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Die Erfindung bezieht sich auf eine Prüfmaschine mit nach einem in
Form einer elektrischen Spannung oder eines zeitlichen Spannungsverlaufes vorgegebenen
Sollwert erfolgender Regelung der Prüfkraft, wobei die Diagonalspannung einer Widerstands-Brückenschaltung
der Abweichung des Istwertes vom Sollwert proportional ist und über Verstärker zum
Betätigen eines die Prüfkraft beeinflussenden Stellgliedes dient.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Brückenschaltung
aufzubauen, die 'einerseits Meßglieder, beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, für
den Istwert der Kraft und andererseits solche Elemente enthält, über die ein von
einem Tonbandgerät oder einem vergleichbaren Erzeuger von Spannungen, die der Sollkraft
proportional sind, stammendes Signal ohne galvanische Verbindung zwischen diesem
Gerät und der Brückenschaltung in die Brücke eingeschleift werden kann. Ein solches
Signal kann auch einer konstanten Kraft entsprechen.
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Die an sich bekannten Hallsonde sind Bauelemente, bei denen beim
Durchfließen eines Steuerstromes i und beim Anlegen eines Magnetfeldes B senkrecht
zum Fluß des Steuerstromes eine Spannung, die sogenannte Hallspannung u, abgegeben
wird.
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Ferner ist bekannt, daß sich der Widerstand, den eine solche Hallsonde
dem Steuerstromi entgegensetzt, mit dem Magnetfeld B ändert.
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Die bekannten Prüfmaschinenregelungen haben den Mangel der-notwelIdrgen
mechanischen Verstellung eines Potentiometers. Es ist darüber hinaus in vielen Fällen
derVèrlauf der Sollkraft über der Zeit nicht mechanisch darstellbar. Ein solcher
Verlauf ist vielmehr durch einen empirischen Versuch ermittelt worden und liegt
nun beispielsweise als Tonbandaufzeichnung in Form eines Verlaufes einer elektrischen
Spannung über der Zeit vor. Es ist grundsätzlich möglich, einen solchen auf Tonband
gespeicherten Verlauf der Sollkraft über Widerstände oder Transformatoren in eine
Widerstands-Brückenschaltung einzuspeisen~. Im Falle der Transformatoren bedeutet
jedoch dies eine Beschränkung auf Vorgänge mit hohen Frequenzen, die sich durch
Transformatoren übertragen lassen. Es ist also diese Lösung für alle diejenigen
Fälle nicht brauchbar, in denen der Sollwert der Kraft auch zeitweise konstant bleibt.
Die Einspeisung über Widerstände hingegenhat zur Folge, daß das vom Tonband kommende,
Spannung verstärkende Gerät galvanisch mit der Brückenschaltung und damit mit dem
nachfolgenden Verstärker gekuppelt- ist. Bei einer solchen Lösung stellen sich jedoch
leicht in nachteiliger Weise Aufschwingvorgänge ein.
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Gemäß der Erfindung wird nun die vorbezeichnete Aufgabe dadurch gelöst,
daß der Sollwertgeber eine Hallsonde aufweist, welche von einem dem Sollwertverlauf
der Prüfkraft entsprechenden Magnetfeld durchsetzt wird, und die dabei entstehende
Anderung der elektrischen Zustände der Hallsonde, nämlich die Hallspannung oder
der Hallwiderstand, mit den Zuständen der Widerstands-Brückenschaltung verglichen
wird.
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Die Hallspannung ist dabei ein Teil der Diagonalspannung der Widerstands-Brückenschaltung.
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Nach einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung zur
Heranziehung der Hallspannung wird neben der auf den Kraftmeßkörper befindlichen
Dehnungsmeßstreifen-Vollbrücke mit
eigener Stromquelle ein mit eigener Stromquelle
versehener Stromkreis für die Speisung der Hallsonde vorgesehen, deren Magnetfeld
durch Spulen eines Generators erzeugt wird, der einen der Sollkraft proportionalen
Spannungsverlauf an seinen Klemmen abgibt, und deren Hallspannung mit der Diagonalspannung
der Meßbrücke verglichen wird. Ein solcher Generator kann als ein mit Verstärker
ausgerüstetes Tonbandgerät oder als Funktionsgenerator ausgebildet sein.
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Ein weiterer Vorschlag zur Realisierung der Erfindung geht dahin,
die Meßbrücke aus auf dem Kraftmeßkörper aufgeklebten zwei Dehnungsmeßstreifen und
zwei Hallsonden aufzubauen, in welcher lediglich ein Vergleich der Widerstände erfolgt,
und den Widerstand der Hallsonde durch Anlegen eines mit Hilfe der Spulen aufgebauten
Magnetfeldes proportional zur Sollkraft zu verändern.
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Es ist auch nach dem Erfindungsvorschlag möglich, auf den Kraftmeßkörper
eine Dehnungsmeßstreifen-Vollbrücke mit einer Speisespannungsquelle aufzubringen
und die Hallsonde den Widerständen der Meßbrücke parallel zu schalten und durch
die Hallsonde das Brücken-Gleichgewicht entsprechend ihrer Widerstandsänderung zu
verändern, sobald vom Funktionsgenerator über die Klemmen mittels der Spulen ein
Magnetfeld aufgebaut wird.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und an Hand von
Schaltbildern und schematischen Darstellungen erläutert, und zwar zeigt F i g. 1
eine die Hallspannung benutzende Regelschaltung, Fig.2 eine mit zwei Hallsonden
ausgerüstete Schaltausführung für die Heranziehung des Hallwiderstandes zur Regelung,
Fig. 3 eine abermals abgeänderte Schaltung und F i g. 4 das Gesamtbild einer Kraftregelung
nach der Erfindung mit schematisch angedeuteter Prüfmaschine.
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In Fig. 1 ist auf einem gestrichelt angedeuteten Kraftmeßkörper 1,
der auch in den nachfolgenden Figuren die gleiche Bezeichnung hat, eine Dehnungsmeßstreifen-Vollbrücke
in bekannter Weise aufgeklebt. Diese Brücke besteht aus den aktiven Streifen 2 und
3 und den Kompensationsstreifen4 und 5 und wird durch eine Stromquelle 6 gespeist.
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Die Diagonal spannung der Meßbrücke, abgenommen bei 7', ist der Kraft
auf dem Kraftmeßkörper 1 proportional. Von dieser Spannung wird die an den Anschlüssen
7 und 8 einer Hallsonde 9 entsprechende Hallspannung u subtrahiert, sofern diese
Sonde 9 von einer StromquellelO mit einem Steuerstromi versorgt wird und durch Spulen
11 und 12 ein Magnetfeld B an der Hallsonde 9 erzeugt wird. Dieses Magnetfeld wird
durch einen Generator 13 erzeugt, der sowohl ein Tonbandgerät mit Verstärker als
auch ein unter dem Namen Funktionsgenerator bekanntes Gerät sein kann, welches einen
der Sollkraft proportionalen Spannungsverlauf an den Klemmen 14 und 15 abgibt.
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Solange nun die Istkraft auf den Kraftmeßkörper 1 der Sollkraft entspricht,
also gleich ist, ist die Differenz zwischen der bei 7'abgenommenen Diagonalspannung
der Meßbrücke und der Hallspannung u verschwindend klein. Ein Verstärker 16 empfängt
also keine Eingangsspannung, und ein an der Ausgangsleitung 17 des Verstärkers liegendes
Stellglied erhält keinen Befehl, sich zu ändern. Wenn
aber die Kraft
auf den Kraftmeßkörper 1 der Sollkraft nicht entspricht, so wird eine Regelspannung
an den Verstärker 16 und ein Stellbefehl über die Leitungl7 an ein nicht dargestelltes
Stellglied gegeben.
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Der Vorteil dieser Maßnahme gegenüber den bekannten Prüfmaschinenregelungen
besteht darin, daß die der Sollkraft proportionale Spannung auf beliebigem Wege
hergestellt werden kann. Diese Spannung ist in keiner Weise mit dem Meßkreis galvanisch
gekuppelt, so daß Rückwirkungen von der Meßspannung auf die dem Sollwert der Kraft
proportionale Spannung ganz ausgeschlossen sind.
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Es können der Sollkraft proportionale Spannungen beliebiger Frequenz
oder auch konstante Spannungen Verwendung finden.
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Der Aufbau der erfindungsgemäßen Regelschaltung ist dadurch vereinfacht,
daß beispielsweise der Funktionsgenerator 13 beliebig weit von der Prüfmaschine
angeordnet werden kann und bewegte Teile, wie das bekannte Potentiometer und die
bei sinusförmiger Charakteristik des Kraft-Sollwertes notwendige Pleuel- und Scheibenanordnung,
entfallen. Zur Speisung kann an Stelle der Gleichstromquellen 6 und 10 auch eine
Wechselspannungsquelle mit zwei getrennten Wicklungen Verwendung finden.
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In der Regelungsschaltung nach Fig.-2 wird in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung von der an der Hallsonde 22 bei Einwirkung eines Magnetfeldes auftretenden
Hallspannung kein Gebrauch mehr gemacht. Mit 1 ist wiederum der Kraftmeßkörper benannt,
und die verwendete Meßbrücke besteht in diesem Fall als sogenannte Halbbrücke aus
den auf den Kraftmeßkörperl geklebten beiden Dehnungsmeßstreifen 18 und 19, aus
der Stromquelle 21 und nach der Erfindung aus den beiden Hallsonden 21 und 22. In
der so aufgebauten Meßbrücke werden nur Widerstände miteinander verglichen. Es dient
hierbei die Hallsonde 21 lediglich als Festwiderstand.
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Es hat somit die Widerstandsänderung des Strompfades der Hallsonde
durch Einschalten einer Hallsonde in die Widerstands-Brückenschaltung Anteil an
der Veränderung der Diagonalspannung. Der Widerstand der Hallsonde 22 wird durch
Anlegen eines Magnetfeldes mit Hilfe von Spulen 23 und 24, die wieder durch einen
Funktionsgenerator 25 über die Klemmen 26 und 27 gespeist werden, proportional zur
Sollkraft verändert. Die Spannungsquelle 20 kann auch eine Wechselspannungsquelle
sein. Mit 28 ist wieder ein Verstärker bezeichnet, dem die Diagonalspannung der
Brücke von der Stelle 30 aus zugeführt wird.
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Der besondere Vorteil der Schaltung nach F i g. 2 liegt darin, daß
nur noch eine Spannungsquelle 20 benötigt wird. Dies ist insbesondere bei handelsüblichen
Verstärkern vorteilhaft, da diese im allgemeinen nur eine Speisespannung, nicht
aber zwei in Phase befindliche Speisespannungen liefern. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, daß sich eine den Widerstand der Hallsonden 21, 22 beeinflussende Temperaturänderung
bei räumlich günstiger Anordnung dieser Sonden gleichmäßig auf beide auswirkt und
sich somit kompensiert. Zur Kompensation des Temperatureinflusses werden zwei Hallsonden
gegeneinandergeschaltet, von denen nur die eine Sonde von dem der Sollkraft proportionalen
Magnetfeld durchsetzt wird.
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Bei der Schaltung nach Fig. 3 ist wieder mit 1
der Kraftmeßkörper
als gestrichelte Linie angedeutet, auf dem die Dehnungsmeßstreifen-Vollbrücke 31,
32, 33, 34 aufgeklebt ist, die durch eine Spannungsquelle 35 gespeist wird. Die
beiden Hallsonden 36, 37 sind den Widerständen 33, 34 parallel geschaltet. Die Hallsonde
37 verschiebt das Brücken-Gleichgewicht entsprechend ihrer Widerstandsänderung,
wenn von einem Funktionsgenerator 38 über die Klemmen 39, 40 mittels der Spulen
41, 42 ein Magnetfeld aufgebaut wird. Mit 43 ist wieder ein Verstärker bezeichnet,
dessen Ausgangsleitung 44 zu einem nicht dargestellten Stellglied führt.
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Hallsonden sind im allgemeinen niederohmig, so daß es naheliegt,
sie nicht den Dehnungsmeßstreifen parallel, sondern in Reihe zu schalten. Dies wird
auch durchgeführt, ist jedoch nicht in allen Anwendungsfällen möglich, da vielfach
Meßdosen Verwendung finden, deren Meßbrücke bereits vom Hersteller geklebt, verdrahtet
und hermetisch gekapselt ist, so daß nur die vier Außenanschlüsse zur Verfügung
stehen.
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In der Gesamtanordnung nach F i g. 4 ist der Kraftmeßkörper wieder
mit 1 bezeichnet, auf den ein in einem Zylinder 50 befindlicher Kolben 51 einwirkt.
Im Zylinder 50 der Prüfmaschine wird mittels einer Pumpe 52 aus einem Behälter 53
Druckmittel zugeführt, das den Kolben 51 beaufschlagt, der wiederum auf den Meßkörper
1 eine Kraft ausübt.
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Auf dem Kraftmeßkörper befindet sich die Dehnungsmeßstreifen-Vollbrücke
54 bis 57 mit der Spannungsquelle58. Der Verlauf dieser Kraft ist durch den Funktionsgenerator
38 als Spannung an den Klemmen 39, 40 vorgegeben. Hierzu wird dem Widerstand 55
die Hallsonde 36 parallel geschaltet, und dem Widerstand 57 wird die mit Spulen
41, 42 versehene Hallsonde 37 parallel geschaltet, wozu diese beiden Sonden 36 und
37 räumlich so angeordnet werden, daß sie die gleiche Temperatur annehmen. Die gesamte
Meßbrücke wird durch die Spannungsquelle 58 gespeist, die auch eine Wechselspannungsquelle
sein kann. Mit 59, 60 und 61 sind Verbindungsleitungen benannt. An die Brückendiagonale
60 ist ein Verstärker 62 angeschlossen, der ein kontinuierlich einstellbares Ventil
63 über eine Leitung 64 durch die Spule65 betätigt. Dieses Ventil 63 führt wiederum
von der Fördermenge der Pumpe 52 so viel in den Behälter 53 zurück, daß der Sollwert
der Kraft und der Istwert der Kraft übereinstimmen.