LU83598A1

LU83598A1 - EVALUATION DEVICE FOR FORCE GAUGES WITH A PRELOADED RESTRICTED STRING, SWINGING STRING

Info

Publication number: LU83598A1
Application number: LU83598A
Authority: LU
Inventors: P Weber
Original assignee: Mettler Instrumente Ag
Priority date: 1981-09-02
Filing date: 1981-09-02
Publication date: 1982-01-20

Description

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Auswerteeinrichtung für Kraftmesser mit einer vorgespannten, biegesteifen querschwingenden Saite 5 Die Erfindung betrifft eine Auswerteeinrichtung für Kraftmesser mit einer vorgespannten, biegesteifen, querschwingenden Saite, deren Schwingungsfrequenzänderung unter dem Einfluss einer die Spannung der Saite verändernden Kraft ein Mass für die Grösse dieser Kraft ist, mit einer elek-10 tronischen Recheneinheit, die dass Mass der kraftabhängi gen Schwingungsfrequenz der Saite in ein der Kraft wenigstens annähernd proportionales elektrisches Signal für die Kraftanzeige umsetzt. Solche Kraftmesser werden vornehmlich als selbständige Baueinheit hergestellt und z.B. in Waagen 15 eingesetzt.The invention relates to an evaluation device for dynamometers with a pretensioned, rigid, transversely vibrating string, whose change in oscillation frequency under the influence of a force changing the tension of the string is a measure of the magnitude of this force, with a electronic tronic computing unit, which converts the measure of the force-dependent oscillation frequency of the string into an electrical signal for the force display which is at least approximately proportional to the force. Such dynamometers are primarily manufactured as an independent unit and e.g. used in scales 15.

Infolge des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Schwingungsfrequenz der Saite und der sie spannenden Kraft bietet die Auswertung der Kraftmessung bei Einsaiten-Kraft-20 messern erhebliche Schwierigkeiten, insbesondere wenn der Messwert durch direktes Zählen der Saitenfrequenz abgenommen und digital dargestellt werden soll, wie das bei Saitenwaagen üblich ist.As a result of the non-linear relationship between the oscillation frequency of the string and the force that excites it, the evaluation of the force measurement with single-string force meters offers considerable difficulties, especially if the measurement value is to be taken and counted digitally by directly counting the string frequency, as is usual with string scales is.

25 Es wurde bereits versucht, die Abhängigkeit der Frequenzänderung von der Grösse der zu messenden Kraft durch zusätzliche kraftausübende Mittel, z.B. durch Magnete, im Sinne einer Linearisierung zu korrigieren, wie das in der DE-OS 2219727 beschrieben ist.25 Attempts have already been made to determine the dependence of the frequency change on the magnitude of the force to be measured by additional force-exerting means, e.g. using magnets to correct in the sense of linearization, as described in DE-OS 2219727.

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Mit der vorliegenden Erfindung ist beabsichtigt, die angestrebte Linearisierung auf anderem Wege zu erreichen, so dass auf zusätzliche kraftausübende Mittel verzichtet werden kann und durch solche Mittel möglicherweise verursach-35 te Störeinflüsse vermieden werden.The aim of the present invention is to achieve the desired linearization in a different way, so that additional force-exerting means can be dispensed with and interference which may be caused by such means can be avoided.

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Bekanntlich gilt für die Beziehung zwischen der Kraft K und der Schwingungsfrequenz f einer biegeschlaffen Saite der Ansatz:As is known, the following applies to the relationship between the force K and the oscillation frequency f of a flexible string:

K-vf2 IK-vf2 I

5 Davon ausgehend wird für eine biegesteife Saite diese Beziehung im allgemeinen durch eine Näherungsformel in Form nachstehender Potenzreihe zum Ausdruck gebracht:5 Based on this, this relationship is generally expressed for a rigid string by an approximation formula in the form of the following power series:

K~a^f + a2f2 + a^f^ + a^f^.... IIK ~ a ^ f + a2f2 + a ^ f ^ + a ^ f ^ .... II

10 wobei a^, a^, a^, a4 usw. im we^entliehen die Natur der Saite charakterisierende Koeffizienten sind. Erfahrungsgemäss sind nun aber diese Koeffizienten von durch die Herstellung der Saite bedingten Abweichungen ihrer mechani-15 sehen Eigenschaften verhältnismässig stark abhängig, was die Auswertung der Messergebnisse insofern erschwert, als für jede einzelne Saite diese Koeffizienten ermittelt werden müssen. Praktisch sind zu diesem Zweck an der Auswerteeinrichtung entsprechende Einstellmittel vorzusehen. Bei 20 Vernachlässigung dieser Abhängigkeit der Koeffizienten würden sich unter Berücksichtigung der für solche Saiten üblichen Herstellungstoleranzen in einem weiten Anwendungsbereich dieses Kraftmessers zu grosse Messfehler ergeben.10 where a ^, a ^, a ^, a4 etc. in we ^ borrowed are the coefficients characterizing the nature of the string. Experience has shown, however, that these coefficients are relatively heavily dependent on deviations in their mechanical properties caused by the production of the string, which complicates the evaluation of the measurement results insofar as these coefficients have to be determined for each individual string. Appropriate adjustment means are to be provided on the evaluation device for this purpose. If this dependency of the coefficients is neglected, taking into account the manufacturing tolerances customary for such strings would result in measurement errors that are too large in a wide range of use of this force meter.

Auch eine für die rechnerische Auswertung notwendige Ver-25 einfachung der Näherungformel II durch Weglassen von Gliedern höherer Potenz ändert sich nichts an dieser Tatsache.A simplification of the approximation formula II necessary for the computational evaluation by omitting members of higher power does not change this fact.

Im Sinne einer Vereinfachung der Serienherstellung solcher Einsaiten-Kraftmesser ist deshalb eine Lösung anzustreben, 30 die es ermöglicht, eine Auswerteeinrichtung zu schaffen, die keiner Nachjustierung der genannten Art bedarf und mit der, trotz der zu erwartenden Herstellungstoleranzen der Saiten, Messresultate erreichbar sind, die innerhalb der für Kraftmesser dieser Art üblichen Fehlergrenzen liegen.In order to simplify the series production of such single-string force gauges, a solution must therefore be sought that 30 makes it possible to create an evaluation device that does not require readjustment of the type mentioned and with which measurement results can be achieved despite the expected manufacturing tolerances of the strings are within the normal error limits for this type of dynamometer.

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Es wurde nun experimentell gefunden, dass bei einem allgemeinen Ansatz K~fn für die Beziehung zwischen der Kraft K und der Schwingungsfrequenz f die mechanischen Eigenschaften einer biegesteifen Saite besser berücksichtigt werden, 5 wenn für den Exponenten n ein Wert eingesetzt wird, der Etwas grösser als 2 ist. Im Rahmen der praktisch brauchbaren Saitendimensionen kann dieser Wert variieren, im Extremfall aber nicht mehr als 2,3 betragen. Für eine Saite mit einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von 60 bei-10 spielsweise wird vorzugsweise n = 2,1 gesetzt.It has now been found experimentally that with a general approach K ~ fn for the relationship between the force K and the oscillation frequency f the mechanical properties of a rigid string are better taken into account, 5 if a value is used for the exponent n which is somewhat greater than 2 is. This value can vary within the scope of the practically usable string dimensions, but in extreme cases it cannot be more than 2.3. For a string with a length / diameter ratio of 60 at -10, for example, n = 2.1 is preferably set.

Die Erfindung besteht nunmehr darin, dass bei einer Auswerteeinrichtung der eingangs genannten Art die Recheneinheit zur wenigstens näherungsweisen Auswertung der mathe-15 matischen Funktion K^fn ausgebildet ist, wobei der Exponent n grösser als 2, aber nicht grösser als 2,3 ist.The invention now consists in the fact that in an evaluation device of the type mentioned at the outset, the computing unit is designed for at least approximate evaluation of the mathematical function K ^ fn, the exponent n being greater than 2 but not greater than 2.3.

Es ist also lediglich die Recheneinheit jeweils entsprechend dem für den Kraftmesser verwendeten Saitentyp aus-20 zubilden, um das gewünschte Ziel zu erreichen, wobei der jeweils massgebende Wert für den Exponenten experimentell zu ermitteln ist. Aus dem allgemeinen Ansatz K-vfn lässt sich für jeden Wert von n eine Näherungsformel ableiten, die eine mathematisch einfache Auswertung ermöglicht und 25 den Fachmann in den Stand setzt, die elektronische Recheneinheit danach aufzubauen.It is therefore only necessary to form the computing unit in each case in accordance with the string type used for the dynamometer in order to achieve the desired goal, the relevant value for the exponent being to be determined experimentally. From the general approach K-vfn, an approximation formula can be derived for each value of n, which enables a mathematically simple evaluation and enables the person skilled in the art to then build up the electronic computing unit.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird vom Ansatz 2 1 , " K~f ’ ausgegangen. Durch Reihenentwicklung gelangt man 30 zu der nachstehenden Näherungsformel, welche auch für geringfügige Abweichungen des Exponenten von 2,1 anwendbar ist:In a preferred exemplary embodiment, the starting point 2 1, "K ~ f 'is used. By developing the series, one arrives 30 at the following approximation formula, which can also be used for slight deviations of the exponent of 2.1:

K~f2(c + f/f ). IIIK ~ f2 (c + f / f). III

35 Darin bedeutet f^ die Schwingungsfrequenz im unbelasteten - 5 - k35 Here f ^ means the oscillation frequency in the unloaded - 5 - k

Zustand der Saite (K = 0) und C eine die physikalischen Eigenschaften der Saite beinhaltende Konstante.Condition of the string (K = 0) and C a constant containing the physical properties of the string.

Da nach den Untersuchungsergebnissen die Konstante C, 5 ebenso wie der Exponent n, durch die Saitenparameter nur wenig beeinflusst wird, stellt die Formel III eine ausgezeichnete Linearisierungsfunktion dar, da sie im Gegensatz zur Formel II keine präexponentielle, der Saitencharakteristik anzupassende, Faktoren aufweist.Since, according to the results of the investigation, the constant C, 5, like the exponent n, is only slightly influenced by the string parameters, the formula III represents an excellent linearization function since, in contrast to the formula II, it has no pre-exponential factors to be adapted to the string characteristics.

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Dadurch ergeben sich in bezug auf die Auswertung beispielsweise bei Einsaiten-Kraftmessern für Waagen erhebliche Vorteile. Der unbelastete Zustand einer Saitenwaage wird vorzugsweise dadurch erkennbar gemacht, dass die Schwin-15 gungsfrequenz f^ mechanisch auf einen festen Wert eingestellt wird. Durch diese, meist aus eichtechnischen Gründen erforderliche Grundeinstellung ist die Konstanz der Grösse Îq in der Formel III gewährleistet. Ein nachträglicher Nullabgleich an der Auswerteeinrichtung ist daher nicht 20 notwendig. Bei einem gegebenen Kraftmessertyp kann auch für die Grösse C ein fester Wert eingesetzt werden, da die innerhalb der Herstellungstoleranzen zu erwartenden. Abweichungen der mechanischen Eigenschaften der Saite wenig Einfluss auf diese Grösse haben.This results in considerable advantages with regard to the evaluation, for example in single-string force gauges for scales. The unloaded condition of a string scale is preferably made recognizable by mechanically setting the oscillation frequency f ^ to a fixed value. This basic setting, which is usually required for calibration reasons, ensures the constancy of size Îq in Formula III. A subsequent zero adjustment on the evaluation device is therefore not necessary. For a given type of dynamometer, a fixed value can also be used for size C, since those to be expected within the manufacturing tolerances. Deviations in the mechanical properties of the string have little influence on this size.

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Reihenversuche mit Einsaiten-Kraftmessern, die mit einer erfindungsgemässen, zur Auswertung der Formel III ausgebildeten Auswerteeinrichtung ausgerüstet waren, haben „ " ergeben, dass bis zu einer Auflösung von 3000 über den 30 ganzen Messbereich die Messfehler innerhalb der beispielsweise für Ladenwaagen vorgeschriebenen Fehlergrenzen lagen, bei konstanten Werten für C und fQ.Series tests with single-string force gauges, which were equipped with an evaluation device according to the invention, designed for evaluating Formula III, "" have shown that up to a resolution of 3000 over the entire measuring range, the measurement errors were within the error limits prescribed for shop scales, for example constant values for C and fQ.

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Claims

1. Evaluation device for dynamometers with a pretensioned, rigid, cross-vibrating string, the

5 Vibration frequency change under the influence of a force changing the tension of the string is a measure of the magnitude of this force, with an electronic one. ? Computing unit which converts the measure of the force-dependent vibration frequency (f) of the string into an electrical signal for the force display which is at least approximately proportional to the force (K), characterized in that the computing unit for at least approximate evaluation of the mathematical function K 'vf11 is formed', the exponent n being greater than 2 but not 15 greater than 2.3.

2. Evaluation device according to claim 1, characterized in that the exponent n = 2.1.

3. Evaluation device according to claim 1, characterized in that the computing unit is designed to evaluate the approximation formula K ^ f (C + f / fQ), where f ^ is the oscillation frequency in the unloaded state of the string (K = 0) and C. is a constant containing the physical properties of the string.

4. Use of the evaluation device according to one of claims 1 to 3 for single-string scales. > 30 L 35