Elektrischer Massenmesser
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Massenmesser mit einer Grundplatte und einer Waagplatte, bei welchem das Gewicht der zu messenden Masse auf die mechanische Spannung zweier, durch elektrische Mittel erregter, querschwingender vorgespannter Saiten einwirkt, so dass deren dadurch bedingte Frequenz änderungen zur Berechnung und Anzeige der zu messenden Masse in einem Auswertungsgerät verwendet werden.
Massenmesser dieser Gattung sind an sich bekannt, so z. B. aus dem französischen Patent Nr. 1 125 037 und aus den Schweizer Patentschriften Nrn. 447 653 und 422 366. Es sind ebenfalls Mittel zur Anregung und Fühlung der Saitenschwingungen bekannt, wie z. B. in den Schweizer Patenten Nrn. 404 736 und 440 755 beschrieben. Bei den bekannten Massenmessem sind die zwei Messsaiten und das Vorspanngewicht auf die Grundplatte bezogen. Von einem einzigen Punkt der Verbindungsorgane der Saiten mit ihrem Vorspanngewicht hinweg führt, gegebenenfalls mit Zuordnung von weiteren grundplattebezogenen Verbindungen, ein einziger Kraftübermittlungsweg (gegebenenfalls mit Zwischenschaltung von Hebeln) zur Waagplatte.
Alle Kraftübertragungsmittel sollten elastisch relativ hart sein, damit das Vorspanngewicht einerseits und die Waagplatte mit Last anderseits, beide gegenüber der Grundplatte, hohe und womöglich nicht allzu verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen würden. Dies ist technisch praktisch unmöglich oder zu aufwendig und hat zur Folge, dass die Anordnung auf Erschütterungen der Grundplatte empfindlich ist.
Solche Geräte sind statisch betrachtet echte Massenmesser, d. h. sie liefern ein vom Wert der Erdbeschleunigung unabhängiges Resultat, da sie das Resultat als Verhältnis des Gewichtes der zu messenden Masse zum Gewicht der Vorspannmasse ermitteln, wobei dieses Verhältnis-statisch betrachtet-gleich dem Ver hältnis der zwei genannten Massen selbst ist.
Unter senkrechten Beschleunigungen-z. B. beim Anfahren und bei Bremsen im Aufzug, oder unter Erschütterungen-wirken die zwei genannten Massen auf die zwei Saiten mit ihrem sogenannten dynamischen Gewicht, d. h. mit der Summe ihres Gewichtes und ihrer Inertialkraft. Letztere ist proportional zur betreffenden Masse und deren senkrechten Beschleunigung.
Solange die Erschütterungsfrequenz-bemessen an den Eigenschaften der Anordnung-niedrig ist, folgen aber die zwei Massen getreu genug den Bewegungen der Grundplatte und die Beschleunigung der zwei Massen ist dieselbe. In diesem Falle ist das vom Auswertungsgerät geliefierte Verhältnis R der zwei dynamischen Gewichte gleich dem Verhältnis der Massen. Bezeichnen Q bzw.
P das dynamische Gewicht der zu messenden Masse p bzw. der Vorspannmasse q, g bzw. z die Erdbeschleunigung bzw. die gemeinsame senkrechte Er schütterungsbeschleunigung der zwei Massen, so ist das Resultat R gegeben durch :
R= Q =q (g+Z) q
Pg-I-z) P
Die zwei Massen p und q sind aber unvermeidlicherweise elastisch aufgehängt und bilden zusammen mit deren Aufhängung zwei über die Saiten unterein- ander schwach gekoppelte elastische Schwingungssy- steme.
Liegt die Erschütterungsfrequenz zwischen den zwei Resonanzfrequenzen der zwei Schwingungssysteme, so folgt die Masse mit niedrigerer Resonanzfrequenz den Bewegungen der Grundplatte nicht mehr, die andere wohl noch. Kommt die Erschütterungsfrequenz in tuber- einstimmung mit einer der beiden Resonanzfrequenzen, so ist die Beschleunigung der entsprechenden Masse um den Qualitätsfaktor dieser Resonanz höher als die Fundamentserschütterungen. Kurz gesagt :
In einem Gebiet der Erschütterungsfrequenzen, das sich über die zwei Resonanzfrequenzen der Messanordnung erstreckt, sind die Erschütterungsbeschleunigungen der Massen q und p namentlich zq und z ? nicht mehr gleich der Erschütterungsbeschleunigung des Fundamentes z und auch untereinander verschieden. Das Resultat ist dadurch verfälscht :
R' = Q = q(g+#q)#q
P p(g+zp) p
Bei Waagen für kleine Lasten kann die Erschiitte rungsempfindlichkeit durch Einschalten stark federnder und dämpfender Elemente zwischen Grundplatte und Tisch bzw. Boden, einigermassen behoben werden. Bei Waagen für grosse Lasten ist dieser Weg zu aufwendig oder nicht mehr realisierbar.
Zweck der Erfindung ist dis Schaffung eines Massenmessers der angegebenen Gattung, bei welchem die Empfindlichkeit auf senkrechte Erschütterungen des Fundamentes bzw. der Grundplatte, ohne zusätzlichen Aufwand, sehr klein ist.
Wie aus. dem Stand der Technik schon ersichtlich ist, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Beschleunigung der Masse p und q für jede Fundaments- erschütterungsfrequenz gleich zu halten.
Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch, dass die einen Enden der beiden Saiten mit der Waagplatte verbunden und die anderen Enden der Saiten an einem mit der Waagplatte verbundenen Kraftverteiler befestigt sind, dass sie über diesen Kraftverteiler von einer Vorspannmasse vorgespannt sind, dal3 ein t) bertragungsorgan die Grundplatte über diesen Kräftverteiler und über die Saiten mit der Waagplatte verbindet und dadurch die Waagplatte stützt und die Saiten zusätzlich belastet.
In der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Anordnung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführung nach der Erfindung,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für kleine Last ohne Hebslübersetzung,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für mittlere Last,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für grosse Last, z. B. als Fahrzeugwaage,
Fig. 6 eine Variante und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles.
In allen Ausführungsbeispielen hat man die Mittel zum Anregen der Saiten 3 und zur Berechnung ihrer Frequenzänderungen ausgelassen. Ebenfalls ist das Auswertegerät nicht dargestellt worden. In diesem Auswertegerät wird der nur vom Massenverhältnis ab hängige Quotient der beiden Frequenzen gebildet. Diese Elemente sind bekannt und aigre Darstellung ist zum Verständnis der Erfindung nicht notwendig. In Fig. 1 ist eine bekannte Anordnung schematisch dargestellt.
Die Grundplatte 1 ist mit einem Träger 2 versehen, an welchem die Saiten 3 befestigt sind. Im Gegensatz dazu sind diese Saiten 3 bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 2-7 an der Waagplatte 6 befestigt. Uber ein Verbindungsorgan 9 sind sie durch das Gewicht der Vorspannmasse p vorgespannt, die derart mittels Füh- rungen auf die Grundplatte 1 bezogen ist, dass sie sich in die Höho nur parallel zu sich selbst bewegen kann.
Die Waagplatte 6 mit der Last 9 ist mittels einer Aufhängung 4, 4a und 5 an der Grundplatte 1 aufgehängt.
Ein Organ 8 verbindet sie mit den Saiten 3. Das elastische, relativ weiche Element 5 dient zur schematischen Darstellung der schwer vermeidlichen elastischen Nach giebigkeit der Aufhängung 4, 4a. Hingegen ist das aus den Saiten 3, der Vorspannmasse p und dem Organ 9 gebildete Ganze leicht als Schwingungssystem von hoher Eigenfrequenz zu gestalten, es sind daher keine Federelemente dargestellt worden. Es ist leicht ersichtlich, dass sich bei Erschütterungen die Massen p und q verschieden verhalten, p vermag bestimmte Frequenzen zu folgen, wenn q nicht mehr zu folgen vermag.
Die Anordnung nach Fig. 2, die allen Ausführungsbeispielen zugrunde liegt, ist von der ersten verschieden.
Die V-förmig angeordneben Saiten 3 und die Vorspannmasse p sind auf die Waagplatte 6 bezogen und die Vorspannmasse p spannt die Saiten 3 über die auf die Waagplatte 6 bezogenen Kraftübertragungsorgane 9, 7, 7a vor. Die Aufhängung 4 mit eingeschaltetem, elastisch relativ weichem Element 5 trägt jetzt die Waagplatte 6 mit der Last q, sowie die Vorspannmasse p, die Saiten 3 und die Verbindungsdrähte 7, 7a, 9. Dies geschieht über die vorgespannten Saiten 3, so dass die Spannung der Saiten 3 durch die Last q beeinfLusst wird. Dabei werden die verschiedenen Teile derart ausgebildet, dass die Eigenfrequenz der senkrechten Schwingungen der elastisch aufgehängten Vorspannmasse p höher liegt als diejenige der elastisch aufgehängten Last q.
Es ist ersichtlich, dass sich die Massen p und q jetzt relativ gleich verhalten, da, als über das Element 5 nur niedrige Frequenzen von der Grundplatte 1 auf die Massen q und p übertragen werden können, bei welchen die Vorspannmasse p den Bewegungen der Last q folgen kann. Während bai der bekannten Ausführung die Verschiedenheit des Schwingverhalbens zwischen q und p sich mit steigender Störfrequenz vergrössert, wirkt in Fig. 2 sich dieses Element 5 nützlich aus, da es die schwingungsmässige Isolierung von q und p zur Grundplatte bei steigender Störfrequenz verbessert.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich für kleine Lasten gut eignet. Die dargestellte Waage weist eine Grundplatte 1 auf, die über Dämpfer 10 auf einer Unterlage 11 angeordnet ist. An der Waagplatte 6, die die Last q trägt, sind zwei querschwingende Saiten 3 angebracht. Ihre Enden sind an einem zentralen Körper 80 befestigt. Eine Vorspannmasse p ist mittels Lenkern 13 an der Waagplatte 6 derart angebracht, dass sie sich nur parallel zu sich selbst in die Höhe bewegen kann. Eine Dämpfung 14 ist zwischen der Vorspannmasse p und einem Vorsprung 12 der Waagplatte 6 eingeschaltet. Diese Vorspannmasse p spannt die Saiten 3 über trbertragungs- organe 9 und den zentralen Körper 80 vor, und zwar derart, dass die Kraft auf die Saiten 3 grösser ist, als das eigentliche Gewicht der Masse p.
Die Obermittlung der Last von der Waagplatte 6 zur Grundplatte 1 erfolgt über ein einziges Organ, die Druckstangs 4, die zwischen dem Körper 80 und einem Vorsprung 15 der Grundplatte 1 angeordnet ist. In dieser Stange 4, die somit die Waagplatte 6 stützt, sind einstellbare elastische Mittel 5 eingebaut. Ferner sind zwei Parallellenker 16, 17 vorgesehen, die die Waagplatte 6 mit Bezug auf die Grundplatte 1 parallel und lotrecht führen.
Die Waagplatte 6 ist ferner mit vier Trägern 18 versehen, auf welche Substitutionsgewichte 19 aufgelegt werden können. Ein Entlastungshebel 20 mit Gegen- gewicht 21 ist über seine Schneide 22 auf die Grundplatte 1 schwenbkar gelagert. Seine Schneide 23 entlastet die Waagplatte 6.
Die verschiedenen Elemente der dargestellten Waage sind derart ausgewählt, dass die Eigenfrequenz der senkrechten Schwingungen der elastisch aufgehängten Vor spannmasse p höher liegt als diejenige der ebenfalls aufgehängten Last 9.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dar gestellt, das sich für mittlere Lasten eignet. Die glei- chen Elemente sind mit gleicher Referenznummer ver sehen. Wie aus der Zeichnung zu entnehmen ist, ist die Vorspannmasse p unmitbelbar über ein einziges Obertragungsorgan 9 an dem zentralen Körper 80 befestigt. Die Zugstange 4 ist über Übertragungsorgane 24 bzw. 25 mit dem Körper 80 bzw. mit der Waagplatte 6 verbunden, die sie somit stützt. Sie weist eine Feder 26 und eine Dämpfung 27 auf. Das untere Ende dieser Stange 4 greift an einem Ende eines Hebels 28 an, dessen anderes Ende an der Waagplatte 6 gelagert ist. Die Waagplatte 6 stützt sich bei 29, 30 anderseits auf zwei gekoppelte Hebel 31, 32 ab, die ihrerseits auf der Grundplatte 1 gelagert sind.
Das freie Ende des Hebels 31 ist mittels eines Gehänges 33 mit dem Hebel 28 gekoppelt. Der Hebel 28 ist normalerweise zwecks ErreichungeinergewünschtenÜbersetzung vorhanden. Sollte dies nicht notwendig sein, so kann er durch das strichpunktiert dargestellte Gehänge 34 ersetzt werden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel werden die Elemente 3, 6, 80, 9, p, q derart gewählt, dass die Eigenfrequenz der senkrechten Schwingungen der elastisch aufgehängten Vorspannmasse p höher liegt als diejenige der ebenfalls elastisch aufgehängten Last q.
In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für grosse Lasten, z. B. eine Fahrzeugwaage, dargestellt. Die als Fahrbahnplatte ausgebildete Waagplatte 6 ist bekann terweise auf Lasthebel 35, 36 abgestützt, die die Kraft (gegebenenfalls in nicht dargestellter Weise in mehreren Stufen) reduzieren und zur Mitte führen. Unter der Fahrbahnplatte ist ein Gehäuse 37 angebracht, in dessen Inneren die in Fig. 4 dargestellben Elemente 3, 4, 80, 9, 13, 24, 25, 26, 27, p (mit oder ohne Hebel 28) angeordnet sind.
Eine Zugstange 38 stellt, als einziges Organ, die Verbindung mit der Grundplatte her, sie wirkt entweder auf die Stange 4 oder auf den Hebel 28. Somit sind in diesem Ausführungsbeispiel die Saiten 3 mittel- bar über das Gehäuse 37 an der als Waagplatte dienenden Fahrbahnplatte 6 verbunden. Die Zugstange 38 übernimmt die Funktion der Stange 4 und stützt somit die Fahrbahnplatte 6.
Das Gehäuse 37 ist in der Mitte der Fahrbahnplatte mittels Schrauben 39, 40 befestigt. Bei sehr langer Fahrbahnplatte können, unter dem Einfluss von Bodenerschütterungen Biegeschwingungen mit Knotenpunkten 42 in der Fahrbahnplatte entstehen. In diesem Falle (Fig. 6) ist es vorteilhaft, das Gehäuse 37 mittels Stäben 43 in der Nähe der Knotenpunkte 42 drehbar zu befestigen. Damit ist das Gehäuse 37 und dessen Inhalt den Biegeschwingungen der Fahrbahnplatte 6 nicht ausgesetzt. Wie für die anderen Ausfiihrungsbeispiele ist das Eigenfrequenzverhältnis zwischen den erwähnten schwingenden Systemen in dieser Ausführung zu wählen.
In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, bei welchem die Verteilung der Masse p und q auf die zwei parallel angeordneten Saiten 3 mittels eines Balkens 44 erfolgt. Die Masse p ist an einem weiteren Balken 46 aufgehängt, der über ein Zugorgan 45 mit dem Balken 44 verbunden ist.
Dieser Balken 46 ist mit einem weiteren Zugorgan 47 mit der Waagplatte 6 verbunden. Die Anordnung wird derart getroffen, dass die Vorspannung der Saiten 3 vorzugsweise grösser als das Gewicht der Masse p wird.
Die Waagplatte 6 (die mittels hier nicht dargestellten Führungen, ähnlich den Führungen 16, 17 in Fig. 3 parallel geführt ist) ist ausschliesslich über die AufhänJ gung 4 mit einem elastischen Element 5 mit dem Träger 2 der Grundplatte 1 verbunden. Auch hier ist die Eigenfrequenz der senkrechten Schwingungen der elastisch aufgehängten Vorspannmasse p höher als diejenige der Last q.