DE3505165C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Kraft - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Kraft

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DE3505165C2
DE3505165C2 DE3505165A DE3505165A DE3505165C2 DE 3505165 C2 DE3505165 C2 DE 3505165C2 DE 3505165 A DE3505165 A DE 3505165A DE 3505165 A DE3505165 A DE 3505165A DE 3505165 C2 DE3505165 C2 DE 3505165C2
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Abstract

Bei einem Verfahren zum Messen einer Kraft (S) wird ein Balken (2, 3), der durch die Kraft in Axialrichtung belastet ist, in Resonanzschwingungen versetzt. Die Istfrequenz (f) der Resonanzschwingungen wird festgestellt und hieraus die Kraft nach der Beziehung $A S = (f2 - Co)/C1$A $A ermittelt. Co und C1 sind Größen, die von den Eigenschaften des Balkens (2, 3) abhängen. Die Werte Co und C1 können temperaturabhängig korrigiert werden, wenn der Balken (2, 3) gleichzeitig durch zwei Frequenzen (f1, f3), die etwa in dem Verhältnis zweier ganzer Zahlen zueinander stehen, in den Resonanzzustand erregt wird. Eine Meßvorrichtung weist einen Schwingungserreger (11) zwischen zwei Knotenpunkten (7, 8; 9, 10) des Balkens (2, 3) auf. Ein Sensor (14) dient der Feststellung der Istfrequenz. Eine Erregerschaltung (18) führt die Erregungsfrequenz mit Hilfe der Istfrequenz der Resonanzfrequenz nach.

Description

P-C6 Q
10
ermittelt wird, wobei Q1 und Ci Größen sind, die von den Eigenschaften des Balkens abhängen, da durch gekennzeichnet, daß der Balken gleichzeitig durch zwei Frequenzen, die etwa in dem Verhältnis zweier ganzer Zahlen zueinander stehen, in den Resonanzzustand erregt wird, und daß aus den beiden sich ergebenden Istfrequenzen (f\, h) Werte zur temperaturabhängigen Korrektur von C0 und Ci ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Frequenzen (f\) die Grundfrequenz ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die andere der beiden Frequenzen (h) der 3. Oberwelle entspricht
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft (S) als Zugkraft auf den Balken aufgebracht wird.
5. Vorrichtung zum Messen einer Kraft zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein in Axialrichtung mit der zu messenden Kraft (S) belastbarer Balken an zwei axial versetzten Stellen zur Bildung je eines Knotenpunktes gegen seitliche Auslenkung gesichert ist, daß ein Schwingungserreger am Balken angreift, daß dem Balken ein Sensor zugeordnet ist, der ein Meßsignal zur Feststellung der Istfrequenz abgibt, und daß eine Erregerschaltung vorgesehen ist, welche die Erregungsfrequenz mit Hilfe der Istfrequenz der Resonanzfrequenz nachführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (11) außer einer Grundschwingung des Balkens (2, 3) eine der Grundschwingung überlagerte Ober-Schwingung erzeugt und daß eine Frequenzermittlungsschaltung (21) vorgesehen ist, die aus dem Meßsignal (U\)d\e Werte der Resonanzfrequenzen (fu h) der Grundschwingung und der Oberschwingung ermittelt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der zwei Balken an ihren Enden über gemeinsame Kraftangriffselemente miteinander verbunden und an ihren Knotenpunkten gegeneinander festgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger zwei zusammenwirkende Teile (12, 13) aufweist, die je an einem Balken angebracht sind, und daß der Sensor (14) ebenfalls zwei zusammenwirkende Teile (15,16) aufweist, die je an einem Balken angebracht sind.
7^ V/\rt*ir»htiincr η Qr1Vi Δ ncnriiph *ϊ λΗργ ft HaHnrph gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (ti) etwa in der Mitte zwischen den Knotenpunkten (7 bis 10) und der Sensor (14) zwischen dem Schwingungserreger und dem Knotenpunkt angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (14) einen Abstand von 15 bis 25%, vorzugsweise etwa 20%, vom Knotenpunkt (8,10) hat
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerschaltung einen mit dem Sensor (14) verbundenen Eingang (19), einen mit einem Verstärker (A 2) versehenen Grundschwingungszweig (28), einen mit einer Selektionsfilteranordnung (SF) und einem Verstärker (A 3) versehenen Oberschwingungszweig (29) und ein dem Ausgang vorgeschaltetes, die verstärkten Signale beider Zeige aufnehmendes Summationsglied (A 4) aufweist
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß das Summationsglied (A 4) ein Summationsverstärker mit einer AGC-Regelung ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet daß beide Zweige je ein Phasenkorrekturglied (PC i,PC2) aufweisen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Summationsglied (A 4) und Schwingungserreger (11) ein Spannungs-Strom-Wandler (U/h) geschaltet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12. dadurch gekennzeichnet, daß die Selektionsfilteranordnung (SF) ein Bandfilter mit durch Taktimpulse (i,) vorgebbarer Selektionsfrequenz aufweist und daß ein Taktgeber (30) vorgesehen ist, dessen Frequenz (f,) der Frequenz f/3) der Oberschwingung im Oberschwingungszweig (29) nachgeführt wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß der Taktgeber (30) eine Phasenverriegelungsschaltung (PLL) aufweist deren erster Eingang (31) über einen Komparator (K I) mit einem dem Verstärker (A 3) nachgeschalteten Abschnitt des Oberschwingungszweiges (29) und deren zweiter Eingang (32) über einen 1 :/V-Teiier (T) mit deren Ausgang (33) verbunden ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Anlaufschaltung (34), bei der das Summationsglied (A 4) einen weiteren Eingang hat, der über eine logische Schaltung (N 1. Λ/2) ein Rechtecksignal zugeführt erhält, wenn der erste Eingang (31) der Phasenverriegelungsschaltung Spannung führt und diese Schaltung noch nicht verriegelt ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15. dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzermittlungsschaltung (21) unter Ausnutzung der Erregerschaltung (18) gebildet ist und zwei Frequenzsignalausgänge (22, 23) aufweist, die je über einen Komparator (Ki; K2) mit einem dem Verstärker (A 2; A 3) nachgeschalteten Abschnitt des Grundschwingungszweiges (28) bzw. des Oberschwingungszweiges (29) verbunden sind.
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen einer Kraft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß rlpm Oherhegriff des Anspruchs 5.
Bei einer bekannten Meßvorrichtung dieser Art (US-PS 42 99 122) sind zwei parallele Balken, die in Axialrichtung durch eine Kraft belastbar sind, an ihren Enden miteinander verbunden. An der Verbindungsstelle greift auf der einen Seite ein Schwingungserreger und auf der anderen Seite ein Sensor an, die beide als piezo-
if; elektrische Elemente ausgebildet sein können. Die vom daß sowohl der Schwingungserreger als auch der Sen-
■ji| Sensor ermittelte Istfrequenz steuert eine Erregerschal- sor jeweils zwei zusammenwirkende Teile aufweist die
U tung für Schwingungserreger. Die sich einstellende Re- je an einem Balken angebracht sind. Hiermit ist in be-
Ip sonanzfrequenz ändert sich mit der Kraft Oaher kann sonders hohem Maße eine symmetrische Anregung der
ΐΐ man aus der Resonanzfrequenz die Kraft ermitteln. Da 5 Balken gesichert Bei der Abnahme des Schwingungssi-
'i! die Erregungsfrequenz mit Hilfe der istfrequenz der gnals addieren sich die Bewegungen beider Balken. Au-
;ί Resonanzschwingung nachgeführt wird, ergibt sich eine ßerdem wird eme Abstrahlung der Schwingungsenergie
■'■'·; kleine Erregerleistung. an die Umgebung und damit eine lästige Geräuscher-
'■'■ Bei einer anderen bekannten Meßvorrichtung zeugung vermieden.
; (CH-PS 4 97 $91), bei der ebenfalls zwei parallele BaI- io Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 7 kann mit dem
ψ ken an ihren Enden miteinander verbunden und durch mittig angeordneten Schwingungserreger gleichzeitig
■-I eine axiale Kraft belastbar sind, befindet sich ein einzi- die Schwingungsenergie für die Grundschwingung und
ti ges piezoelektrisches Wandlerelement zwischen den für eine ungeradzahlige Oberschwingung zugeführt
|3 Balken etwa in der Mitte zwischen ihren Enden. Dieses werden. Der demgegenüber versetzte Sensor vermag
|;7 Wandlerelement ist in eine Brückenschaltung einbezo- 15 eine ausgeprägte Komponente beider Schwingungen
]tl gen und dient gleichzeitig als Schwingungserreger und aufzunehmen.
l'i Sensor. Anstelle eines einzigen können auch mehrere Die genaue Lage nach Anspruch 8 eignet sich besonfc: solcner Wandlerelemente vorgesehen sein. ders bei Verwendung der dritten Oberwelle als Ober- |:; Es ist auch eine Meßvorrichtung bekannt (DE-AS schwingung. Einerseits wird diese Oberschwingung nail' 25 44 887), bei der ein freitragender Balken mit einem 20 he ihrer Größtampiitude und andererseits die Grund- !; Fuß im Gehäuse befestigt ist und einen wirksamen Teil schwingung ebenfalls mit einer ausreichenden Amplitu- Ί- aufweist der mit dem Fuß über ein elastisches Gelenk de erfaßt
verbunden und am freien Ende durch eine Kraft belast- Bei der Weiterbildung nach Anspruch 9 kann man mit
bar ist. Ein selbsterregbarer Oszillator weist einen Reso- Hilfe des Oberschwingungszweiges die Oberschwin-
nator, zwei polarisierte Magnete und einen Verstärker 25 gung gesondert behandeln und verstärken, so daß sie
auf. Der Resonator wird durch einen prismatischen Stab dem verstärkten Signal des Grundschwingungszweiges
gebildet, der mit einem Ende am Fuß und mit dem ande- in einem vorbestimmten, vorzugsweise einstellbaren
ren Ende am wirksamen Teil des freitragenden Balkens Verhältnis beigemischt werden kann. Auf diese Weise
befestigt ist. Die beiden Magnete sind ortsfest auf einan- ist sichergestellt daß für die Oberschwingung eine aus-
der gegenüberliegenden Seiten dieses prismatischen 30 reichende Anregungsenergie zur Verfügung steht.
Stabes angeordnet Mit den Merkmalen des Anspruchs 10 wird die Erre-
Bei den vorstehend beschriebenen Meßgeräten an- gerleistung so geregelt daß die Meßsignale eine be-
dert sich bei gegebener Belastung die Resonanzfre- stimmte, ihre Auswertung ermöglichende Größe haben,
quenz in Abhängigkeit von der Temperatur. Daher liegt Zweckmäßig sind die Phasenkorrekturglieder nach
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Weg zur 35 Anspruch 11. Für die Grundschwingung genügen kleine
Korrektur der Temperaturfehler anzugeben. Korrekturwerte. Für die Oberschwingungen können er-
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden hebliche Phasendrehungen erforderlich sein, für die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. dritte Oberwelle beispielsweise eine Phasenumkehr.
Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Istfre- Bei Anwendung der Merkmale des Anspruchs 12 ent-
quenz der zweiten Resonanzschwingung eine andere 40 fallen Phasenverschiebungen aufgrund der Induktivität
Abhängigkeit von der Temperatur hat als die Istfre- der Spulen der Schwingungserreger und damit verbun-
quenz der ersten Resonanzschwingung. Aus beiden Fre- dene Meßfehler.
quenzen kann man daher eindeutige Temperatur-Kor- Mit Hilfe der Ausgestaltung nach Anspruch 13 ist
rekturwerte ermitteln. Auf diese Weise wird das Meßer- sichergestellt, daß trotz der Änderungen der Obcr-
gebnis von der Umgebungstemperatur unabhängig. 45 schwingung, die bei einer Kraftänderung auftreten, die
Die Ausführung nach Anspruch 2 ergibt die größte Selektionsfilteranordnung ihre Mittelfrequenz immer
Amplitude, so daß sich ein ausgeprägtes Meßsignal für genau auf die vorhandene Oberschwingungsfrequenz
den Istwert der Resonanzschwingung ergibt. abstimmt Damit werden die bei einem festen Filter bei
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 kommt man einer Frequenzänderung auftretenden Phasendrehun-
mit einem gemeinsamen Schwingungserreger für die 50 gen vermieden.
Grundfrequenz und die Oberwelle aus, weil es sich bei Die Merkmale des Anspruchs 14 erlauben einen be-
der dritten Oberwelle um eine ungeradzahlige Oberwel- sonders einfachen Aufbau des von der Oberschwin-
Ie handelt. Hierbei hat die dritte Oberwelle die größte gungsfrequenz abhängigen Taktgebers.
Amplitude von allen diesen Oberwellen. Mit der Anlaufschaltung nach Anspruch 15 kann eine
Die Messung einer Zugkraft nach Anspruch 4 hat den 55 Erregung auch der Oberschwingung eingeleitet werden,
Vorteil, daß der Meßbereich nicht — wie bei einer so daß nach kurzer Zeit die Phasenverriegelung erfolgt
Druckkraft, die auch gemessen werden kann — durch und das Selektionsfilter normal arbeiten kann,
die Knickkraft nach oben begrenzt ist. Bei der Frequenzermittlungsschaltung nach An-
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Meßverfah- spruch 16 erhält man an den Frequenzsignalausgängen
rens ist im Anspruch 5 gekennzeichnet. Der Balken bil- 60 auf einfache Weise Signale mit den zu ermittelnden Fre-
det zusammen mit der Erregerschaltung eine Oszillator- quenzen.
einrichtung für beide Frequenzen. Der Balken stellt den Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Resonanzkreis dar, und die Erregerschaltung gibt die Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher ererforderliche Schleifenverstärkung und Rückkoppe- läutert
lung. Mit Hilfe der Resonanzfrequenzen beider Schwin- 65 Es zeigt
gungen kann dann eine temperaturabhängige Korrek- Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftmeß-
tur vorgenommen werden. vorrichtung mit zugehöriger Schaltung,
Bei der Weiterbildung nach Anspruch 6 ist es wichtig, Fig. 2 eine Ausführungsform eines Sensors,
Fig. 3 eine Ausführungsform eines Schwingungserregers,
Fig. 4 das Schwingungsverhalten eines Balkens und
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Erregerschaltung.
Die in Fig. 1 veranschaulichte Vorrichtung 1 zum Messen der Zugkraft S weist zwei Balken 2 und 3 auf, die gerade sind und parallel zueinander verlaufen. Sie sind über Gelenke mit zwei Querverbindern 4 und 5 verbunden, von denen der eine über einen Träger 6 ortsfest gehalten und der andere durch die Zugkraft S belastet ist. Die veranschaulichten Gelenke bilden daher je zwei Knotenpunkte 7 und 8 sowie 9 und 10 für die beiden Balken 2 und 3. Jeder Balken kann zwischen diesen Knotenpunkten mit seiner Grundschwingung oder einer Oberschwingung schwingen.
Etwa in der Mitte der Balken 2 und 3 ist ein Schwingungserreger 11 vorgesehen, der einen mit dem Balken 2 verbundenen permanenten Magneten 12 und eine mit dem Balken 3 verbundene Antriebsspule 13 aufweist In einem Abstand von etwa 20% der Balkenlänge von den Knotenpunkten 8 und 10 ist ein Sensor 14 vorgesehen, der einen mit dem Balken 2 verbundenen Permanentmagneten 15 und eine mit dem anderen Balken 3 verbundene Induktionsspule 16 aufweist Wird dem Schwingungserreger 11 ein periodischer Erregerstrom /, zugeführt, schwingen die beiden Balken 2 und 3 gegensinnig zueinander. Durch die Schwingungsbewegung wird in der Induktionsspule 16 des Sensors 14 ein Meßsignai U\ in der Form einer Spannung induziert, die proportional der Geschwindigkeit der Balkenbewegungen relativ zu einander ist
Ein besonders wirksames Ausführungsbeispiel eines Sensors 114 ist in Fig. 2 veranschaulicht Cs werden um 100 gegenüber Fig. 1 erhöhte Bezugszeichen verwendet Ein Permanentmagnet 115, der in Querrichtung nebeneinander als Südpol S una als Nordpol N magnetisiert ist steht einer Induktionsspule 116 gegenüber, deren Achse parallel zu den Balken verläuft
Ein besonders wirksames Ausführungsbeispiel eines Schwingungserregers 111 ist in Fig. 3 veranschaulicht Ein Permanentmagnet 112, der ebenfalls in Querrichtung nebeneinander als Südpol 5 und Nordpol N magnetisiert ist befindet sich im Inneren einer Antriebsspule 113, die aus einem Träger 117 aus nicht magnetisierbarem Material besteht
Eine Erregerschaltung 18, die in Verbindung mit Fig. 5 noch näher erläutert wird, empfängt an ihrem Eingang 19 das Meßsignal Ui und gibt über ihren Ausgang 20 den Erregerstrom Ie an den Schwingungserreger 11 ab. Die Erregerschaltung 18 ist so beschaffen, daß der Erregerstrom die Balken in ihren Resonanzzustand bezüglich ihrer Grundschwingung Fi und ihrer dritten Oberschwingung Fz bringt, wie es schematisch in Rg. 4 veranschaulicht ist Die Grundschwingung Fi jedes Balkens erfolgt zwischen der voll ausgezogenen Linie Fi und der gestrichelten Linie. Die Amplitude der dritten Oberschwingung F3 ist erheblich kleiner als veranschaulicht und der Grundschwingung überlagert
Ein Teil der Erregerschaltung 18 wird als Frequenzermittlungsschaltung 21 ausgenutzt An ihren Ausgängen 22 und 23 stehen die ermittelten Resonanzfrequenzen f\ und /3 für die Grundschwingung und für die dritte Oberschwingung zur Verfügung. Die beiden Frequenzen werden einer Auswerteschaltung 24 Zugeführt, welche einen Rechner und einen Datenspeicher mit einem Eingang 25 aufweist Aus den eingegebenen Daten und den Frequenzen /Ί und /3 kann ein Signal für die Größe der Kraft S errechnet und am Ausgang 26 abgegeben werden, beispielsweise an eine Anzeigeeinrichtung 27.
Die Oberschwingungen sind hier mit einer Ordnungszahl bezeichnet, die sich auf eine Grundschwingung mit der Ordnungszahl 1 bezieht. Aufgrund der Temperatur und des Querschnitts der Balken stehen die Resonanzfrequenzen dieser Schwingungen nicht notwendigerweise in einem genau geradzahligen Verhältnis zueinander.
Der Aufbau der Erregerschaltung ergibt sich aus Fig. 5. Sie bildet zusammen mit der Balkenanordnung eine Oszillator-Einrichtung, von der die Balken den Resonanzkreis darstellen und die Erregerschaltung die erforderliche Schleifenverstärkung und Rückkopplung ergibtDies hat zur Folge, daß sich das System automatisch auf die Resonanzfrequenzen der Balken einstellt. Es ist daher möglich, die Balken gleichzeitig mit den Resonanzfrequenzen f\ und /3 der Grund- und der Oberschwingung zum Schwingen zu bringen. Das Meßsignal U\ wird über einen Vorverstärker A 1 einem Grundschwingungszweig 28 und einem Oberschwingungszweig 29 zugeführt Der Grundschwingungszweig 28 weist eine Phasenkorrekturschaltung PCX und einen Verstärker A 2 auf. Da im Meßsignal U\ die Grundschwingung annähernd mit der Grundschwingung im Erregerstrom /e in Phase ist, braucht in der Phasenkorrekturschaltung PCX nur eine geringfügige Korrektur vorgenommen zu werden. Der Oberschwingungszweig 29 weist einen Hochpaßfilter HPF, eine Phasenkorrekturschaltung PCZ einen Selektionsfilter SF und einen Verstärker A 3 auf. Im Meßsignal U\ ist die dritte Oberschwingung phasenverkehrt mit Bezug auf die dritte Oberschwingung im Erregerstrom Ie enthalten. Deshalb besorgt die Phasenkorrekturschaltung PC2 eine Phasenumkehr. Das Ausgangssignal des Zweiges 28 wird über einen Summationswiderstand R 1 einem Summationsverstärker A 4 zugeführt, dem über einen Summationswiderstand R 2 auch das Ausgangssignal des Zweiges 29 zugeführt wird, das an einem Potentiometer P1 abgegriffen wird, um das Verhältnis der Grundschwingung und der Oberschwingung im Ausgangssignal so zu wählen, daß eine ausgeprägte dritte Oberschwingung im Balken vorhanden ist Das im Vorverstärker A 1 verstärkte Meßsignal U\ wird auch einer automatischen Verstärkerregelung A CC zugeführt welche die Amplitude des verstärkten Meßsignals mit einem an einem Potentiometer P 2 einstellbaren Sollwert vergleicht und in Abhängigkeit davon die Verstärkung des Summationsverstärkers A 4 so einregelt wie es schematisch durch ein Potentiometer P 3 im Rückführungskreis veranschaulicht ist daß die Meßsignalamplitude dem Sollwert entspricht Der Ausgangswert des Summationsverstärkers A 4 wird über einen Spannungs-Strom-Wandler U/h und eine Endstufe E dem Schwingungserreger 11 als Strom lc zugeführt
Damit die Oberschwingung, hier also die dritte Oberwelle, sauber herausgefilterl werden kann, ist außer dem Hochpaßfilter HPF, das für tiefere Frequenzen sperrt das Selektionsfilter SF verwendet, dessen die Filterfunktion bestimmende Mittelfrequenz durch von einem Taktgeber 30 erzeugte Taktimpulse i, bestimmt ist die über eine Leitung 31 mit einer Taktfrequenz /, mit dem N-fachen der Oberschwingungsfrequenz /3 zugeführt werden. Zu diesem Zweck ist der eine Eingang 31 einer Phasenverriegelungsschaltung PLL über einen Komparator K1 mit dem Ausgang des Verstärkers A 3 des Oberschwingungszweiges 29 und der zweite Eingang 32 über einen Teiler Tmit dem Ausgang 33 der Phasenver-
riegelungsschaltung verbunden. Letztere besteht in üblicher Weise aus der Reihenschaltung eines Phasenkomparator, eines Tiefpaßfilters, und eines spannungsgesteuerten Oszillators. Die Taktfrequenz f, ist ein ganzzahliges Vielfaches der Oberschwingungsfrequenz /3. N hat beispielsweise den Wert 64. Mit Hilfe der Potentiometer P 4 und P5 kann das Selektionsfilter SF zusätzlich eingestellt werden. Es handelt sich um ein sogenanntes "tracking filter". Weil die Mittelfrequenz des Selektionsfilters SFder Resonanzfrequenz /3 der Ober-Schwingung nachgeführt wird, ist gewährleistet, daß das Filter sehr genau auf diese Frequenz /3 abgestimmt ist, die dritte Oberschwingung also verstärkt wird, während alle anderen Frequenzen kräftig gedämpft werden.
Eine Anlaufschaltung 34 weist eine logische Schaltung mit zwei Nand-Glieder Nl und N 2 auf. Das Nand-Glied N 2 speist den Summationsverstärker A 4 über einen dritten Summationswiderstand R3 mit wahllos auftretenden Rechteckimpulsen immer dann, wenn am Ausgang 35 des !Comparators K1 Rechteckimpulse vorhanden sind und gleichzeitig durch das Auftreten eines Signals 0 an einem weiteren Ausgang 36 der Phasenverriegelungsschaltung PLL angezeigt wird, daß noch keine Phasenverriegelung erfolgt ist. Tritt am Ausgang 36 dagegen bei Verriegelung das Signal 1 auf, also im Normalbetrieb, bleibt das Nand-Glied N 2 gesperrt. Die unregelmäßig auftretenden Rechteckimpulse erzeugen eine Schwingung mit unterschiedlichen Frequenzen. Aufgrund des Aufbaus der Erregerschaltung 18 dominieren in Kürze die Grundschwingung und die dritte Oberschwingung, so daß der Normalbetriebszustand rasch erreicht wird.
Bei einer solchen Erregerschaltung 18 kann die Frequenzermittlungsschaltung 21 einen sehr einfachen Aufbau haben. Es braucht lediglich der Ausgang 22 über einen Komparator AT 2 mit dem Ausgang des Verstärkers A 2 im Grundschwingungszweig 28 und der Ausgang 23 mit dem Ausgang 35 des Komparators K1 des Oberschwingungszweiges 29 verbunden zu werden. Am Ausgang 22 treten dann Rechteckimpulse mit der Resonanzfrequenz /i der Grundschwingung, dem Ausgang 23 Rechteckimpulse mit der Resonanzfrequenz /3 der dritten Oberschwingung auf.
Die Frequenz des Balkens läßt sich wie folgt beschreiben:
ExI
2 χ/2 "I pxA
xS, (1)
/7-te Resonanzfrequenz
Ordnungszahl für Schwingung
Länge des Balkens
Elastizitätsmodul
Trägheitsmoment
Dichte des Balkens
Querschnittsfläche des Balkens
Axialkraft
50
55
Hieraus ergeben sich die Frequenzen der Grundschwingung und der dritten Oberschwingung nach Quadrierung
60
Px = C0+ Ci* S Pi = 81 χ Cb+ 4"
mit den zusammenfassenden Ausdrücken
ExI
C1--
A1Xp χ A
IxM
wobei M = Masse des Balkens.
Bereits aus Gleichung (2) läßt sich die Axialkraft wie folgt berechnen
/i2- α
Da Co und Q unter Normalbedingungen bekannt sind, ergibt sich unmittelbar aus der Resonanzfrequenz f\ der Grundschwingung die zu ermittelnde Kraft S.
Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit sollte allerdings noch die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden. Denn die Werte C0 und Q enthalten Größen, welche temperaturabhängig sind, nämlich /, /, p, A und E Diese Temperaturabhängigkeit läßt sich berücksichtigen, wenn die Werte Co und Ci aus beiden Gleichungen (2) und (3) mit Hilfe der Frequenzen f\ und /3 ermittelt werden. So ergibt sich bei Eliminierung von Ci
Der Wert C\ ist ebenfalls temperaturabhängig, da die Balkenlänge / in ihn eingeht Da diese Länge bei Normaltemperatur sowie der Ausdehnungskoeffizient aber bekannt sind, kann man bei Kenntnis der Umgebungstemperatur den Wert Ci berechnen. Die Umgebungstemperatur kann entweder gemessen oder aus Co ermittelt werden, da sich Co nur in Abhängigkeit von der Temperatur ändert Man kann aber auch die Umgebungstemperatur anhand der Frequenzen f\ und /3 ermitteln, da sich diese Frequenzen in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedlich ändern. Die Grundschwingungs-Resonanzfrequenz /i ändert sich mit steigender Temperatur sehr viel stärker als die Oberschwingungs-Resonanzfrequenz /3. Wenn man daher die beiden Frequenzen in irgendeiner Rechenvorschrift miteinander verknüpft, sei es im Wert Q sei es in einem Quotienten, ergibt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen diesem Verknüpfungswert und der Temperatur. Man kann daher Ci bei Kenntnis von /i und /3 mit dem Rechner der Auswerteschaltung 24 berechnen lassen.
Die Knotenpunkte können auch an anderer Stelle dadurch gebildet werden, daß die Balken 2 und 3 durch je eine Lasche nahe ihren Enden miteinander verbunden werden. Zur Ermittlung der Axialkraft kann man auch die Resonanzfrequenzen anderer Schwingungen als der Grundschwingung bzw. der dritten Oberschwingung verwenden. Insbesondere kann die zweite Oberwelle hierzu verwendet werden, was aber eine Erregung an einer anderen Stelle als an der Mitte und damit eine höhere Erregerenergie erfordert Bei höheren Oberschwingungen muß man mit einer kleineren Schwingungsamplitude vorliebnehmen.
x S
(2)65
(3) Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 Patentansprüche
1. Verfahren zum Messen einer Kraft, wobei die Kraft feinen Balken in Axialrichtung belastet, der Balken in Resonanzschwingungen versetzt wird, die Istfrequenz (I) der Resonanzschwingungen festgestellt wird und hieraus die Kraft nach der Beziehung
DE3505165A 1985-02-15 1985-02-15 Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Kraft Expired DE3505165C2 (de)

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