenen Lastbereiches nicht überkreu­ zen.

In diesem Zusammenhang wird eine Verbesserung der Genauigkeit des Wägesignals erreicht, wenn die Ausgangssignale der Oszilla­ torschaltungen einen multiplikativen Mischer und danach einem Tiefpaßfilter zugeführt werden. Sieht man im Oszillator- Schaltkreis eine Zusatzinduktivität, einen Hilfswiderstand und einen Schalter vor, so kann eine Kalibrierung des Wägesignals der Kraftmeßzelle in einfacher Weise durchgeführt werden.

Vorzugsweise wird die Oszillatorschaltung mit der Zusatzinduk­ tivität und dem Hilfswiderstand dabei so ausgelegt, daß durch das Öffnen des Schalters eine Frequenzverstimmung des Oszilla­ tors erzeugt wird, welche zur Eigenkalibrierung der Kraftmeß­ zelle verwendbar ist.

Wiederum im Sinne der Vereinfachung der Herstellung wird die Zusatzinduktivität und der Hilfswiderstand sowie der Schalter auf demselben Trägerelement wie das Sensorelement und die Os­ zillatorschaltung angeordnet sein.

Der signalgebende Teil, insbesondere der Kraftaufnehmer selbst, wird aus nicht-magnetischem, elektrisch leitendem Ma­ terial hergestellt, so daß sich magnetische Hysterese-Fehler von vornherein ausschließen bzw. minimieren lassen.

Die Erfindung betrifft schließlich eine Verwendung einer Kraftmeßzelle gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungs­ formen in einer Waage, insbesondere einer eichfähigen Waage.

Darüber hinaus beinhaltet die erfindungsgemäße Meßzelle fol­ gende wesentliche Vorteile:

• - Durch die Verwendung eines Meßwandlers mit induktivem Sensor und Oszillationsschaltung wird bereits ein digi­ tales Meßsignal erzeugt, so daß eine Analog-Digital- Wandlung nicht notwendig ist.
• - Durch den Verzicht auf ferromagnetisches Material für das Sensorelement und das signalgebende Teil wird eine sehr kleine Hysterese und dadurch höhere Genauigkeit der Kraftmeßzelle erreicht.
• - Bei Verwendung von Glas oder Keramik als Substratträger für die Sensorelemente ist die Kraftmeßzelle unempfind­ lich gegen Feuchteänderungen der Umgebung.
• - Die Kraftmeßzelle bildet mit dem einstückigen Kraftauf­ nehmer und dem integrierten Sensor mit Oszillatorschal­ tung eine kompakte, gegen Stöße und elektromagnetische Störungen geschützte Einheit.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der Be­ schreibung der Ausführungsbeispiele und anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Kraftmeßzelle mit induktivem Sensor;

Fig. 2 die Seitenansicht eines 2. Ausführungsbeispiels der Kraftmeßzelle gemäß Fig. 1;

Fig. 3 die Seitenansicht eines 3. vereinfachten Ausfüh­ rungsbeispiels gemäß Fig. 1 und 2;

Fig. 3a die Seitenansicht eines alternativen Ausführungs­ beispiels zu Fig. 3;

Fig. 4 das Diagramm der Frequenz-Kraft-Kennlinien der Kraftmeßzelle mit funktionalem Zusammenhang zwi­ schen Oszillatorfrequenz und zu messender Gewichts­ kraft;

Fig. 5 ein Blockschaltbild der elektrischen Schaltung der Kraftmeßzelle; und

Fig. 6 ein Schaltungsdetail der Oszillatorschaltung der Kraftmeßzelle.

Fig. 1 zeigt eine Kraftmeßzelle 1 mit einem als Federkörper ausgebildeten Kraftaufnehmer 25 hier beispielhaft in Form eines Parallelogrammlenkers mit den beiden Lenkerstegen 2, den vier Gelenkstellen 3, dem feststehenden Teil 4, einem Krafteinlei­ tungsteil 5 und einem Träger 6. Der Kraftaufnehmer 25 ist hier einstückig aus einem nicht-magnetischen elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, gearbeitet.

Der Träger oder Ausleger 6 dient zur Aufnahme zweier indukti­ ver, scheibenförmiger, parallel zu den Lenkerstegen angeordne­ ter Sensorelemente 8, 9 sowie zur Aufnahme der zu diesen Ele­ menten gehörigen Oszillatorschaltungen 10, 11. Alle vier Bau­ teile 8 bis 11 sind elektrisch gegenüber dem Ausleger 6 iso­ liert.

Das Funktionsprinzip dieser Anordnung ist wie folgt:
Unter dem Einfluß der zu messenden Gewichtskraft bewegen sich die Lenkerstege 2 nach unten, so daß sich deren Abstand a zum oberen Sensorelement 8 verkleinert, während der Abstand a zum unteren Sensorelement 9 größer wird. Obwohl das Material der Lenkerstege nicht-magnetisch ist, d. h. die magnetische Permea­ bilität von nahezu 1 hat, führt dies zu einer Änderung der so­ genannten effektiven Permeabilität. Diese effektive Permeabili­ tät ist der eigentliche Sensoreffekt beim erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer 25.

Die Änderung dieser effektiven Permeabilität bewirkt eine Impe­ danzänderung der Spulen 8, 9 und kann nun in einer Brücken­ schaltung, z. B. mittels Wheatstone-Brücke, ausgewertet werden. Erfindungsgemäß ist es jedoch vorteilhaft, das Sensorelement 8, 9 als frequenzbestimmendes Glied einer zum Aufnehmer (25) gehörenden Oszillatorschaltung 10, 11 zu verwenden. In diesem Fall bewirkt die Änderung der Impedanz eine Änderung der Frequenz dieses Oszillators. Dies hat den Vorteil, daß zur Digitalisierung der Meßgröße kein Analog-Digital-Wandler, sondern nur ein Zähler benötigt wird. Eine Ableitung dieses Zusammenhangs sowie die Definition der effektiven Permeabilität ist aufgeführt in: F. Förster, K. Stambke, Theoretische und ex­ perimentelle Grundlagen der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, Metallkunde, 45 (1954), Heft 4, S. 166 ff.

Ein weiteres vorteilhaftes zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftmeßzelle 25′ ist in Fig. 2 dargestellt. Teile mit gleichen Funktionen wie bei dem in Fig. 1 darge­ stellten Kraftaufnehmer 25 sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Unterschiede zu dem in Fig. 1 beschriebenen Kraft­ aufnehmer 25 bestehen in folgender Ausgestaltung: Der Kraftauf­ nehmer 251 enthält einen zusätzlichen Mittelsteg 12, der über einen Schwächungsbereich 13 an den Krafteinleitungsteil 5 des Kraftaufnehmers 25′ angekoppelt ist. Die Sensorelemente 8, 9 sowie die zugehörigen Oszillatorschaltungen 10, 11 sind nun so auf den Trägern 7′, 7 angeordnet, daß die Sensorelemente 8, 9 dem Mittelsteg 12 zugewandt sind. Bei Belastung des Kraftauf­ nehmers 25′ mit der Kraft F ändert sich nun der Abstand a, a′ der Sensorelemente 8, 9 zum Mittelsteg 12 in vergleichbarer Weise, wie in der Beschreibung zu Fig. 1 dargestellt, was wie­ derum zur besagten Änderung der effektiven Permeabilität führt.

Der Kraftaufnehmer 25′ ist in der äußeren Form etwas kompli­ zierter als der Kraftaufnehmer 25, hat aber den Vorteil, gegen Torsionsbelastungen unempfindlicher zu sein, weil der Meßvor­ gang mittig zur Längsachse des federnden Kraftaufnehmers 25′ am Mittelsteg 12, d. h. in dessen neutraler Faser, stattfindet.

Eine weitere dritte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Kraftmeßzelle ist in den Fig. 3 und 3a dargestellt. Diese Ausführung ist im Vergleich zu Fig. 1 und 2 vereinfacht und enthält nur ein Sensorelement 8 mit einer Oszillatorschaltung 10. Die beiden Teile 8, 10 sind außerhalb des Kraftaufnehmers 25′′ auf dem Basisträger 24 befestigt (Fig. 3) bzw. außenlie­ gend am Kraftaufnehmer 25′′ (Fig. 3a), wobei dann der Basisträ­ ger 24 als signalgebendes Teil fungiert. Der Kraftaufnehmer 25′′ ist bei dieser Ausführungsvariante gemäß den Fig. 3 und 3a sehr niedrig und bringt deshalb den Vorteil einer außeror­ dentlich flach bauenden Kraftmeßzelle.

Wie bei den beiden Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 än­ dert sich auch hier bei Belastung des Kraftaufnehmers 25′′ der Abstand a. Die später in den Fig. 5, 6 beschriebene Auswer­ tung des Meßsignals erfolgt jedoch bei dieser Ausführung nur über einen Kanal. Dadurch tritt hier eine vergrößerte Null­ punktdrift und Temperaturempfindlichkeit auf. Die Anforderungen an die Genauigkeit können deshalb bei dieser Ausführung nicht so hoch gestellt werden.

Fig. 3a macht überdies deutlich, daß das Sensorelement sowohl ortsfest bei bewegtem signalbildenden Teil verwendbar ist und genauso gut bei feststehendem signalgebenden Teil am bewegten Teil des Kraftaufnehmers angeordnet werden kann. Dies gilt nicht nur für diese spezielle Ausführungsform, sondern gene­ rell. Fig. 3a zeigt überdies (wiederum allgemeingültig für al­ le Ausführungsbeispiele) die Integration von Spule 8 und Oszil­ latorschaltung 10 auf einem gemeinsamen Keramiksubstrat 26.

Der Federkörper der erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer 25, 25′, 25′′ ist in den Fig. 1, 2′ 3 beispielhaft jeweils in Form einer Parallelogramm-Doppelfeder ausgeführt. Ebenso sind natür­ lich einfache Federkörper in Form einer Biege-Blattfeder denk­ bar.

Um eine gute Langzeitstabilität der Kraftmeßzelle 1 zu gewähr­ leisten, können die Sensorelemente 8, 9 als flache Spulen in Dünnschichttechnik oder Folientechnik auf einem Keramik- oder Glasträger ausgeführt werden. Umgebungsbedingte Änderungen der Induktivität z. B. durch Quellen des Trägers bei Änderungen der Umgebungsfeuchtigkeit können so verhindert werden. Die Verwen­ dung flacher Spulen mit einer Anordnung im Kraftaufnehmer, wie in den Fig. 1, 2, 3 gezeigt, sowie die Ausbildung des fe­ dernden, einstückigen Kraftaufnehmers 25, 25′, 25′′ als Paral­ lelogramm gewährleisten auch kleine, temperaturbedingte Null­ punktsfehler durch das günstige Orthogonalitätsprinzip (siehe Kochsiek, Handbuch des Wägens, Vieweg Verlag 1989, Seite 128).

Eine weitere Verbesserung der Nullpunktsstabilität der Kraft­ meßzelle 1 läßt sich durch folgende Maßnahme erzielen:

Die beiden Sensorelemente 8, 9 werden zusammen mit den zugehö­ rigen Oszillatorschaltungen 10, 11 so betrieben, daß zwei ge­ genläufige Frequenz-Kraft-Kennlinien 22, 23 entstehen, die sich innerhalb des Lastbereichs der Kraftmeßzelle 1 nicht überkreu­ zen. Dies wird durch geeignete Auslegung der Oszillatorschal­ tungen 10, 11 erreicht, z. B. mittels entsprechender Dimensio­ nierung der frequenzbestimmten Kapazität 17.

Solche Kennlinien sind in Fig. 4 beispielhaft dargestellt, wo­ bei Kennlinie 22 dem Sensor/Oszillator-Paar 8, 10 und Kennlinie 23 dem Paar 9, 11 zugeordnet ist.

Die Ausgangssignale der beiden Oszillatoren werden, wie in Fig. 5 dargestellt, einem multiplikativen Mischer 14 zugeführt, der (mathematisch gesehen) das Produkt der beiden Ausgangsspan­ nungen bildet (siehe z. B. Bronstein-Semendjajew, Taschenbuch der Mathematik, Deutsch-Verlag, S. 157).

Demnach entstehen am Ausgang dieses Mischers 14 Signale mit Frequenzen, die der Summe und der Differenz der Einzelfrequen­ zen der beiden Oszillatoren 10, 11 entsprechen. Ein Tiefpaßfil­ ter 15 hält die Komponente mit der Summenfrequenz zurück und läßt nur die Komponente mit der Differenzfrequenz passieren; letztere Komponente ist nun das eigentliche Ausgangssignal 21 der Kraftmeßzelle 1, wobei die (Differenz-)Frequenz die Meßin­ formation beinhaltet. Bei der Weiterverarbeitung der Differenz­ frequenz werden die durch Temperaturänderungen bedingten Null­ punktdriften der Kraftmeßzelle 1 in erster Näherung eliminiert, da die Nullpunktsdriften die Kennlinien beider Oszillatoren 10, 11 gleich beeinflussen und somit bei der Differenzbildung her­ ausfallen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft die Verbesserung der Langzeitstabilität der Empfindlichkeit der beschriebenen induk­ tiven Kraftmeßzelle 1 mit frequenzanalogem Ausgangssignal 21. Während die induktiven Sensorelemente 8, 9 durch Verwendung von Dünnschicht-, Dickschicht- oder Folientechnik mit ausreichender Langzeitstabilität hergestellt werden können, ist dies bei den frequenzbestimmten Kapazitäten der Oszillatorschaltungen 10, 11 wesentlich schwieriger. Die Langzeitstabilität der Empfindlich­ keit kann jedoch über eine automatisch durchführbare Nachkali­ brierung der Kraftmeßzelle 1 verbessert werden.

Das Prinzip dieser Nachkalibrierung ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Es zeigt beispielhaft eine Oszillatorschaltung 10, 11 der Kraftmeßzelle 1 mit der frequenzbestimmten Kapazität 17 sowie den für die Nachkalibrierung notwendigen elektrischen Komponenten 18, 19, 20. Weitere in Fig. 6 dargestellte, aber nicht mit Positionsnummer gekennzeichnete elektrische Komponenten entsprechen einer üblichen kapazitiven Dreipunkt­ schaltung. Die Oszillatorschaltung 10, 11 ist mit dem Sensor­ element 8, 9 elektrisch verbunden.

Im normalen Wägebetrieb ist der Schalter 20 geschlossen, d. h. die Frequenz des Oszillators wird durch die Induktivität des Sensorelements 8, 9 und die Kapazität 17 bestimmt. Für die Nachkalibrierung wird nun in bestimmten Zeitabständen in der Ruhephase der Kraftmeßzelle 1 der Schalter 20 durch den nicht dargestellten, bei gattungsgemäßen Geräten üblichen Mikropro­ zessor geöffnet. Hierbei kommt es zu einer Änderung der effek­ tiven Induktivität der Serienschaltung der Elemente 8, 9, die bei geeigneter Auslegung der Zusatzinduktivität 18 und des Hilfswiderstandes 19 gleich wirkt wie die Änderung der effekti­ ven Permeabilität durch den Meßeffekt selbst, d. h. die dadurch erzeugte Frequenzänderung entspricht der durch ein bestimmtes Gewicht, mit dem die Kraftmeßzelle 1 belastet wird, hervorgeru­ fenen Frequenzänderung. Diese Frequenzänderung kann daher zur Nachkalibrierung des Oszillators des Aufnehmers verwendet wer­ den, um Fehler durch nicht ausreichende Langzeitstabilitäten der frequenzbestimmten Kapazität 17 zu verringern.

Claims (19)

1. Kraftmeßzelle mit einem elastisch verformbaren Kraftauf­ nehmer zur Aufnahme der Gewichtskraft und einer indukti­ ven Sensoranordnung zur Erfassung der Kraftaufnehmer- Verformung und deren Umwandlung in ein elektrisches Wä­ gesignal, wobei die Sensoranordnung mindestens ein in­ duktives Sensorelement umfaßt, welches benachbart zum Krafteinleitungsteil des Kraftaufnehmers gegenüber einem signalgebenden Teil so angeordnet ist, daß sich bei Be­ lastung des Krafteinleitungsteils mit der Kraft F eine von dieser Kraft abhängige Änderung des Abstandes (a; a′) zwischen dem Sensorelement und dem signalgebenden Teil aufgrund der elastischen Verformung des Kraftauf­ nehmers ergibt, welche von dem Sensorelement erfaßt und in das elektrische Wägesignal umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnete daß der Kraftaufnehmer (25; 25′; 25′′) aus nicht-magnetischen, elektrisch leitendem Material hergestellt ist und daß die Sensoranordnung eine Ände­ rung der effektiven Permeabilität des Sensorelements (8) aufgrund eines Wirbelstromeffektes und eine dadurch be­ wirkte Änderung der Impedanz in einer Sensorele­ ment-Spule zur Erfassung der Kraftaufnehmer-Verformung nutzt.

2. Kraftmeßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer (25, 25′, 25′′) ein Biegestab- Kraftaufnehmer mit Parallelogrammführung des Kraftein­ leitungsteils (5) ist.

3. Kraftmeßzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (8) ortsfest ange­ ordnet ist.

4. Kraftmeßzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (8) am Kraftein­ leitungsteil (5) gehalten ist.

5. Kraftmeßzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestab-Kraftaufnehmer (25, 25′) einstückig ausgebildet ist und gegebenenfalls einen Träger (6; 7, 7′) zur ortsfesten Halterung des Sensore­ lements (8; 9) umfaßt.

6. Kraftmeßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung einen dem Senso­ relement (8; 9) zugeordneten Oszillator-Schaltkreis (10; 11) umfaßt, welcher vorzugsweise benachbart zu dem Sen­ sorelement angeordnet ist, und daß das Sensorelement in den Oszillator-Schaltkreis als frequenzbestimmende In­ duktivität geschaltet ist.

7. Kraftmeßzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestab-Kraftaufnehmer (25′) innerhalb der Parallelführung einen Mittelsteg (12) um­ faßt, welcher einerseits am feststehenden Ende (4) des Kraftaufnehmers (25′) und andererseits über einen Schwä­ chungsbereich (13) am Krafteinleitungsteil (5) gehalten ist, und daß der Mittelsteg (12) entweder das signalge­ bende Teil bildet oder das Sensorelement (8) trägt.

8. Kraftmeßzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelsteg (12) in der Längsmittelachse des Bie­ gestab-Kraftaufnehmers (25′) in dessen neutraler Faser­ zone angeordnet ist.

9. Kraftmeßzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensorelemente (8, 9) und zwei Oszillator-Schaltkreise (10, 11) vorhanden sind, welche mit zwei verschiedenen signalgebenden Tei­ len zusammenwirken.

10. Kraftmeßzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand a zwischen dem Sensorelement (8; 9) und dem zugehörigen signalgebenden Teil der Beziehung (1) genügt a < 0,1 · d (1)wobei d die maximale Ausdehnung des Sensorelementes be­ deutet.

11. Kraftmeßzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Sensorelement (8; 9) in Dünnschicht- oder Folientechnik auf einem Trä­ ger, vorzugsweise aus Keramik oder Glas, aufgebracht ist.

12. Kraftmeßzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (8; 9) und der zu­ gehörende Oszillator (10; 11) auf einem gemeinsamen Trä­ gerelement (26), vorzugsweise aus Keramik oder Glas, aufgebracht sind.

13. Kraftmeßzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (8; 9) und der zugehörende Oszil­ lator-Schaltkreis (10; 11) auf dem Trägerelement (26) in Dickschicht-Technik aufgebracht sind.

14. Kraftmeßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensorelemente (8, 9) vorhanden sind, wobei die jeweils zugehörigen Oszillator-Schal­ tungen (10, 11) unterschiedliche frequenzbestimmende Ka­ pazitäten aufweisen, derart, daß zwei gegenläufige Fre­ quenz-Kraft-Kennlinien erhalten werden, welche sich in­ nerhalb eines vorgegebenen Lastbereichs nicht überkreu­ zen.

15. Kraftmeßzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Oszillator-Schaltungen (10; 11) einem multiplikativen Mischer (14) und danach einem Tiefpaßfilter (15) zugeführt werden.

16. Kraftmeßzelle nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Oszillator-Schaltkreis eine Zusatzin­ duktivität (18), einen Hilfswiderstand (19) und einen Schalter (20) umfaßt.

17. Kraftmeßzelle nach einem der Ansprüche 14 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter so ausgebildet ist, daß mit dem Öffnen des Schalters (20) eine Frequenzverstimmung der Oszilla­ tor-Schaltung (10; 11), welche zur Eigenkalibrierung der Kraftmeßzelle geeignet ist, erzeugbar ist.

18. Kraftmeßzelle nach Anspruch 16 oder 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zusatzinduktivität (18), der Hilfswiderstand (19) und der Schalter (20) auf dem Trägerelement (26) des Sensorelements (8; 9) angeordnet sind.

19. Verwendung einer Kraftmeßzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 in einer Waage, insbesondere einer eichfähigen Waage.