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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Kraftsensor, insbesondere
zum Messen der Beladung von Aufzugkabinen.
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Bekanntlich sind die derzeitigen dem europäischen Standard
entsprechenden Aufzüge mit einem Mikroschalter aufweisenden
Beladungs-Wägesystem ausgestattet. Die Beladung der Kabine staucht in
veränderlicher Weise die Isolierdämpfer der Kabine, und ein
Bodenbelag-Träger der Kabine betätigt dabei die Schalter, die in
vorbestimmter Weise abhängig von den zunehmend größer werdenden
Schwellenwerten der Ladung angeordnet sind. Die Kontaktstellung dieser
Schalter liefert also Information über die Beladung der Kabine. Dennoch
weist ein derartiges System verschiedene Unzulänglichkeiten auf, die im
wesentlichen in der Schwierigkeit der vor Ort vorzunehmenden
Justierung, der Meßungenauigkeit entsprechend den Beladungsstufen und
der erheblichen Empfindlichkeit der Kabinen-Isolierblöcke bezüglich
Temperatur und Alterung liegen.
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Die Erfindung soll diese Unzulänglichkeiten beheben, und Ziel der
Erfindung ist ein insbesondere für die Messung der Aufzugkabinenladung
vorgesehener Kraftsensor, der einfach und billig herstellbar ist, sich
leicht an die Kabinentypen - isoliert, oder nicht isoliert - anpassen läßt,
der im Werk justierbar ist und einfach montiert werden kann, der robust
ist und wenig Platz beansprucht, und der bei der Messung der
Kabinenbeladung eine gute Genauigkeit aufweist.
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Aus der FR-A-2 726 646 der Anmelderin ist ein Meßaufnehmer zum
Messen der Beladung von Aufzugkabinen bekannt, der die Form eines
elastisch verformbaren zylindrischen Gehäuses hat, welches eine
Vorrichtung mit Zahnringen zur Verformung einer optischen Faser
aufnimmt, deren veränderliche Lichtdurchlässigkeit eine Funktion der
Verformung des Gehäuses ist und ein Maß für die Beladung der
Aufzugkabine liefert. Diese Aufnehmervorrichtung ist zwischen dem
Boden der Kabine und dessen Unterbau gelagert. Dennoch mangelt es
dieser Vorrichtung an Zuverlässigkeit, da die altersbedingte Ermüdung
der Faser einen Bruch des Fasermantels hervorruft und seine weitere
Brauchbarkeit beeinträchtigt.
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Die Erfindung soll insbesondere die Zuverlässigkeit eines derartigen
Aufnehmers verbessern und seine Fertigung weniger aufwendig machen.
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Folglich wird durch die vorliegende Erfindung ein Kraftsensor
vorgeschlagen, insbesondere zum Messen der Beladung von
Aufzugkabinen, umfassend ein zylindrisches starres Stahlgehäuse
geringer Höhe und mit seiner Oberseite und seiner Unterseite einstückig
mit dem Boden der Kabine bzw. dem Boden-Unterbau, wobei das
Gehäuse eine elastische Verformbarkeit in der Weise aufweist, daß die
Höhe seiner Oberseite in Bezug auf seine Unterseite in Abhängigkeit der
der auf sie aufgebrachten Belastung variiert, dadurch gekennzeichnet,
daß er mindestens ein plättchenförmiges Teil aufweist, welches unter der
Oberseite des Gehäuses und quer zu dieser verlaufend fixiert ist, wobei
dieses Plättchen eine Lichtstrahlbündel-Durchlaßöffnung aufweist, die
sich zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor in fester
Relativlage bezüglich der Unterseite des Gehäuses befindet, wobei der
Lichtdetektor das durch die Öffnung hindurch gelangte Lichtstrahlbündel
mißt, welches sich als Funktion der Verlagerung des plättchenförmigen
Teils relativ zu der Unterseite des Gehäuses verändert, und daß eine
elektronische Signalverarbeitungseinheit das von dem Lichtdetektor
emittierte Signal verarbeitet, um die auf die Oberseite des Gehäuses
aufgebrachte Belastung zu ermitteln.
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Natürlich erfolgt das Ermitteln der auf den Sensor aufgebrachten
Belastung anhand eines Vergleichs der Veränderung des durchgelassenen
Strahlbündels mit Meßwertkennlinien.
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Das Plättchen hat vorteilhafterweise die Form eines L und ist mit dem
langen Schenkel an der Oberseite des Gehäuses fixiert, während der
kürzere Schenkel mit der Öffnung ausgestattet ist, die sich an einer Stelle
etwa mittig unterhalb der Oberseite und zu dieser quer verlaufend
befindet.
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Das Plättchen läßt sich auf einen veränderlichen Abstand des quer
verlaufenden Schenkels in Bezug auf die Oberseite einjustieren,
beispielsweise mit Hilfe einer Schraube, die mit der Platte der Oberseite
in Eingriff steht und sich mit einem Ende an den langen Schenkel des
Plättchens anlegt. Diese Einjustierung ermöglicht das Einstellen des
Durchtritts des Lichtstrahlbündels durch die Öffnung in dem Plättchen.
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Bei der Öffnung handelt es sich um einen horizontalen Längsschlitz
(parallel zu der Ebene der Oberseite).
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Zweckmäßigerweise sind die optischen und elektronischen Emitter- und
Detektorbauteile der Verarbeitungseinheit im Inneren des Gehäuses
untergebracht, beispielsweise sind sie auf der Platte der Unterseite des
Gehäuses oder an der Platte der elektronischen Platine in der Nähe der
Unterseite gelagert.
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Bei der Lichtquelle handelt es sich vorteilhafterweise um eine
Leuchtdiode (LED), bei dem Lichtdetektor um eine dazu passende
Fotodiode.
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Der Lichtdetektor kann außerdem mindestens zwei Fotodioden
aufweisen, die benachbart zueinander angeordnet sind und jeweils einen
Teil des durch die Öffnung in dem Plättchen hindurchgetretenen
Lichtstrahlbündels fangen. Der Unterschied in der Beleuchtung der
Fotodioden, der sich als Funktion der Lage des Plättchens ändert, wird
von der Verarbeitungseinheit analysiert, um anhand eines Vergleichs mit
Referenz-Meßwertkurven die auf den Sensor aufgebrachte Belastung zu
ermitteln.
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Der Lichtdetektor kann außerdem aus einem fotoempfindlichen
Bauelement eines Bautyps bestehen, der die Lage der Lichtstrahlbündel-
Auftreffstelle direkt mißt.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Diagramm eines erfindungsgemäßen Sensors mit seinen
optischen Bauteilen,
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Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines
erfindungsgemäßen Sensors,
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Fig. 3 ein schematisches Beispiel der Elektronikschaltung einer
Verarbeitungseinheit des Sensors.
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Der erfindungsgemäße Kraftsensor, der in Fig. 2 dargestellt ist, ist zur
Messung der Beladung von Aufzugkabinen ausgebildet. Er befindet sich
zwischen dem Boden (1) der Kabine und deren Bodenträger (3),
gegebenenfalls auf einem Isolierdämpfer (5) aus einem Material auf
Kautschukbasis gelagert. Er besitzt ein zylindrisches Gehäuse (7) aus
Stahl geringer Höhe (0,5 bis 1,5 cm), welches von einer kreisförmigen
abnehmbaren unteren Platte (9) verschlossen ist, die mit dem Dämpfer
(5) vereint ist (durch Kleben oder Vulkanisieren). Der Körper des
Gehäuses (7) ist fest an der unteren Platte (9) mit Hilfe von drei
Schrauben (11) angebracht, die gegeneinander um 120º versetzt am
Umfang angeordnet und in diesen eingeschraubt sind. Die Kabine ruht
auf der Oberseite (13) an einer mittleren Stelle über einen verdickten
kreisförmigen Bereich (15). Diese Seite senkt sich in veränderlicher
Weise proportional zu dem Betrag der Belastung der Kabine in Richtung
der unteren Platte (9), und sie spielt die Rolle des vorgenannten elastisch
verformbaren Elements, dessen Abmessung, Materialauswahl und Dicke
die Biegesteifigkeit bei der Zurückstellung nach oben in Richtung der
Oberseite des Gehäuses beeinflussen. Der verdickte Bereich (15) der
Oberseite des Gehäuses ist mit einem unten anschließenden Innenring
(17) ausgestattet, der über seine bezüglich des Gehäuses koaxiale
Gewindebohrung eine (nicht dargestellte) Schraube zur Befestigung an
der Kabine aufnimmt. Das untere Ende des Rings (17) ist von der
unteren Platte (9) mit einem gewissen Funtionsspielraum beabstandet, der
dem maximal zulässigen Versatz der Oberseite (13) des Gehäuses nach
unten entspricht. Dabei dient er als Anschlag, der den Sensor im Rahmen
seiner Nenn-Aufnahmefähigkeit schützt.
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Die optischen Bauelemente des Sensors sind in Fig. 1 näher dargestellt.
Sie bestehen aus einem Plättchen (19), welches an der oberen Platte (13)
des Gehäusekörpers fixiert ist, einer Leuchtdiode (LED) (21) und einer
Anordnung aus zwei Fotodioden (23). Die Leuchtdiode (21) und die
Fotodioden (23) sind fest an einer Elektronikplatine (25) in geringem
Abstand von der unteren Platte (9) des Gehäuses gelagert. Das Plättchen
(19) hat die Form eines L und ist mit seinen langen Schenkeln (19') an
der oberen Platte (13) des Gehäuses fixiert. Sein kurzer Schenkel (19")
nimmt eine vertikale Stellung ein, etwa mittig in Bezug auf die obere
kreisförmige Platte (13). Dieser kurze Schenkel (19") ist mit einer
Öffnung oder einem horizontalem Längsschlitz (27) in seinem mittleren
Bereich ausgestattet, der sich zwischen der Leuchtdiode (21) und der aus
den beiden Fotodioden (23) bestehenden Anordnung mit geringem
Abstand von diesen beiden befindet. Die Öffnung (27) befindet sich etwa
in der mittleren Horizontalebene der Leuchtdiode (21) und der aus den
beiden Fotodioden (23) bestehenden Anordnung, die sich auf derselben
Seite des Rings (17) und in dessen Nähe befindet. Das Plättchen (19) ist
an der oberen Platte (13) des Gehäusekörpers über eine Schraube (29)
befestigt, die in das äußere Ende des langen Schenkels (19') eingesetzt
ist. Eine Justierschraube (31) ist in der oberen Platte (13) aufgenommen,
sie steht mit ihrem Ende in Berührung mit dem Plättchen an einer Stelle
in der Nähe des vertikalen Schenkels (19"). Diese Schraube (31) wird
mehr oder weniger stark verstellt, entsprechend dem Justier-Erfordernis
für die vertikale Positionierung der Öffnung relativ zu der Leuchtdiode
und der Fotodiodenanordnung. Im Betrieb des Sensors verlagert sich das
Plättchen (19) vertikal in Abhängigkeit der Bewegung des oberen Bodens
(13) des Gehäuses, und dementsprechend verlagert sich die Öffnung (27)
des kurzen Schenkels in vertikaler Richtung entsprechend dem mittleren
Teil der oberen Platte (13) des Gehäuses, während die übrigen optischen
Elemente, die Leuchtdiode (21) und die Fotodioden (23), in ihrer
ortsfesten Lage auf ihrer Halterung verharren. Das Lichtstrahlbündel, das
von der Leuchtdiode (21) emittiert und zu den Fotodioden (23) durch die
Öffnung (27) hindurch übertragen wird, ändert sich also in Abhängigkeit
der relativen Lage der Öffnung und der feststehenden horizontalen
Mittelebene der Leuchtdiode und der beiden Fotodioden.
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Die elektronische Signalverarbeitungseinheit zum Verarbeiten des
elektrischen Spannungssignals am Ausgang der Fotodioden, deren
Bauteile ebenfalls auf der Elektronikplatine (25) angeordnet sind,
ermöglicht das Ermitteln der Differenz in der Beleuchtung der
Fotodioden, die sich in der Abhängigkeit der Lage des Plättchens ändert,
und das Ermitteln der Verformung der oberen Platte des Gehäuses durch
Vergleich mit einer Referenzwertkurve, und damit das Ermitteln der auf
den Sensor aufgebrachten Kraft.
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Die elektronische Verarbeitungseinheit wird im folgenden anhand der
Fig. 3 erläutert. Sie enthält zwei Zweige I&sub1; und I&sub2; entsprechend den
Stromausgängen I&sub1; und I&sub2; der Fotodioden (23), wobei jeder Zweig einen
Strom-Spannungs-Wandler enthält. Diese Wandler können aus einem
Operationsverstärkermodul AOp bestehen, dessen beide
Spannungsausgänge V&sub1; und V&sub2; mit einem Subtrahiermodul A verbunden
sind, dessen Verstärkungsmaß an die Empfindlichkeit des Systems
angepaßt ist. Die Ausgangsspannung VS ist proportional zur Differenz
der Spannungen V&sub1; und V&sub2;, bei der es sich um eine Funktion der
Beleuchtung der Fotodioden (23) handelt, also eine Funktion des
Versatzes des Plättchens und dessen Öffnung, folglich der auf den Sensor
aufgebrachten Kraft.
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Natürlich kann man in einem spezifischen Anwendungsfall bei einem
Aufzug zwei, vier oder noch mehr derartige Sensoren verwenden, die
geschickt angeordnet werden können, um einen bekannten Bruchteil der
Beladung der Kabine aufzunehmen. Die Beladung der Kabine wird
folglich dadurch gewonnen, daß man die von jedem der Sensoren der
Kabine abgegebenen Werte aufsummiert.
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Man sieht, daß der erfindungsgemäße Kraftsensor aufgrund seiner
erheblichen Zuverlässigkeit und seiner relativ geringen Kosten im
Vergleich zu Dehnungsmessaufnehmern in vorteilhafter Weise
Anwendung findet bei der Messung von Druck, bei Manometern,
beispielsweise Manometern mit einem Plättchen, welches mit einer
elastischen Membran zusammenhängt, beim Messen der Verformung von
Teilen allgemein, bei der Stellungsmessung, außerdem die Möglichkeit
einer direkten Kontrolle oder Steuerung durch integrierte Elektronik
bietet, falls vorhanden.