DE1276931B

DE1276931B - Device for measuring force

Info

Publication number: DE1276931B
Application number: DEC32847A
Authority: DE
Inventors: Jean Jullien-Davin
Original assignee: Crouzet SA
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1963-05-10
Filing date: 1964-05-09
Publication date: 1968-09-05

Description

Vorrichtung zur Kraftmessung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftmessung, bei der die zu messende Kraft durch eine gleich große, in entgegengesetzter Richtung wirkende, elektromagnetisch erzeugte Kraft kompensiert wird, die ihrerseits von einem mechanisch-elektrischen Wandler über einen Verstärker gesteuert wird.Device for measuring force The invention relates to a device for force measurement, in which the force to be measured is measured by an equal, opposite Direction acting, electromagnetically generated force is compensated for in turn is controlled by a mechanical-electrical converter via an amplifier.

Bei bekannten Vorrichtungen zur Kraftmessung ist es in nachteiliger Weise nicht möglich, dem Augenblickswert des magnetischen Feldes Rechnung zu tragen, die Veränderungen bzw. Schwankungen eines von einer beliebigen Quelle herstammenden Feldes zu kompensieren bzw. auszugleichen und die Null-Methode anzuwenden, um die Linearitätsfehler eines Meßfühlers oder federnden Aufhängungselements zu unterdrücken. In known devices for measuring force, it is disadvantageous Way not possible to take into account the instantaneous value of the magnetic field, the changes or fluctuations in any source To compensate or equalize the field and to apply the zero method to the To suppress linearity errors of a sensor or resilient suspension element.

Es sind bereits Hall-Generatoren bekannt, wobei der Hall-Effekt im wesentlichen darin besteht, daß eine Potential-Differenz, die sogenannte Hall-Spannung, zwischen zwei gegenüberliegenden Rändern einer Platte aus halbleitendem Material auftritt, die einerseits von einem elektrischen Strom, dem Steuerstrom, unter einem Winkel von im wesentlichen 900 in bezug auf die erwähnten Ränder durchflossen wird und andererseits von einem magnetischen Feld senkrecht zu ihrer Fläche durchsetzt ist. Hall generators are already known, the Hall effect being im essentially consists in the fact that a potential difference, the so-called Hall voltage, between two opposite edges of a sheet of semiconducting material occurs on the one hand by an electric current, the control current, under a An angle of essentially 900 with respect to the mentioned edges is traversed and on the other hand permeated by a magnetic field perpendicular to its surface is.

Bekanntlich ist die Hallspannung U durch die Gleichung Rit IH e gegeben, in der Rh die Hall-Konstante, e die Dicke der Platte, I die Stärke des Steuerstroms, H die magnetische Feldstärke bedeutet. As is well known, the Hall voltage U is given by the equation Rit IH e, where Rh is the Hall constant, e is the thickness of the plate, I is the strength of the control current, H means the magnetic field strength.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kraftmessung zu schaffen, welche nicht mit den oben geschilderten Nachteilen der bekannten Vorrichtungen behaftet ist. The invention is based on the object of a device for measuring force to create which does not have the disadvantages of the known devices described above is afflicted.

Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Kraftmessung vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß im magnetischen Kreis ein Hall-Generator angeordnet ist, dessen Betriebsgrößen zur Kraftmessung benutzt werden. To solve the problem underlying the invention is a A device for measuring force proposed, which is characterized in that a Hall generator is arranged in the magnetic circuit, its operating parameters for Force measurement can be used.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im wesentlichen darin zu sehen, daß man der zu messenden Kraft (die auf einen beweglichen Punkt einwirkt) eine gleiche, in entgegengesetzter Richtung wirkende Kraft gegenüberstellt, die durch die kombinierte Wirkung eines magnetischen Feldes und eines meßbaren elektrischen Stromes erzeugt ist, wobei der eine oder der andere dieser Parameter in Abhängigkeit von der Hall-Spannung gemessen wird und wobei das Verhältnis zwischen diesen beiden Kräften dazu dient, automatisch die Gegenkraft zu steuern bzw. zu betätigen. Dabei wird die zu messende Kraft entweder direkt von der Hall-Spannung oder von einem Strom abgeleitet, der unabhängig von der Hall-Spannung gesteuert wird, wobei jedoch diese Spannung, die zur Stabilisierung des magnetischen Feldes dient, indirekt in der Messung mit verwendet wird. Durch die Zuordnung eines Hall-Generators ist es möglich, a) dem Augenblickswert des Magnetfeldes Rechnung zu tragen, b) die Veränderungen bzw. Schwankungen eines von einer beliebigen Quelle herstammenden Feldes zu kompensieren bzw. auszugleichen und c) die Null-Methode anzuwenden, um die Linearitätsfehler eines Stellungsgebers oder federnden Aufhängungselements zu unterdrücken. The advantage of the device according to the invention is essential to see that the force to be measured (which acts on a movable point acts) opposes an equal force acting in the opposite direction, that by the combined action of a magnetic field and a measurable electric field Current is generated, one or the other of these parameters as a function is measured by the Hall voltage and the relationship between these two Forces serves to automatically control or actuate the counterforce. Included the force to be measured is either taken directly from the Hall voltage or from a Current derived, which is controlled independently of the Hall voltage, whereby however this voltage, which serves to stabilize the magnetic field, indirectly in used in the measurement. By assigning a Hall generator it is possible to take into account a) the instantaneous value of the magnetic field, b) the changes or to compensate for fluctuations in a field originating from any source or compensate and c) apply the zero method to the linearity error a position transmitter or resilient suspension element to suppress.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Preferred embodiments of the invention are set out in the subclaims refer to.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung dargestellt sind, beschrieben. In dieser zeigt F i g. 1 eine schaubildliche Ansicht eines Hall-Generators, F i g. 2 eine schaubildliche Ansicht der die Grundlage der Erfindung bildenden Mittel, F i g. 3 im Achsschnitt eine Ausführungsform eines Druckanzeigegeräts nach der Erfindung, F i g. 4 im Achsschnitt eine Abwandlung des Druckmeßgeräts nach F i g. 3, Fig. 5 im Achsschnitt eine andere Abwandlung des Druckmeßgeräts nach F i g. 3, F i g. 6 ein synoptisches Schema einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. The invention is described below with the aid of some exemplary embodiments, shown in the drawing. In this FIG. 1 one diagrammatic view of a Hall generator, FIG. 2 is a perspective view the means forming the basis of the invention, FIG. 3 shows an embodiment in axial section a pressure indicator according to the invention, F i g. 4 in axial section a modification of the pressure measuring device according to FIG. 3, Fig. 5 in axial section another Modification of the pressure measuring device according to FIG. 3, fig. 6 a synoptic scheme of a further embodiment of the invention.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, enthält ein Hall-Generator eine Platte A aus halbleitendem Material. As can be seen from Fig. 1, a Hall generator includes a plate A made of semiconducting material.

Wenn man zwischen den Rändern und b dieser Platte von der Dicke e einen Steuerstrom von der Stärke 1 fließen läßt und die Platte in ein Feld von der Feldstärke H senkrecht zur Ebene der Platte bringt, so tritt an den gegenüberliegenden Klemmen c und d eine Potentialdifferenz, die Hall-Spannung, auf: Rh U IH. e Da die Hall-KonstanteRh und die Dicke e konstant sind, ergibt sich Rh = K, somit U = KIH.If between the edges and b of this plate of the thickness e allows a control current of the strength 1 to flow and the plate in a field of the Field strength H brings perpendicular to the plane of the plate, it occurs at the opposite Terminals c and d a potential difference, the Hall voltage, on: Rh U IH. e Since the Hall constant Rh and the thickness e are constant, we get Rh = K, thus U = KIH.

Für die Anwendung des Hall-Generators auf ein Dynamometer wird die in Fig. 2 gezeigte Prinzipanordnung zugrunde gelegt, bei der eine biegsame Lamelle C und D eingespannt ist, an der im Punkt E die Kraft F 1 angreift, die gemessen werden soll. Im Punkt E ist mechanisch, z. B. durch einen Faden bzw. Draht, ein Leiter B angehängt, der von einem Strom von der Stärke 1 durchflossen und in demselben MagnetfeldH wie der an Hand von Fig 1 beschriebene Hall-Generator angeordnet ist, der hier in Reihe mit dem Leiter B liegt, so daß der Steuerstrom des Generators der Strom I ist, der durch den Leiter B fließt, welcher so angeordnet ist, daß das Feld H senkrecht zu diesem Leiter gerichtet ist. For the application of the Hall generator to a dynamometer, the The basic arrangement shown in FIG. 2 is based on which a flexible lamella C and D is clamped, at which the force F 1 acts at point E, which is measured shall be. In point E is mechanical, z. B. by a thread or wire Attached to conductor B through which a current of strength 1 flows and in the same Magnetic field H as the Hall generator described with reference to Fig. 1 is arranged, which is here in series with the conductor B, so that the control current of the generator is the current I flowing through the conductor B, which is arranged so that the Field H is directed perpendicular to this conductor.

Auf Grund des Gesetzes von Laplace und der Ampereschen Regel unterliegt der Leiter einer Kraft F2 senkrecht zu der Ebene, die durch den Leiter B und die Richtung der Kraftlinien festgelegt ist, wobei diese Kraft durch den Ausdruck gegeben ist: F2 = K2IH. Subject to Laplace's Law and Ampere's Rule the head of a force F2 perpendicular to the plane passing through the head B and the Direction of the lines of force is fixed, this force being given by the expression is: F2 = K2IH.

Man kann also die Kraft F2 regeln, indem man entweder I oder H oder I und H gleichzeitig ändert. So you can regulate the force F2 by either I or H or I and H changes at the same time.

Wie man sieht, haben F2 und U den gleichen Ausdruck, woraus folgt: F2 = K' U.As you can see, F2 and U have the same expression, from which it follows: F2 = K 'U.

Um F2 zu kennen, genügt es, die Spannung U an den Klemmen c und d des Hall-Generators zu messen. To know F2, it is sufficient to measure the voltage U at terminals c and d of the Hall generator to measure.

In Abwesenheit jeglicher Kraft nimmt die Lamelle C eine Ruhelage ein, die durch den Punkt O festgelegt ist. Bei der Einwirkung einer unbekannten Kraft1 auf die Lamelle C biegt sich diese aus. Wenn man den Strom 1 fließen läßt, sind die im PunktE angreifenden verschiedenen Kräfte folgende: F1 die Kraft, die gemessen werden soll, F2 die Kraft, die durch den Strom 1 und das Feld H erzeugt wird, F3 die Kraft, die durch die Elastizität der Lamelle hervorgerufen wird.In the absence of any force, the slat C assumes a rest position, which is determined by the point O. When an unknown force is applied 1 This bends on the lamella C. If you let the stream 1 flow, you are the different forces acting at point E are as follows: F1 is the force measured should be, F2 the force generated by the current 1 and the field H, F3 the force caused by the elasticity of the lamella.

Allgemein gilt F1 = F2 + F3. In general, F1 = F2 + F3 applies.

Wenn man F2 ändert, z. B. durch Regeln von I, derart, daß der AngriffspunktE der Kräfte in die Lage O gelangt, wird die Kraft F3 Null, und es ergibt sich Fl=F2=k'U. If you change F2, e.g. By regulating I such that the point of attack E. of forces in the When position O arrives, the force F3 becomes zero, and the result is Fl = F2 = k'U.

Der Wert von F 1 kann also unmittelbar an einem GalvanometerG von hohem innerem Widerstand abgelesen werden, dessen Skala vorteilhaft in Krafteinheiten geeicht ist. Um eine genauere Ablesung zu ermöglichen, kann ein Röhrenvoltmeter verwendet werden, bei dem der Eingangswiderstand praktisch unendlich ist. The value of F 1 can therefore be measured directly on a galvanometerG of high internal resistance, its scale advantageously in units of force is calibrated. To enable a more precise reading, a tube voltmeter where the input resistance is practically infinite.

Zur Vereinfachung der vorstehenden theoretischen Entwicklung ist angenommen, daß die Lage O der Lamelle C von der Bedienungsperson optisch erfaßt wird, doch kann diese Lage automatisch durch Mittel überwacht werden, wie sie als Lagedetektor bzw. To simplify the above theoretical development is assumed that the position O of the lamella C is optically detected by the operator is, but this situation can be monitored automatically by means such as Position detector or

-fühler bekannt sind, wobei ein solcher Fühler dazu dienen kann, automatisch den Strom 1 oder das Feld H oder beide Größen zu beeinflussen, um die Gleichheit der Kräfte F1 = F2 zu verwirklichen.sensors are known, and such a sensor can be used automatically to influence the current 1 or the field H or both quantities in order to achieve equality to realize the forces F1 = F2.

Bei der praktischen Ausführung des Geräts ist der Leiter kein geradliniger Draht, sondern vielmehr eine Spule, die in dem radialen Magnetfeld angeordnet ist, das in dem ringförmigen Spalt einer elektrodynamischen Vorrichtung nach Rice-Kellog erzeugt wird. In the practical implementation of the device, the ladder is not a straight line Wire, but rather a coil that is placed in the radial magnetic field, that in the annular gap of a Rice-Kellog electrodynamic device is produced.

Bei dieser ist ein Magnetkern in einem metallischen Topfmagneten angeordnet und mit seinem einen Ende am Boden des Topfes befestigt, dessen freier Rand dem anderen Ende des Kerns gegenüberliegt und mit diesem einen Ringspalt bildet, in dem sich frei und gleichachsig zum Kern eine Spule bewegen kann, die von einem Strom durchfiossen ist, der die axiale Lage der Spule steuert.In this case, a magnetic core is arranged in a metallic pot magnet and with one end attached to the bottom of the pot, the free edge of which is attached to the opposite end of the core and forms an annular gap with it, in which a coil can move freely and coaxially to the core, which is driven by a current is durchfiossen that controls the axial position of the coil.

Das Gerät nach der Erfindung kann dazu dienen, jede physikalische Größe zu messen, die durch eine Kraft dargestellt werden kann. The device according to the invention can serve any physical Measure quantity that can be represented by a force.

Die nachstehenden besonderen Beispiele beziehen sich auf die Messung von Drücken. Wenn nämlich die Kraft F 1 durch einen Druck erzeugt wird, der auf eine biegsame Membran von der Fläche einwirkt, gestattet das Gerät die Messung von P, da S konstant ist: Fl=PS=FZ=k'U, P=K"U. The specific examples below relate to measurement by pressing. Namely, if the force F 1 is generated by a pressure that on acts on a flexible membrane from the surface, the device allows the measurement of P, since S is constant: Fl = PS = FZ = k'U, P = K "U.

Fig. 3 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen Differentialdruckabnehmer. Hier weist ein dichtes Gehäuse 1, das den größten Teil der Bestandteile des Geräts einschließt, einen Raum 2 auf, der durch eine Membran 3 von der Kammer 4 getrennt ist, die das Gehäuse bildet. In dem mit einem Anschluß 2 a versehenen Raum 2 herrscht ein Druck Pl, während die mit einem Anschluß 4 a versehene Kammer 4 unter einem Drucke2 steht. Fig. 3 shows the application of the invention to a differential pressure pickup. Here has a tight housing 1, which most of the components of the device includes a space 2 which is separated from the chamber 4 by a membrane 3 which forms the housing. In the provided with a connection 2 a room 2 prevails a pressure Pl, while the chamber 4 provided with a connection 4 a under a Print2 stands.

Im Prinzip soll P1<P2 sein, so daß die Membraun 3 einer KraftF1 unterliegt, die der Differenz der Drücke proportional ist: F1 =kl(P2 -Pl). In principle, P1 should be <P2, so that the membrane 3 of a force F1 which is proportional to the difference in pressures: F1 = kl (P2 -Pl).

Die Membran 3 ist durch einen Stab 5 mit dem Magnetkem 6 a eines magnetischen Lagefühlers 6 von bekannter Bauart verbunden, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß, wenn P1= P2 ist, der Kern 6 a eine solche Lage einnimmt, daß das vom Fühler 6 abgegebene Zeichen Null ist. The membrane 3 is a rod 5 with the magnetic core 6 a magnetic position sensor 6 of known design connected, the arrangement so it is taken that when P1 = P2, the Core 6 a such a location assumes that the character emitted by the sensor 6 is zero.

An Stelle des magnetischen Fühlers kann auch ein Fühler mit Kontakten oder ein kapazitiver Fühler verwendet werden. Instead of the magnetic sensor, a sensor with contacts can also be used or a capacitive sensor can be used.

Der Stab 5 verbindet ferner die Membran 3 mit einer Spule 7, deren Windungen sich in einem Feld H befinden, das in dem Spalt 8 eines magnetischen Kreises erzeugt wird, der einen Kern 9 und einen Topf 10 enthält und durch eine Wicklung 11 erregt wird. The rod 5 also connects the membrane 3 with a coil 7 whose Windings are in a field H that is in the gap 8 of a magnetic circuit is generated which contains a core 9 and a pot 10 and by a winding 11 is excited.

Der magnetische Kreis besitzt einen zweiten Spalt 12, der den Hall-Generator 13 enthält, der von dem Feld H durchsetzt wird und dessen Klemmen, an denen die Hall-Spannung auftritt, mit einem Spannungsmesser 14 verbunden sind. The magnetic circuit has a second gap 12, which is the Hall generator 13 contains, which is penetrated by the field H and its terminals on which the Hall voltage occurs, connected to a voltmeter 14.

Der Steuerkreis des Generators 13 ist in Reihe geschaltet mit der Wicklung der Spule 7 am Ausgang eines Leistungsverstärkers für Gleichstrom 15, der durch den Lagefühler 6 gesteuert wird. The control circuit of the generator 13 is connected in series with the Winding of the coil 7 at the output of a power amplifier for direct current 15, the is controlled by the position sensor 6.

Die Erregerwicklung 11 kann entweder durch den Verstärker 15 oder durch eine besondere Stromquelle gespeist werden. Als Variante kann die Erregerwicklung entfallen (oder ihre Wirkung auf eine Erregerkorrektur beschränkt werden) und als Kern 9 ein Dauermagnet dienen. The excitation winding 11 can either through the amplifier 15 or be fed by a special power source. As a variant, the excitation winding omitted (or their effect can be limited to a pathogen correction) and as Core 9 serve as a permanent magnet.

Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung läßt jede Verlagerung der Membran 3 unter der Wirkung einer Druckdifferenz P 2 - Pl, die eine Kraft F 1 erzeugt, zufolge der entsprechenden Verschiebung des Kerns 6 a eine Spannung in den Wicklungen des Fühlers 6 auftreten, die, an den Verstärker 15 gelegt, den Strom I erzeugt, der durch die Spule 7 sowie als Steuerstrom durch den Hall-Generator fließt. Die Spule 7 erzeugt alsdann eine Kraft F2 = KlHI, welche der Kraft F1 = K1 (P2P1) das Gleichgewicht hält. Es gilt dann F1=F2=K'U. In the device described above, any shift the membrane 3 under the action of a pressure difference P 2 - Pl, which a force F 1 generated, due to the corresponding displacement of the core 6 a, a voltage in the windings of the sensor 6 occur, which, applied to the amplifier 15, the current I generated by the coil 7 and as a control current by the Hall generator flows. The coil 7 then generates a force F2 = KlHI, which corresponds to the force F1 = K1 (P2P1) keeps the balance. It then applies F1 = F2 = K'U.

Dies ist nur richtig, wenn die Verstärkung des Verstärkers 15 unendlich ist, was sich praktisch offensichtlich nicht verwirklichen läßt. Denn das Gleichgewicht stellt sich ein, wenn die Verschiebung e des Kerns 6 a des Fühlers 6 so groß ist, daß die vom Produkt HI erzeugte Kraft F 2 F2 = beträgt, worin F die elastische Kraft aus der Verformung der Membran 3 ist. Die Gleichung der Kräfte lautet: F1 = F2Fe, was keine Bedeutung hat, wenn Fe eine lineare Funktion von e ist und wenn das vom Fühler 6 abgegebene Zeichen ebenfalls eine lineare Funktion von e ist. This is only true if the gain of amplifier 15 is infinite is what is obviously impossible to achieve in practice. Because the balance occurs when the displacement e of the core 6 a of the sensor 6 is so great, that the force generated by the product HI is F 2 F2 =, where F is the elastic force from the deformation of the membrane 3 is. The equation of the forces is: F1 = F2Fe, which has no meaning if Fe is a linear function of e and if that of Sensor 6 emitted characters is also a linear function of e.

Bei vorstehend beschriebener Ausführungsform des Geräts kann als Abwandlung beispielsweise vermöge eines Nebenwiderstandes der Hall-Generator 13 nur von einem Bruchteil des Stroms I durchflossen sein. In the embodiment of the device described above, as The Hall generator 13 can be modified, for example, by means of a shunt resistance only a fraction of the current I must flow through it.

Damit die auftretenden Kräfte nicht zu groß sind, ist wichtig, daß die Fläche der Membran 3 klein ist, von der Größenordnung von 1 cm2 beispielsweise, und daß, um für die schwachen Drücke empfindlich zu sein, die Membran sehr dünn sein muß, z. B. 0,03 bis 0,04 mm stark. So that the forces that occur are not too great, it is important that the area of the membrane 3 is small, of the order of 1 cm2 for example, and that in order to be sensitive to the weak pressures to be, the membrane will be very thin must, e.g. B. 0.03 to 0.04 mm thick.

Jedoch ist eine Dicke von dieser Größenordnung nicht zu vereinbaren mit der Starrheit, die die Zentrierung der Spule 7 im Ringspalt 8 erfordert, der möglichst eng gewählt werden sollte. However, a thickness of this order of magnitude cannot be agreed with the rigidity that requires the centering of the coil 7 in the annular gap 8, the should be chosen as closely as possible.

Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, wird vorteilhaft eine kompensierte Manometerkapsel von der Art der in F i g. 4 dargestellten verwendet, in der die gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 3 die bereits in dieser Abbildung dargestellten Teile bezeichnen. In order to avoid these difficulties, it is advantageous to use a compensated one Manometer capsule of the type shown in FIG. 4 used, in which the the same reference numbers as in Fig. 3, those already shown in this figure Designate parts.

Bei dieser Ausführungsform weist die Kapsel zwei Membranen mit den Flächen usa bzw. Sb auf, von denen Sa > Sb ist. In this embodiment, the capsule has two membranes with the Areas usa and Sb, respectively, of which Sa> Sb.

Der Raum 2x wird über den Anschluß 2xa mit einem DruckP1 und die Kammer 4 über den Anschluß 4a mit einem Drucke2 beaufschlagt, wobei P1<P2 ist. The room 2x is via the connection 2xa with a DruckP1 and the Chamber 4 is subjected to a pressure 2 via the connection 4a, where P1 <P2.

Die beiden Membranen 3 a und 3 b sind untereinander durch den Stab 5 verbunden, der außerdem an der Spule 7, am Kern 6 a des Fühlers 6 und an einem zweiarmigen Hebel 16 angreift, der bei 17 drehbar ist und ein Gegengewicht 18 trägt. The two membranes 3 a and 3 b are mutually through the rod 5 connected, which is also connected to the coil 7, the core 6 a of the sensor 6 and a two-armed lever 16 engages, which is rotatable at 17 and a counterweight 18 carries.

Die Membran 3 a wird im Sinne des Pfeils fa durch eine Kraft Fa = Sa (P2P1) beaufschlagt, während die Membran 3 b im Sinne des Pfeils fb unter der Wirkung einer Kraft Fb=Sb(P2-Pl) steht. Auf die Gesamtheit der beiden miteinander verbundenen Membranen wirkt also im Sinne des Pfeils fa eine Kraft F1 = FaFb = (Sa-Sb)(P2-Pl). The membrane 3 a is in the direction of the arrow fa by a force Fa = Sa (P2P1) acted upon, while the membrane 3 b in the direction of the arrow fb under the Effect of a force Fb = Sb (P2-Pl) stands. On the totality of the two with each other connected membranes thus acts in the sense of the arrow fa a force F1 = FaFb = (Sa-Sb) (P2-Pl).

Indem Sb nahe genug an Sa gewählt wird, bleibt die Kraft F 1 mit Sicherheit klein. By choosing Sb close enough to Sa, the force F 1 stays with it Security small.

Mit Membranen 3 a und 3b von großem Durchmesser ist die Gesamtanordnung weich in Längsrichtung des Stabs 5, was eine gute Empfindlichkeit gewährleistet; sehr starr quer zum Stab 5, was eine sehr genaue Zentrierung in einem möglichst kleinen Spalt 8 gestattet. With membranes 3a and 3b of large diameter, the overall arrangement is soft in the longitudinal direction of the rod 5, which ensures good sensitivity; very rigid transversely to the rod 5, which allows a very precise centering in a possible small gap 8 allowed.

Die Wirkungsweise dieser Ausführung ist genau die gleiche wie die des in F i g. 3 dargestellten Geräts, mit der zusätzlichen Verbesserung auf Grund des Gegengewichts 18, durch das die Masse der aus Kern 6 a, Stab 5 und Spule 7 gebildeten Einheit im Gleichgewicht gehalten ist, was das Gerät unempfindlich gegen Beschleunigungen macht. The operation of this embodiment is exactly the same as that of the in FIG. 3, with the additional improvement due to of the counterweight 18, through which the mass of the core 6 a, rod 5 and coil 7 formed Unit kept in equilibrium is what makes the device insensitive to acceleration power.

Wenn ein Anzeigegerät für absoluten Druck verwirklicht werden soll, wird die Kammer 2 bzw. 2x luftleer gemacht und abgedichtet. If a display device for absolute pressure is to be realized, the chamber 2 or 2x is evacuated and sealed.

Die Vorrichtung nach Fig. 4 hat über die nach Fig. 3 hinaus den Vorteil, daß der Kern 6 a sich nicht mehr in dem Raum der Manometerkapsel, sondern in der Kammer 4 befindet. Da dieser Kern im allgemeinen aus Ferrit besteht, kann er zu einer bedeutenden Entgasung Anlaß geben, die der Güte des Vakuums im Raum 2 schädlich ist, wenn der Kern sich in diesem Raum befindet. The device according to FIG. 4 has the advantage over that according to FIG. 3, that the core 6 a is no longer in the space of the manometer capsule, but in the Chamber 4 is located. Since this core is generally made of ferrite, it can become too give rise to a significant degassing, which is detrimental to the quality of the vacuum in space 2 is when the core is in that space.

In Fig. 5 ist eine andere Anwendungsform des Hall-Generators dargestellt, die genauere Messungen liefert, als sie mit den obigen Anordnungen erhalten werden. In Fig. 5 another form of application of the Hall generator is shown, which gives more accurate measurements than can be obtained with the above arrangements.

Zur Vereinfachung der nachstehenden Beschreibung sind für die schon beschriebenen Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet. To simplify the description below, for those already Parts described are given the same reference numerals.

Bekanntlich besitzt der Hall-Generator eine Linearität von 2 Promille. Um eine genauere Messung zu erhalten, genügt es, nur einen sehr kleinen Teil der Charakteristik des Generators auszunutzen. As is well known, the Hall generator has a linearity of 2 per thousand. To get a more accurate measurement, it is sufficient to only use a very small part of the Take advantage of the characteristics of the generator.

Zu diesem Zweck läßt man in dem Generator einen Steuerstrom von konstanter Stärkelc fließen, der von einer konstanten Stromquelle 19 geeigneter Art abgegeben wird. In diesem Fall ist die Hall-Spannung U = K Ic H proportional zum Feld H: U = K2H. For this purpose, a control current of constant is left in the generator Strength c flow, which is delivered by a constant current source 19 of a suitable type will. In this case the Hall voltage U = K Ic H is proportional to the field H: U = K2H.

Die Stromquelle 19 kann auch eine Stromquelle für Wechselstrom, für Rechteckimpulse usw. sein. The power source 19 can also be a power source for alternating current, for Be square pulses, etc.

Die Ausgangsspannung U hat stets die Form der Eingangsspannung, aber ihre Amplitude ist zum Feld H proportional. The output voltage U always has the form of the input voltage, but its amplitude is proportional to the field H.

Diese Spannung U wird benutzt, um (durch Vergleich dieser Spannung mit einer Bezugsspannung) mittels eines Gleichstromverstärkers 20 (oder jedes anderen geeigneten Mittels) den Erregerstromle in der Spule 11 zu regeln, derart, daß der Wert H des magnetischen Feldes streng konstant bleibt. This voltage U is used to (by comparing this voltage with a reference voltage) by means of a DC amplifier 20 (or any other suitable means) to regulate the excitation current in the coil 11, such that the The value H of the magnetic field remains strictly constant.

In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein, daß der magnetische Kreis 9-10 durch Dauermagneten gebildet wird, die eine FeldstärkeHa ergeben, die dem gewünschten konstanten Wert H sehr benachbart ist. In diesem Fall braucht der in der Wicklung 11 fließende Erregerstrom le nur eine positive oder negative Korrektur des permanenten Feldes Ha sicherzustellen, damit Ha + h = H ist. In certain cases it can be advantageous that the magnetic Circle 9-10 is formed by permanent magnets, which result in a field strength Ha that is very close to the desired constant value H. In this case he needs Excitation current le flowing in the winding 11 only has a positive or negative correction of the permanent field Ha to ensure that Ha + h = H.

Die in der Wicklung 11 abgegebene Leistung ist dann sehr gering, was gewisse Vorteile hat, insbesondere für den Verstärker 20 (oder die ihn ersetzenden Mittel) können kleinere Leistungen gefordert werden; die Verteilung der Jouleschen Wärme in der Wicklung 11 kann sehr niedrig sein, wodurch die Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur des Hall-Generators erleichtert wird. The power output in winding 11 is then very low, which has certain advantages, in particular for the amplifier 20 (or those replacing it Medium) smaller services may be required; the distribution of Joules Heat in the winding 11 can be very low, thereby maintaining a constant temperature of the Hall generator is facilitated.

Da das Feld H konstant ist, kann der Ausdruck F1 = F2 = CI, für die Kraft F2, die die Spule 7 ausübt, die von dem Strom 1 durchflossen und in dem konstanten Feld H angeordnet ist, geschrieben werden: F2 = CI, worin C ein konstanter Faktor ist. Since the field H is constant, the expression F1 = F2 = CI, for the Force F2, which the coil 7 exerts, through which the current 1 flows and in the constant Field H is arranged to be written: F2 = CI, where C is a constant factor is.

Im Gleichgewicht ist Fl=F2=CI, so daß die Messung der Kraft F 1 auf die Messung einer Intensität bzw. Stromstärke zurückgeführt ist, was mit Hilfe eines Strommessers erfolgen kann, der in Krafteinheiten geeicht und in den Stromkreis der Spule 7 eingeschaltet ist. In equilibrium, Fl = F2 = CI, so that the measurement of the force F 1 on the measurement of an intensity or amperage is traced back to what with the help of a Ammeter can be made, which is calibrated in units of force and included in the circuit the coil 7 is switched on.

Es ist zu beachten, daß bei den Ausführungsformen nach F i g. 4 und 5 das Weglassen des Gegengewichts 18 und der Ersatz der Manometerkapsel durch eine Masse, die in der Querrichtung festgehalten und in Richtung des Stabs 5 elastisch gehalten ist, die Messung der Komponente der Beschleunigung ermöglicht, die in Richtung der Achse des Stabs 5 gerichtet ist. It should be noted that in the embodiments according to FIG. 4 and 5 the omission of the counterweight 18 and the replacement of the manometer capsule by one Mass held in the transverse direction and elastic in the direction of the rod 5 is held, which allows measurement of the component of acceleration going in the direction the axis of the rod 5 is directed.

Welche Kraftmessungen auch mit dem Gerät der Erfindung vorgenommen werden, so ist ersichtlich, daß die Genauigkeit der Messungen lediglich von der Charakteristik des Hall-Generators abhängt. Alle Anderungen, die von Veränderungen von Kennzeichen des magnetischen Kreises und der Wicklungen herrühren, sind ohne Einfluß auf die Messung. Whatever force measurements are made with the device of the invention it can be seen that the accuracy of the measurements depends only on the Characteristic of the Hall generator depends. All changes made by changes from characteristics of the magnetic circuit and the windings are without Influence on the measurement.

Da die Vorrichtung der Erfindung keine bewegte Masse hat, erfolgt die Anzeige ohne Verzögerung. Since the device of the invention has no moving mass, takes place the display without delay.

Der Hall-Generator ändert sich sehr wenig mit der Umgebungstemperatur: etwa 1 0/o für 1000 Temperaturänderung. Wenn man die Temperatur der Gesamtanordnung mittels eines Thermostaten stabilisiert, um diese auf einem Wert zu halten, der in einem Bereich von 100 schwankt, liegt der Meßfehler unter 1 Promille. The Hall generator changes very little with the ambient temperature: about 1 0 / o for 1000 change in temperature. When you consider the temperature of the overall assembly stabilized by means of a thermostat in order to keep this at a value that fluctuates in a range of 100, the measurement error is below 1 per thousand.

Bei der abgewandelten Ausführungsform nach F i g. 6 ist das magnetische Feld streng konstant vermöge einer neuen Art der Speisung der dieses Feld regelnden Spule 11. Um dies zu erreichen, ist der Steuerstrom des Hall-Generators 13 ein Wechselstrom von der wirksamen Stärke Ic, der aus einer Stromquelle 19 a stammt und einen Widerstand 22 (von geeignetem Wert R) in Reihe mit dem Generator durchfließt. In the modified embodiment according to FIG. 6 is the magnetic Field strictly constant by virtue of a new way of feeding those regulating this field Coil 11. To achieve this, the control current of the Hall generator 13 is an alternating current of the effective strength Ic, which comes from a power source 19 a and a resistor 22 (of suitable value R) flows through in series with the generator.

Die Hall-Spannung U = K IcH ist an die erste Primärwicklung 23 a eines Differentialtransformators 23 gelegt, dessen zweite Primärwicklung 23 b, die an den Klemmen des Widerstands 22 liegt, eine Spannung von dem Wert U' = K' 1cR angelegt erhält. The Hall voltage U = K IcH is applied to the first primary winding 23 a a differential transformer 23 placed, the second primary winding 23 b, the is applied to the terminals of the resistor 22, a voltage of the value U '= K' 1cR gets applied.

Der Wert R des Widerstandes 22 ist so gewählt, daß U'= = U ist, wenn das Feld den gewünschten konstanten Wert H hat.The value R of the resistor 22 is chosen so that U '= = U if the field has the desired constant value H.

Die beiden Primärwicklungen 23 a und 23b sind so geschaltet, daß die Wechselspannung U", die in der Sekundärwicklung des Differentialtransformators 23 induziert wird, gleich der Differenz der Spannungen U und U' ist (U" = U - U'). Wenn U = ist also U" = 0. The two primary windings 23 a and 23 b are connected so that the alternating voltage U "in the secondary winding of the differential transformer 23 is induced, is equal to the difference between the voltages U and U '(U "= U - U'). If U = then U "= 0.

Wenn bei festem Feld der Strom sich ändert, so wird durch diese Änderung der Stromstärke eine Änderung von U und von U' hervorgerufen, aber das Vorzeichen (oder die Phase) der Differenz U -wird nicht geändert, und wenn H so groß ist, daß U = U' ist, so ergibt sich U" = 0, was zeigt, daß die Stromquelle 19a nicht besonders stabil zu sein braucht. Wenn dagegen H sich ändert, so besitzt die an der Sekundärwicklung23c auftretende Wechselspannung eine Phase, die eine Funktion von dem Sinn der Änderung von H ist und deren Wert zu der Amplitude dieser Feldänderung proportional ist. If the current changes with a fixed field, this change the current strength caused a change in U and U ', but the sign (or the phase) of the difference U - is not changed, and if H is so large that U = U ', then U "= 0, which shows that the current source 19a is not particularly needs to be stable. If, on the other hand, H changes, then the one on the secondary has 23c Occurring alternating voltage has a phase that is a function of the sense of the change of H and the value of which is proportional to the amplitude of this field change.

Die an der Sekundärwicklung 23 c auftretende Spannung U" wird durch den Gleichstromverstärker 24 verstärkt, dann dem Demodulator 25 zugeführt, an dessen Ausgang eine Gleichspannung V auftritt, deren Vorzeichen eine Funktion des Änderungssinnes von H ist und deren Wert zu dieser Änderung proportional ist. The voltage U "occurring at the secondary winding 23 c is through amplified the DC amplifier 24, then fed to the demodulator 25, at its Output a DC voltage V occurs, the sign of which is a function of the direction of change of H and the value of which is proportional to this change.

Die Spannung V des Demodulators 25 steuert den Gleichstromverstärker 20, der die das MagnetfeldH regelnde Spule 11 speist. The voltage V of the demodulator 25 controls the DC amplifier 20, which feeds the coil 11 regulating the magnetic field H.

Claims

Claims: 1. Device for measuring force, in which the to measuring force by an equally large, acting in the opposite direction, electromagnetic generated force is compensated for in turn is controlled by a mechanical-electrical converter via an amplifier, characterized in that a Hall generator (13) is arranged in the magnetic circuit (H) whose operating parameters are used to measure the force.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the electromagnetic System for generating the counterforce from a magnetized or from an excitation coil (11) has surrounding core (9) which at one end to the bottom of a pot magnet (19) surrounding the core (9) and with its edge and the other The end of the core is bounded by an annular gap (8) in which a coil (7) is freely movable parallel to the axis of the core (9), on the one hand mechanically with is connected to the point of application of the force to be measured and on the other hand by the Converter (6, 6a) is fed with current via the amplifier (15), and that the Hall generator (13) in a suitable point of the magnetic circuit, advantageously in an air gap of the core itself.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the movable Coil (7) is connected in series with the Hall generator (13) in such a way that the control current of the generator (13) is the same current that feeds the coil (7).

4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the terminals of the Hall generator (13), at which the Hall voltage occurs, directly or connected to a voltmeter (14) via a DC amplifier, which can be calibrated in units of the force to be measured.

5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that that the excitation winding (11) of the device for generating the magnetic field (H) is fed through the amplifier (15).

6. Apparatus according to claim 2, characterized in that the control current the Hall generator (13) is supplied by an independent power source (19), while the terminals at which the Hall voltage occurs with a DC amplifier (20) are connected, the excitation current to the device for generating the magnetic Field, whereby the display device for the force to be measured is an ammeter which is switched into the circuit of the movable coil (7), which in the arranged magnetic field and connected to the point of application of the forces.

7. Device for measuring pressures according to one of claims 1 to 6, characterized in that the force to be measured from the membrane (3 a) one Manometer capsule is removed.

8. Apparatus according to claim 7, characterized in that the manometer capsule a differential capsule with two membranes (3a, 3b), which is with the point of application the forces are related.

9. Apparatus according to claim 6, characterized in that the Hall generator (13) or the Hall cell fed by an alternating control current and its output voltage (Hall voltage) is compared with a voltage that is exactly in phase with the control current and is proportional to this current (Fig. 6).

10. Apparatus according to claim 9, characterized in that the Hall alternating voltage to a first primary winding (23 a) of a differential transformer (23) is placed, on the second primary winding (23 b) is a voltage that occurs at the terminals of a resistor (22) in series in the control circuit and its value is chosen so that the two voltages are equal if the magnetic field to which the Hall generator (13) is exposed, the desired has a constant value, the two primary windings (23a, 23b) switched in this way are that the terminals of the secondary winding (23 c) of the differential transformer (23) occurring voltage equal to the difference between the applied to the primary windings Voltages is and where the secondary voltage is amplified and sent to a demodulator (25) and the DC voltage obtained at its output to a DC amplifier (20) is placed, which feeds the excitation coil (11).

Documents considered: German Auslegeschrift No. 1,075,330; German utility model No. 1 750 990; French patent specification No. 1,332,499; U.S. Patent Nos. 2651204, 2780101; "Siemens magazine", September 1954, issue 8, 376 to 384.

Older patents considered: German Patent No. 1 194 167.