WO2004039714A1

WO2004039714A1 - Fadenspannungssensor

Info

Publication number: WO2004039714A1
Application number: PCT/DE2003/003434
Authority: WO
Inventors: Rolf Huss; Friedrich Weber
Original assignee: Memminger-Iro Gmbh
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2004-05-13
Also published as: DE10249278A1; AU2003277824A1

Abstract

Zur Messung von Fadenspannungen ist ein Fadenspannungssensor (1) vorgesehen, der ein Biegeelement beispielsweise in Form einer keramischen Platte (17) aufweist. Von dieser erstreckt sich ein Fadenauflageelement beispielsweise in Form eines Keramikrohrs (16) seitlich weg. Auf der Platte (17) sind mehrere Sensorelemente (26) so angeordnet, dass sie eine Biegung der Platte (17) nicht aber eine Verdrehung derselben erfassen, wie sie durch den außermittigen Kraftangriff des Fadens (2) über das Keramikrohr (16) an der Platte (17) auftreten kann. Während die Sensorelemente (26) beispielsweise in Form von Widerständen (R1, R2, R3, R4) in der Biegezone (24) der Platte (17) angeordnet sind, sind Kompensationselemente in Form von Temperaturkompensationswiderständen und Abgleichswiderständen (R5, R6, R7, R8) in einem Teil (25) angeordnet, der einer geringeren Biegung unterliegt als die Biegezone (24). Der Teil (25) ist von dem Sensorsockel (7) weiter entfernt als die Sensorelemente (26), die nahe an den Sensorsockel (7) angeordnet sind.

Description

Fadenspannunσssensor

Die Erfindung betrifft einen Fadenspannungssensor, insbesondere zur Erfassung der Spannung eines textilen Fadens .

Textilmaschinen oder andere Faden verbrauchende oder verarbeitende Maschinen müssen häufig mit Fäden beliefert werden, die unter kontrollierter Spannung stehen. Dazu sind Einrichtungen wie beispielsweise Fadenliefergeräte in Gebrauch, die den Faden kontrolliert liefern und z.B. eine Fadenspannungsregelung ermöglichen. Die Fadenspannungsregelung erweist sich dabei gelegentlich als schwierig. Dies gilt insbesondere, wenn Fäden keine oder nur sehr geringe Zugelastizität aufweisen. Schon die geringsten Abweichungen zwischen Fadenlieferung und Fadenabnahme führen gerade wegen der fehlenden Nachgiebigkeit des Fadens zu Fadenspannungsschwankungen, die vom völligen Zusammenbruch der Fadenspannung (Spannung Null - Durchhängen des Fadens) bis zum Reißen desselben führen können. Das Problem verschärft sich mit zunehmender Arbeitsgeschwindigkeit der Textilmaschinen, die auch eine zunehmende Liefergeschwindigkeit und eine verringerte Reaktionszeit für etwaige Regeleinrichtungen erfordert.

Bei der Konzeption eines Fadenspannungssensors muss darüber hinaus darauf geachtet werden, dass dieser möglichst vielseitig einsetzbar ist, um nicht für jeden einzelnen Anwendungsfall einen gesonderten Sensor gestalten zu müssen. Von erheblicher Bedeutung ist dabei, dass der Fadenspannungssensor den Fadenlauf eg wenig einschränkt, um so den verschiedensten Anwendungsfällen genügen zu können. Der Erfindung liegt deshalb die Suche nach einem vielseitig einsetzbaren Sensorkonzept zu Grunde.

Aus der DE 100 60 043 AI ist ein Fadenspannungssensor bekannt, der einen mit dem Faden in Berührung stehenden Stößel aufweist. Dieser wirkt auf einen Dünnfilm-Kraftaufnehmer, um das Kraftsignal in ein elektrisches Signal umzusetzen. Aufgrund der großen Steifigkeit der abtastenden Vorrichtung wird eine hohe Eigenfrequenz als erreichbar angegeben. Die von dem Faden ausgehende Kraft wirkt direkt und unverstärkt auf den Dünnfilm-Kraftaufnehmer, so dass insbesondere die Erfassung niedriger Fadenspannungen -schwierig ist. Aus der DE 35 06 698 C2 ist ein Fadenspannungssensor mit einem Biegeelement bekannt, das in Form einer endsei- tig starr eingespannten federnden Zunge ausgebildet ist, die an ihrem freien Ende mit dem Faden in Berührung steht. Sie erstreckt sich mit ihrem Ende schräg in den Fadenlaufweg hinein. Die Zunge trägt endseitig einen Magneten, dessen Feld einen Magnetfeldsensor beeinflusst. Somit wird die Auslenkung der Zunge, die von der Fadenspannung abhängig ist, in ein elektrisches Signal umgesetzt. Ein solcher Sensor hat strukturbedingt jedoch eine relativ niedrige Eigenfrequenz und schränkt die Gestaltung des Fadenlauf egs ein.

Aus der DE 197 16 134 AI ist ein weiterer Fadenspannungssensor bekannt, der als Sensorelement eine auf einer keramischen Platte angeordnete Messbrücke aufweist. Im Bereich der Messbrücke steht ein Stößel auf der Platte, dessen anderes Ende mit dem Faden in Berührung steht. Der Stößel ist durch ein flexibles Führungseie ent nach Art einer Membran in zu der Platte senkrechter Position gehalten.

Diese Einrichtung eignet sich zur Erfassung größerer Fadenspannungen und in Fällen, bei denen der Faden an der Messstelle nur sehr wenig ausgelenkt wird.

Aus der WO 99/59909 ist ein Fadenspannungssensor mit einer endseitig fest eingespannten Keramikplatte bekannt, die mit ihrem freien Ende wie eine Zunge in den Fadenlaufweg ragt und dort den Faden berührt. Die Platte trägt auf einer Flachseite eine aus vier Widerständen bestehende Messbrücke. Die Widerstände sind spannungsempfindlich und erzeugen somit ein Signal in Abhängigkeit von der schwachen Verbiegung der Keramikplatte. Diese muss sich mit ihrem Ende selbst in den Fadenlaufweg erstrecken, was diesen beschränkt.

Aus der ÜS-PS 3526130 ist ein ' Fadenspannungssensor mit einer federnden Zunge bekannt, die an ihrem Ende einen Aufsatz zum Abtasten eines Fadens trägt. Die federnde Zunge ist an beiden Flachseiten mit einem Sensorelement versehen, deren Kennwert sich bei einer Verbiegung der Zunge gegenläufig ändert. Die beiden Sensorelemente sind in einer Messbrücke angeordnet und gestatten eine Erfassung der Auslenkung der Zunge.

Aus der DE 101 17 889 AI ist ein Fadenspannungssensor mit zwei Stiften bekannt, die beide jeweils den Faden umlenken. Beide Stifte sind jeweils an einer Platte gehalten von der sie sich weg erstrecken. Eine Kraftbeaufschlagung des Stifts erzeugt in der Platte eine Torsionsbeanspruchung. Diese wird mittels einer optoelektronischen Abtasteinrichtung erfasst, indem die Platte durchleuchtet wird oder reflektiertes Licht zur Torsionserfassung genutzt wird. Die Platte ist dabei länglich quader- för ig ausgebildet und an ihren beiden schmalen Stirnseiten gehalten.

Weiter ist aus der DE 101 17 878 ein Fadenspannungssensor mit einem einseitig an einem photoelastischen Element gelagerten Stift bekannt. Das photoelastische Element ist als flacher Streifen ausgebildet, von dessen Flachseite sich der Stift rechtwinklig weg erstreckt. An wenigstens einem Ende ist das photoelastische Element fest eingespannt. In der gleichen Schrift wird auch vorgeschlagen, das photoelastische Element als frei auskra- gendes Biegeelement auszubilden, .über dessen freies Ende der Faden unmittelbar läuft.

Die optische Torsionserfassung eines tordierbaren Elements, beispielsweise aus Glas 'oder Kunststoff, ist für Anwendungsfälle, in denen eine Staubbelastung vorliegt, meist nicht zweckmäßig.

Von dieser Grundproblematik und dem geschilderten Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Fadenspannungssensor zu schaffen, der zur Erfassung geringer Fadenspannungen geeignet ist, der sehr schnell anspricht und der sich vielseitig einsetzen lässt.

Diese Aufgabe wird mit dem Fadenspannungssensor nach Anspruch 1 gelöst:

Der erfindungsgemäße Fadenspannungssensor weist ein Biegeelement auf, das in einem seitlichen Abstand neben einem Fadenlaufweg angeordnet ist und Sensorelemente trägt. Das Biegeelement kann sehr steif ausgebildet sein, so dass die zu erfassenden Kräfte von beispielsweise wenigen Milli-Newton lediglich zu einer kaum merklichen Verbiegung des Biegeelements führen. Aus Sicht des Fadens ist das Biegeelement deshalb steif bzw. hart. Maximalauslenkungen können auf Bruchteile eines Millimeters festgelegt sein.

Das Biegeelement ist in einem seitlichen Abstand zu dem Fadenlaufweg angeordnet, was bedeutet, dass die das Biegeelement belastenden und zu erfassenden Kräfte in einer Ebene liegen, die von dem Faden beabstandet ist. Dadurch ist der Fadenlaufweg und seine Umgebung weitgehend frei. Der Fadenlaufweg kann in weiten Grenzen den jeweiligen Anforderungen entsprechend festgelegt werden, was viele Anwendungsfälle erschließt. Auch kann der Winkel, mit dem der Faden über das Fadenauflageelement läuft, bedarfsentsprechend eingestellt werden. Spitzere Winkel o- (Fig.2) ermöglichen die Erfassung besonders geringer Kräfte. Ist das Biegeelement, wie oben angedeutet, besonders steif, lassen sich sehr hohe Eigenfrequenzen und damit geringe Ansprechzeiten des Fadenspannungssensors erreichen.

Das Biegeelement ist vorzugsweise als flache, längliche Platte ausgebildet und besteht beispielsweise aus Keramik. An ihrem freien Ende trägt sie das Fadenauflageelement, beispielsweise ein Keramikröhrchen oder einen Stift. Dieser ragt über eine Schmalseite der länglichen Platte hinweg in den Fadenlaufweg. Die längliche Platte kann in Draufsicht rechteckförmig, bedarfsweise jedoch auch trapezförmig oder ähnlich ausgebildet sein. Die rechteckige Gestaltung wird insofern bevorzugt als sie die Verformung auf eine von dem Fadenauflageelement be- abstandete Biegezone konzentriert. Es kommt dadurch gewissermaßen zu einer Kraftverstärkung durch Hebelwirkung, d.h. die auf der Platte angebrachten Sensorelemente werden von dem Faden über das Fadenauflageelement und einen Teil der Platte wie über eine Hebeluntersetzung betätigt. Dies ermöglicht die Erfassung besonders geringer Faden- spannungeri. Die Platte weist vorzugsweise eine gleichmäßige Dicke auf. Auch dies kommt dem Sensor in obigem Sinne zugute.

Als festes Widerlager für das Biegeelement wird vorzugsweise ein Keramiksockel vorgesehen, auf den das Biegeelement, beispielsweise in Form der keramischen Platte, aufgeklebt ist. Die Klebeverbindung erstreckt sich dabei vorzugsweise wenigstens nahezu über die gesamte Breite der Platte und über einen Längenabschnitt, der z.B. zur Unterbringung einer elektronischen Schaltung auf der Platte ausreichend ist. Auf diese Weise wird die elektronische Schaltung in eine unverformte Zone der Platte verlegt. Außerdem weist der Keramiksockel vorzugsweise eine gerade, quer zu der Platte verlaufende Kante auf, die die Biegezone der Platte definiert abgrenzt. Die Sensorelemente sind vorzugsweise in der Nähe des Keramiksockels angeordnet. Sind sie dabei im Bereich der größten Biegung geben sie die besten Signale ab.

Das Biegeelement weist vorzugsweise sowohl auf seiner Oberseite (obere Flachseite) als auch auf seiner Unterseite (untere Flachseite) Sensorelemente auf, die ihren Parameter gegenläufig ändern, wenn das Biegeelement in einer Richtung mit einer Kraft beaufschlagt wird, die im Wesentlichen senkrecht auf seiner Flachseite steht. Die_. Differenz der Änderung der Parameter der Sensorelemente auf der Ober- und auf der Unterseite kann zur Erzeugung eines Ausgangssignals herangezogen werden. Alle Sensorelemente sind auf dem Biegelement angeordnet.

Die Anordnung von wenigstens zwei Sensorelementen nebeneinander auf einer Seite des Biegeelements, beispielsweise auf der Oberseite, hat zur Folge, dass sich die Elemente bei Verbiegung des Biegeelements gleichsinnig ändern, während sie sich bei einer Verdrehung desselben gegensinnig ändern. Eine Verdrehung ergibt sich, wenn das Biegeelement mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, dessen Achse in der Längsrichtung des Biegeelements liegt. Die Längsrichtung ist die gedachte Verbindung zwischen dem freien Ende des Biegeelements und seinem Widerlager, beispielsweise dem Keramiksockel. Ein solches Mo- ment ergibt sich durch die Beaufschlagung des seitlich ausragenden Fadenauflageelements mit einer Kraft, beispielsweise durch den Faden. Die Fadenkraft hat somit sowohl eine Verbiegung des Biegeelements als auch eine geringfügige Verdrehung desselben 'um seine Längsachse zur Folge. Werden die Sensorelement so in einer Brücke zusammen geschaltet oder an eine Auswerteschaltung angeschlossen, dass nur gleichsinnige Änderungen von Sensoren auf einer Seite des Biegeelements erfasst werden, während gegensinnige unterdrückt werden, spielt die Stelle, an der der Faden das Fadenauflageelement berührt, für die Erfassung des Messwerts der Fadenspannung keine Rolle. Obwohl bei relativ langen Fadenauflageelementen je nach Auflagepunkt deutlich unterschiedliche Drehmomente entstehen können, wird jeweils immer nur die Kraft, nicht aber das Drehmoment erfasst. Es lassen sich somit Fadenspannungssensoren schaffen, die bezüglich der Querrichtung des Fadens eine lange Auflagefläche aufweisen und somit eine relativ freie Führung des Fadens gestatten.

Bei einer verfeinerten Ausführungsform sind insgesamt vier Sensorelemente vorhanden, von denen zwei auf der Plattenoberseite und zwei auf der Plattenunterseite möglichst deckungsgleich zueinander angeordnet sind. Damit lassen sich die Elemente in einer Brückenschaltung zusammen schalten oder an eine gleichwertige Auswerteschaltung anschließen, die sicherstellt, dass nur eine Verbiegung nicht aber eine Verdrehung des Biegeelements erfasst wird.

Vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich nicht nur aus Unteransprüchen sondern darüber hinaus aus der Zeichnung und der Beschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:

Figur 1 einen Fadenspannungssensor in perspektivischer Darstellung,

Figur 2 den Fadenspannungssensor nach Figur 1 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,

Figur 3 das Biegeelement und das Fadenauflageelement mit Faden in Draufsicht,

Figur 4 das Biegeelement und das Fadenauflageelement in einer Ansicht von unten,

Figur 5 die Verformung des Biegeelements in einer perspektivischen, stark überhöhten Darstellung,

Figur 6 das Biegeelement in verformtem Zustand in Seitenansicht in einer stark überhöhten Darstellung der Verformung und

Figur 7 die Auswerteschaltung der Sensoreinrichtung.

In Figur 1 ist ein Fadenspannungssensor 1 veranschaulicht, mit dem die Spannung eines Fadens 2 in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Der Fadenspannungssensor 1 weist einen Trägerkörper 3 auf, der beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet sein kann.' Der Trägerkörper 3 ist mit einem z.B. plattenförmigen Befestigungsabschnitt 4, mit einer Befestigungsöffnung 5 versehen. In Draufsicht ist er etwa L-förmig ausgebildet, wobei er oberhalb des Befestigungsabschnitts 4 eine Schwalbenschwanznut 6 zur Aufnahme eines Sensorsockels 7 aufweist. Von diesem Bereich des Trägerkörpers 3 erstreckt sich ein länglicher Fortsatz 8 weg, der in einigem Abstand zu der Schwalbenschwanznut 6 etwa im rechten Winkel seitlich abbiegt. Der hier seitlich weg stehende Abschnitt 9 trägt zwei zueinander beispielsweise parallele, im Abstand angeordnete Wände 11, 12, die jeweils eine Öffnung 14, 15 aufweisen. Die Öffnungen 14, 15 fluchten zueinander und sind von einem Keramikrohr 16 oder einem entsprechenden Stift durchgriffen, das bzw. der als Fadenauflageelement dient. Der Durchmesser des Keramikrohrs 16 ist etwas geringer als die Durchmesser der beiden Öffnungen 14, 15. In nahezu allen Radialrichtungen des Keramikrohrs 16 ist der umgebende Raum frei. Der Faden 2 kann somit auf verschiedenen Wegen W zu dem Keramikrohr 16 geführt werden. Der hier festgelegte Winkel kann in weiten Grenzen variieren.

Das Keramikrohr 16 aus Aluminiumoxidkeramik ist an einem Ende fest mit einem Endbereich der Platte 17, vorzugsweise aus keramischem Material, verbunden. Die Platte 17 ist mit dem vorzugsweise ebenfalls aus Keramik bestehenden Sensorsockel 7 flächenhaft verklebt und weist in Draufsicht einen rechteckigen Umriss auf. Ihre beiden Schmalseiten 18, 19 sind vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet. Das Keramikrohr 16 ist etwa rechtwinklig zu den Schmalseiten 18, 19 orientiert. Die Platte 17 ist von dem im Längsschnitt trapezförmigen und in Draufsicht rechteckigen Sensorsockel 7 an dem Trägerkörper 3 so gehalten, dass sich das Keramikrohr 16 in unbelastetem Zustand frei durch beide Öffnungen 14, 15 erstreckt und deren Rand jeweils nicht berührt. Die Öffnungen 14, 15 können dabei kreisförmig oder bedarfsweise auch abweichend berandet sein. Beispielsweise können sie, wie insbesondere aus Figur 2 hervorgeht, mehrere radial nach innen vorstehende Vorsprünge 21, 22, 23 aufweisen, die als Anschlagmittel (Hubbegrenzungsmittel) für das Keramikrohr 16 dienen. In unbelastetem Zustand besteht ein Abstand zwischen den Vorsprüngen 21, 22, 23 und dem Keramikrohr 16. Die Elastizität der Platte 17 ist vorzugsweise relativ gering, d.h. ihre Steifigkeit ist hoch. Die Steifigkeit der Platte 17 und das Spiel zwischen den Vorsprüngen 21, 22, 23 und dem Keramikrohr 16 ist so aufeinander abgestimmt, dass das Keramikrohr 16 durch innerhalb des Messbereichs liegende Fadenspannungen nicht in Berührung mit den Vorsprüngen 21, 22, 23 gebracht werden kann.

Die Platte 16 wirkt als relativ harte Biegefeder mit hoher Eigenfrequenz (z.B. > 1 kHz) . Mit dem Sensorsockel 7 ist sie flächenhaft und steif verklebt, so dass ihr dortiger Bereich unverformbar bleibt. Im unmittelbaren Anschluss an den Sensorsockel 7 zu dem Keramikrohr 16 hin ist eine Biegezone 24 vorhanden, auf die sich die wesentlichen Verformungen bei Einleitung einer Kraft auf das Keramikrohr 16 konzentrieren. Der näher an dem Keramikrohr 16 liegende Teil 25 der Platte 17 unterliegt hingegen einer vergleichsweise viel geringeren Verformung. Außerdem ist die Biegung größer als die Torsion der Platte 17, so dass eine gute Empfindlichkeit erreicht wird. In der Biegezone 24 der Platte 17 sind Sensorelemente 26 angeordnet. Zu diesen gehören beispielsweise vier flächenhaft ausgebildete Widerstände Rl, R2, R3, R4 deren Anordnung insbesondere aus den Figuren 3 und 4 hervorgeht. Die Widerstände Rl, R2, R3,'R4 ändern ihren Widerstandswert in Abhängigkeit von einer geringfügigen Verbiegung der Platte 17, indem sich der als auszuwertender Parameter dienende Widerstandswert entsprechend verringert oder vergrößert. Vorzugsweise sind sie hochohmig, d.h. sie haben einen Widerstand von z.B. etwa lOkΩ Untereinander sind sie etwa gleich groß.

Zwei Widerstände Rl, R4 sind auf der Oberseite der Platte 17 angeordnet. Die Widerstände R2, R3 sind auf der Unterseite der Platte 17 angeordnet. Dabei sind Rl und R2 sowie R3 und R4 jeweils deckungsgleich. Die Widerstände Rl und R4 sind nebeneinander in gleichem Abstand zu einer Kante 27 des Sensorsockels 7 angeordnet, die sich quer über die Platte 17 erstreckt und die Biegezone 24 gegen den unverformten Bereich der Platte 17 abgrenzt. Die Widerstände Rl, R4 sind außerdem jeweils in gleichem Abstand zu der benachbarten Schmalseite 18, 19 angeordnet.

Die Verschaltung zu einer Messbrücke erfolgt z.B. in der in Figur 7 veranschaulichten Weise. Die übereinander angeordneten Widerstände Rl, R2 sind beispielsweise in am gleichen Potential (+) liegenden Brückenzweigen parallel zueinander angeordnet. Die ebenfalls übereinander liegenden Widerstände R3, R4 sind parallel zueinander ebenfalls in am gleichen Potential liegenden Brückenzweigen der gleichen Brücke angeordnet. Mit anderen Worten, die auf unterschiedlichen Flachseiten der Platte 17 angeordneten Widerstände Rl, R2 sind in oberen Brückenzweigen angeord- net. Die Widerstände R5, R6 liegen an Masse, können ihren Platz aber auch mit R7, R8 tauschen.

Das aus Rl und R2 bestehende Widerstandspaar liegt nahe der Schmalseite 19 in einer Plattenhälfte. Spiegelsymmetrisch zu einer Längsachse 28, die eine etwa mittige Verbindungslinie (parallel zu den Schmalseiten 18, 19) zwischen dem freien Ende der Platte 17 und dem Sensorsockel 7 bildet, ist das zweite aus den Widerständen R3, R4 bestehende Widerstandspaar angeordnet, das in dem unteren Brückenzweig angeordnet ist. Die auf der jeweils gleichen Seite der Platte 17 liegenden Widerstände Rl, R4 bzw. R2, R3 sind hingegen jeweils paarweise in zueinander diagonalen Brückenzweigen angeordnet. An den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen Rl, R3 ist ein negativer Eingang 31 (invertierender Eingang) eines Differenzverstärkers 32 angeschlossen. An den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R2 und R4 ist ein positiver Eingang 33

(nicht invertierender Eingang) des Differenzverstärkers 32 angeschlossen, der aus der gleichen Betriebsspannung

(+, Masse) wie die aus den Widerständen Rl, R2, R3, R4 gebildete Brücke 34 angeschlossen ist.

Zu der Brücke 34 gehören außerdem Temperaturkompensationswiderstände R5, R6. Diese sind wie die Widerstände Rl, R2, R3, R4 flächenhaft ausgebildet. Sie sind vorzugsweise niederohmig; z.B. haben sie einen Wert von 25Ω Alle Widerstände können beispielsweise als Dickschichtwiderstände im Siebdruckverfahren oder bedarfsweise auch als Dünnschichtwiderstände durch Aufdampfen hergestellt werden. Die Widerstände R5, R6 sind vorzugsweise aus einem Material ausgebildet, das eine TemperaturCharakteristik aufweist, die der Temperaturcharakteristik des Materials der Widerstände Rl, R2, R3, R4 entgegen gesetzt ist. Zum Beispiel sind sie PTC-Widerstände. Die Widerstände R5, R6 sind vorzugsweise etwa mittig zwischen dem Keramikrohr 16 und dem Sensorsockel 7 angeordnet. Sie Erfassen damit eine mittlere oder durchschnittliche Temperatur. Dies kommt der Temperaturkompensation entgegen.

Zwischen den Widerständen R5, R6 und dem das Keramikrohr 16 tragenden Ende der Platte 17 sind Widerstände R7, R8 angeordnet, die ebenfalls als flächenhafte gedruckte Schließwiderstände ausgebildet sind. Sie dienen als Trennwiderstände für den Brückenabgleich und zum Nullpunktabgleich der Brücke 34. Sie sind aus einem temperaturneutralen Material oder alternativ aus dem Material der Widerstände Rl, R2, R3, R4 oder einem dritten Material ausgebildet. Ihr Temperaturgang wird dann ebenfalls durch die Widerstände R5, R6 ausgeglichen.

Diese liegen in einem Bereich zwischen R7, R8 und Rl, R2, R3, R4. Deshalb wird, selbst wenn ein Temperaturgradient vorliegt, eine so gute Temperaturkompensation erreicht, dass sich eine hohe Ansprechempfindlichkeit des Sensors ergibt. Selbst von sehr kleinen Kräften verursachte Signale (Widerstandsänderungen) unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Größe deutlich vom Temperaturausgang der Brücke 34.

Die Widerstände R5, R6 können, wie Figur 1 veranschaulicht, auch innerhalb der Biegezone 24 angeordnet sein. Die oberen Brückenwiderstände R7, R8 sind dabei vorzugsweise symmetrisch zu der Längsachse 28, z.B. in Nachbarschaft der Schmalseiten 18, 19 angeordnet. Die oberen, zum Temperaturausgleich dienenden Brückenwiderstände R5, R6 sind ebenfalls vorzugsweise symmetrisch zu der Längsachse 28 im Abstand zu den Schmalseiten 18, 19 angeordnet. Der Abgleich der Brücke 34 auf minimalen Temperaturgang und Brückenspannung Null in unbelastetem Zustand erfolgt beispielsweise mittels Laserstrahl durch partielles Einschneiden der Widerstände R6 und R7. Die sorgfältige und genaue Temperaturkompensation ermöglicht es, die Ansprechempfindlichkeit des Fadenspannungssensors auf sehr geringe Fadenzugkräfte <10 mN abzusenken.

Der Differenzverstärker 32 weist zumindest einen Ausgang 35 auf, der die Differenzspannung zwischen den Ein- ' gangen 31, 33 anzeigt. Bedarfsweise kann ein zusätzlicher Eingang 36 vorgesehen sein, der eine Offsetspannung zur Festlegung der AusgangsSpannung des Ausgangs 35 bei Differenzspannung Null zwischen den Eingängen 31, 33 vorgibt. Die Offsetspannung kann mit einem Spannungsteiler R9, RIO vorgegeben werden. Betriebsspannung, Masse und zumindest der Ausgang 35 sind an einem Ende der Platte 17 in Form von Anschlusskontakten 37, 38, 39 zugänglich.

Wie in Figur 2 veranschaulicht ist, kann der Fortsatz 8 mit einer Dämpfungseinrichtung 41 versehen sein, die Schwingungen der Platte 17 mindert. Die Dämpfungseinrichtung 41 wird beispielsweise durch eine Hülse 42 gebildet, deren Öffnung etwa senkrecht zu der unteren Flachseite der Platte 17 orientiert ist. In die Hülse 42 hinein erstreckt sich ein Stift 43, der fest an der Unterseite der Platte 17 angebracht ist und die innere Wandung der Hülse 42 nicht berührt. Zwischen dem Stift 43 und der Hülse 42 ist ein Silikonölvorrat oder eine andere Dämpferflüssigkeit vorgesehen.

Der insoweit beschriebene Fadenspannungssensor 1 arbeitet wie folgt: Der Faden 2 läuft zwischen den Wänden 11, 12 in einem stumpfen Winkel über das Keramikrohr 16. Hat er dabei keine Spannung lenkt er die Platte 17 in keiner Richtung aus und er leitet auch keine Kraft in die Platte 17 ein. Entsprechend befindet sich die Brücke 34 in ihrem abgeglichenen Zustand und die AusgangsSpannung des Differenzverstärkers 32 an dem Ausgang 35 ist Null. Dies bleibt auch bei Temperaturänderungen so.

Tritt eine zumindest geringe Fadenzugspannung auf, wird das Keramikrohr 18 in einer Querrichtung mit einer der Fadenzugkraft entsprechenden Kraft beaufschlagt. In Figur 5 ist die sich daraus ergebende Verformung der Platte 17 sehr stark überhöht dargestellt. Während die Ruhelage des Keramikrohrs 16 und der Platte 17 gestrichelt dargestellt ist, ist die ausgelenkte Position in durchgezogenen Linien veranschaulicht. Tatsächlich kann die Auslenkung im Mikrometerbereich liegen. Figur 3 veranschaulicht dabei, dass der Faden 2 neben der Platte 17 beispielsweise parallel zu der Schmalseite 18 verläuft. Der Faden läuft dabei in einer Ebene, die die Platte 17 an keiner Stelle schneidet, sondern im Abstand zu dieser angeordnet ist. Der gesamte das Keramikrohr 16 radial umgebende Räum kann, soweit es den zwischen den Wänden 11, 12 liegenden Teil des Keramikrohrs 16 betrifft, als Fadenlaufweg W dienen. Der Faden 2 kann dabei an beliebiger Stelle zwischen den in Figur 3 gestrichelt angedeuteten Wänden 11, 12 laufen. Durch den Abstand zwischen dem von dem Faden 2 festgelegten Kraftangriffspunkt an dem Keramikrohr 16 und der Längsachse 28 der Platte 17. entsteht ein Hebelarm, mit dem ein an der Platte 17 angreifendes, die Platte 17 um die Längsachse 28 verdrehendes Drehmoment M erzeugt wird. Außerdem überträgt das Keramikrohr 16 die Kraft F auf das Ende der Platte 17. Diese unterliegt somit, wie Figur 5 veranschaulicht, sowohl einer Biegung als auch einer Verdrehung (die, wie erwähnt im Mikrometerbereich liegen können, d.h. mit bloßem Auge nicht sichtbar sind) . Die Widerstände Rl, R2, R3, R4 ändern ihren Widerstandswert wenigstens ungefähr in linearer Abhängigkeit von der Spannung in der Platte 17 bzw. von deren Verformung. Die lineare Beziehung gilt in einem weiten Messbereich von null bis 100 Gramm Fadenkraft. Deshalb kann die Brücke 34 als linear betrachtet werden und die Einflüsse der Verdrehung und der Verformung können getrennt betrachtet werden. Die Auslenkung der Platte 17 im Rahmen ihrer Biegebeanspruchung ändert die Widerstände Rl, R4 gleichsinnig. Ebenfalls gleichsinnig ändern sich die Widerstände R2, R3. Hingegen ändern sich die Widerstände Rl, R2 gegensinnig, wie sich auch die Widerstände R3, R4 gegensinnig ändern. Die Verbiegung der Platte 17 ruft somit eine starke Änderung der Brückenspannung hervor, die von dem Differenzverstärker 32 erfasst und an dem Ausgang 35 als Signal ausgegeben wird.

Die Verdrehung der Platte 17 ist in Figur 6 gesondert veranschaulicht. Die Widerstände R2, R3 ändern sich gegensinnig. Ebenfalls gegensinnig ändern sich die Widerstände Rl und R4. Beispielsweise nehmen die Widerstandswerte der Widerstände R2, R4 zu während die Widerstandswerte der Widerstände Rl und R3 abnehmen. Sind die Widerstände Rl, R2, R3, R4 gleich groß wird somit zwar der aus Rl und R3 gebildete Brückenzweig niederohmiger und der aus R2 und R4 gebildete Brückenzweig hochohmiger, jedoch ändern sich die Potentiale am jeweiligen Spannungsteilerpunkt (zwischen Rl und R3 bzw. R2 und R4) nicht. Ebenso bleibt die Brückenspannung unverändert und der Ausgang 35 des Differenzverstärkers 32 gibt kein entsprechendes Signal ab. Mit anderen Worten, eine Verdrillung oder Ver- drehung der Platte 17 um die Längsachse 28 bzw. die Beaufschlagung mit einem Drehmoment, dessen Vektor mit der Längsachse 28 parallel ist, erzeugt kein Signal an dem Ausgang 35. Es ist deshalb gleichgültig, an welcher Stelle des Keramikrohrs 16 der Faden 2 über das Keramikrohr 16 läuft. Er kann sowohl mittig, wie in Figur 3 dargestellt, als auch an der Wand 12 als auch nahe an der Wand 11 über das Keramikrohr 16 laufen.

Der durch die Widerstände R7, R8 vorgenommene Null- punktsabgleich der Brücke 34 und die Temperaturkompensation durch die Widerstände R5, R6 ermöglicht den Einsatz des Fadenspannungssensors 1 auch zum Messen ganz geringer Fadenspannungen, beispielsweise im Bereich von null bis fünf Gramm. Die Anordnung der Platte 17 neben dem Fadenlaufweg hat zur Folge, dass nahezu der gesamte sich radial an das Keramikrohr 16 anschließende Raum frei ist, was dem Fadenspannungssensor 1 viele Anwendungsmöglichkeiten erschließt. Beispielsweise kann der Faden 2, wie Figur 2 veranschaulicht, sowohl in relativ stumpfem Winkel (dick ausgezogene Linie) als auch in weniger stumpfem bis zu spitzem Winkel über das Keramikrohr 16 laufen (Faden 2a, in Figur 2 gestrichelt) . Eine genaue seitliche Fadenführung ist, wie vorstehend erläutert, nicht erforderlich.

Zur Messung von Fadenspannungen ist ein Fadenspannungssensor 1 vorgesehen, der ein Biegeelement beispielsweise in Form einer keramischen Platte 17 aufweist. Von dieser erstreckt sich ein Fadenauflageelement beispielsweise in Form eines Keramikrohrs 16 seitlich weg. Auf der Platte 17 sind mehrere Sensorelemente 26 so angeordnet, dass sie eine Biegung der Platte 17 nicht aber eine Verdrehung derselben erfassen, wie sie durch den außermittigen Kraftangriff des Fadens 2 über das Keramikrohr 16 an der Platte 17 auftreten kann. Während die Sensorelemente 26 beispielsweise in Form von Widerständen Rl, R2, R3, R4 in der Biegezone 24 der Platte 17 angeordnet sind, sind Kompensationselemente in Form von Temperaturkompensationswiderständen und Abgleichswiderständen (R5, R6, R7, R8) in einem Teil 25 angeordnet, der einer deutlich geringeren Biegung unterliegt als die Biegezone 24. Der Teil 25 ist von dem Sensorsockel 7 weiter entfernt als die Biegezone 24, die sich unmittelbar an den Sensorsockel 7 anschließt.

Der neuartige Fadenspannungssensor 1 gestattet die Messung äußerst geringer Fadenzugkräfte, er spricht in Folge der großen Biegesteifigkeit der Platte 17 sehr schnell an, d.h. er hat eine sehr hohe Eigenfrequenz und er lässt sich aufgrund des freistehend, seitlich aus der Sensoranordnung ausragenden Keramikrohrs 16, das als Fadenauflageelement dient, vielseitig einsetzen.

Bezugszeichenliste

1 Fadenspannungssensor

2 Faden

3 Trägerkörper

4 Befestigungsabschnitt

5 Befestigungsöffnung

6 Schwalbenschwanznut

7 Sensorsockel

8 Fortsatz

9 Abschnitt

11, 12 Wand

14, 15 Öffnung

16 Keramikrohr

17 Platte

18, 19 Schmalseiten

21, 22, 23 Vorsprünge

24 Biegezone

26 Sensorelemente

27 Kante

28 Längsachse

31 Eingang

32 Differenzverstärker

33 Eingang

34 Brücke

35, 36 Ausgänge

37, 38, 39 Anschlusskontakte

41 Dämpfungseinrichtung

42 Hülse

43 Stift

Rl - R8 Widerstände

Claims

Patentansprüche :

1. Fadenspannungssensor (1) zur Erfassung der Spannung eines Fadens (2) in einem Fadenlaufweg (W) ,

mit einem Biegeelement (17) , das als einseitig gehaltene Zunge in einem seitlichen Abstand neben dem Fadenlaufweg (W) angeordnet ist und wenigstens ein Sensorelement (26) trägt,

mit einem Fadenauflageelement (16) , das sich seitlich von dem Biegeelement (17) weg in den Fadenlaufweg (W) hinein erstreckt.

2. Fadenspannungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegeelement (17) als flache längliche Platte mit zwei Schmalseiten (18, 19) und zwei Flachseiten ausgebildet ist.

3. Fadenspannungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte an einem Ende das Fadenauflageelement (16) trägt, das sich im Wesentlichen parallel zu den Flachseiten erstreckt.

4. Fadenspannungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegeelement (17) an einer von dem Fadenauflageelement (16) beabstandeten Stelle starr gelagert ist.

5. Fadenspannungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegeelement (17) auf einen Sensorsockel (7) aus Keramik aufgeklebt ist, der ein ortsfestes Lager bildet und eine Biegezone (24) festlegt.

6. Fadenspannungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegeelement (17) eine Keramikplatte ist.

7. Fadenspannungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Sensorelemente (R2, R4) vorgesehen sind und dass die Flachseiten jeweils wenigstens eines der Sensorelemente (R2, R4) tragen.

8. Fadenspannungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (R2, R4) bei einer Verbiegung der Platte durch Beaufschlagung mit einer auf eine Flachseite einwirkenden Kraft gegenläufige Signale abgeben.

9. Fadenspannungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Flachseite der Platte wenigstens zwei Sensorelemente (Rl, R2) angeordnet sind, die bei einer Beaufschlagung der Platte mit einem Drehmoment, dessen Achse mit ihrer Längsrichtung (28) übereinstimmt, gegenläufige Signale abgeben.

10. Fadenspannungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Flachseite der Platte jeweils wenigstens zwei der Sensorelemente (26) angeordnet sind.

11. Fadenspannungssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (26) Wider- standselemente (Rl, R2; R3, R4) sind und dass diese in einer Brückenschaltung miteinander verschaltet sind.

12. Fadenspannungssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensorelemente (26) auf dem Biegeelement zwischen einer Lagerstelle und seinem freien Ende angeordnet sind.

13. Fadenspannungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadenauflageelement (16) stiftförmig ausgebildet ist und sich parallel zu einer Flachseite der Platte seitlich von dieser weg erstreckt.

14. Fadenspannungssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadenauflageelement (16) im rechten Winkel zu einer Schmalseite (18, 19) des Biegeelements (17) orientiert ist.

15. Fadenspannungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadenauflageelement (16) ein Keramikröhrchen ist .

16. Fadenspannungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegeelement (17) an einem Trägerkörper (3) gehalten ist, der zwei zueinander parallele Wände (11, 12) aufweist, die jeweils eine Öffnung (14, 15) aufweisen, durch die sich das Fadenauflageelement (16) erstreckt.

17. Fadenspannungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensorelemente (26) in der Biegezone (24) angeordnet sind, die sich an den Sensorsockel (7) anschließt.

8. Fadenspannungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegeelement (17) Tempe- raturkompensations-Elemente (R5, R6, R7, R8) trägt.