DE2019151A1

DE2019151A1 - Last- oder Belastungsmesssystem

Info

Publication number: DE2019151A1
Application number: DE19702019151
Authority: DE
Inventors: Senour Donald Alfred
Original assignee: BLH Electronics Inc
Current assignee: BLH Electronics Inc
Priority date: 1969-04-21
Filing date: 1970-04-21
Publication date: 1971-01-28
Also published as: FR2046249A5; US3617878A; GB1287024A

Description

Dr. Gertrud Hauser eooo Manchen 60, "ß. jg7jj

Dipl.-Ing. Gottfried Leiser Ernsborg«r»tra»jel?

Patentanwälte

Telegramme ,.Labyrinth München -ητττ πτηη γπτ> λιγτλ et τ-κτη

Telefon: S3 15 10 BLH ELECTRONICS, INC.

Postscheckkonto ι München 117078 . ,

. Waltham, Massachusetts / V.St.A,

Unser Zeichen: B 1390

Last- oder Belastungsmeßsystem.

Die Erfindung "bezieht sich auf ein Last- oder Belastungsmeßsystem und die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Verbesserungen zur Messung von Spannungssignalen mit geringen Pegeln und auch auf ein verbessertes System zur Messung von Eingangssignalen mit geringen'Pegeln mit hoher Genauigkeit, wie beispielsweise Signalen im Mikrovoltbereich, die aus einer Brückenschaltung stammen, welche auf mechanische Spannungen ansprechende Wandlerelemente in den Brückenarmen aufweist und zwar durch Ausnutzung einer Wechselstromverstärkung, einer Demodulation auf eine Gleichspannung und durch eine ■- , digitale Anzeige. ·

In einigen Fällen ist es von Bedeutung, mit hoher' Genauigkeit die Ausgangsspannung einer Brückenschaltanordnung zu messen, in deren Armen auf mechanische Spannungen ansprechende Elemente angeordnet sind.

Beispielsweise werden üblicherweise beim Wiegen übliche Lastzellen verwendet, die auf mechanische Spannungen ansprechende Elemente aufweisen, die aus Draht aufgebaut sind,.aus Folien oder aus Halbleitern oder dergleichen und diese Lastzellen werden in eine Brückenschaltung eingeschaltet, um das Gewioht einer Last oder einer Be-

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lastung anzuzeigen und zwar durch Messen der Ausgangssignale der ursprünglich abgeglichenen Brückenschaltung. Jede Ausgangsspannung, die erzeugt wird, ist proportional zur Änderung der Impedanz des auf mechanische Spannungen ansprechenden elektrischen Wandlerelementes bei Aufbringung der Last auf diese Lastzelle. Eine typische Lastzelle v/eist elektrische, auf mechanische Spannungen ansprechende Elemente auf, die an dieser Lastzelle montiert sind und die in eine Brückenschaltungsanordnung eingeschaltet sind, wie es in der US-Patentschrift 3 004 231 beschrieben wird. Eine typische Wiegevorrichtung für den gleichen Zweck ist in der US-Patentschrift 2 793 851 beschrieben.

Früher wurde beim Messen der Ausgangsspannung einer Brückenschaltung, die elektrische, auf mechanische Spannungen ansprechende Elemente in den Armen aufweist, die Brückenschaltung mit einem Gleichspannungssignal gespeist oder erregt. Die Ausgangsspannung der Brückenschaltung, die durch eine Uichtabgeglichenheit dieser Brücke erzeugt wird, ist eine Gleichspannung und diese Ausgangsspannung wurde dann durch einen Gleichspannungsverstärker verstärkt und mittels eines Gleichspannungsdigital-Voltmeters angezeigt. Es wurde gefunden, daß diese Verfahrensweise bei der Messung von auerordentlich geringen Spannungspegeln, beispielsweise von Spannungen unter 10 Millivolt, unzureichend ist. Unter den Problemen, die hierbei auftreten, befinden sich die Probleme des Rauschens, welches durch Plackereffekte und Thermoelementeffekte in den Komponenten von üblichen Gleichstromverstärkern erzeugt wird, wobei zusätzlich diese üblichen Gleichstromverstärker die Tendenz haben, zu wandern. Messungen hoher Genauigkeit von kleinen Spannungspegeln

werden

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■werden hierdurch unmöglich, da der Rauschpegel und das Wandern Spannungsänderungen erzeugen können, die so groß sind -wie diejenigen Spannungen, die gemessen "werden sollen.

Es -wurde auch "bereits versucht, den Spannungs aus gang ; mit geringem Pegel einer Brückenanordnung, die auf mechanische Spannungen ansprechende elektrische Elemente in den Armen aufweist, dadurch zu messen, daß zuerst ein Wechselstromerreg-ungssignal dem Eingang der Brückenschaltung zugeführt wird und daß dann das Wechselspan- ™ nungsausgangssignal einem Fullabgleich-Servosystem zugeführt wird, dessen Ausgangsspannung an einem üblichen Mgitalzähler an einer Anzeigescheine oder dergleichen abgelesen wird. Ein derartiges Servosystem weist einen elektrisch-mechanischen Aufbau auf und hat die Neigung, außerordentlich langsam zu arbeiten, und ist dem Verschleiß unterworfen und es treten andere Probleme auf, die "bei servobetätigten Abgleicheinrich- ^: tungen auftreten»

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes System für eine schnell ansprechende Mes- f sung hoher Genauigkeit-von Signalen mit geringen Pegeln zu schaffen.

Ferner soll durch die Erfindung ein neuartiges und vorteilhaftes Wechselspannungs-Gleichspannungs-System hoher Genauigkeit für die Messung von Spannungssignaleη mit geringen Pegeln geschaffen werden, insbesondere für die Messung von Signalen aus einer Brückenschaltung, die elektrische, auf mechanische Spannungen ansprechende Elemente in-ihren Armen aufweist.

Weiterhin soll durch die Erfindung ein neues und vorteilhaftes

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teilhaftes System für eine neuartige und präzise Messung und Darstellung der Spannungsausgangssignale mit geringen Pegeln einer Brückenschaltung geschaffen werden, wobei eine Pestkörperschaltungstechnik verwendet wird, die keine sich bewegenden Teile aufweist und die demzufolge eine sehr schnelle Anzeige ermöglicht.

Weiterhin soll durch die Erfindung ein neues und verbessertes Wechselspannungs-Gleichspannungs-Meßsystem hoher Genauigkeit insbesondere für geringe Spannungspegel zur-genauen Messung der Kraft geschaffen werden,die an einer Belastungszelle auftritt, welche auf mechanische Spannungen ansprechende Wandlerelemente aufweist, die an dieser Zelle montiert sind, wobei diese Elemente in eine Wheatstone'sehe Brückenschaltung eingeschaltet sind, so daß die gemessene Spannung dem aufgebrachten Gewicht oder der aufgebrachten last proportional ist.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Lastzelle vsrgesehsn, die Wandlerelemente aufweist, die an'··einem Fühlelement montiert sind und die in eine Brückenschaltung eingeschaltet sind, wobei diese Anordnung derart erregt wird, daß, wenn diese Anordnung einer Last ausgesetzt ist, die Brückenschaltung eine entsprechende Ausgangswechselspannung erzeugt. Die Ausgangswechselspannung der Wechselspannungs-Brückenschaltung wird dann verstärkt, demoduliert und mittels einer Digitalanzeigeeinrichtung angezeigt, um mit hoher Genauigkeit die Aus gangs spannung mit geringem Pegel einer Brüclcenschaltung zu messen, wobei diese Ausgangsspannung durch eine Änderung der Impedanz des Wandlerelementea- erzeugt wird und wobei diese Messung sehr schnell erfolgt.

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter

• Be zugnahme ';

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Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen: · . ■· -

Fig. 1 eine schematische· Ansicht einer Ausführungsform eines Wechselspannungs-Gleichspannungs-Systems zur Messung von Spannungen mit geringen -Pegeln mit hoher Genauigkeit und

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform.der Erfindung.

In den Figuren der Zeichnung -werden gleiche oder, entspre- * chende Teile mit den gleichen Besugszeichen gekennzeichnet. In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines. Systems für die Messung von SpannungsSignalen mit geringem Pegel dargestellt, wobei die Messung mit hoher Genauigkeit durchgeführt wird. Dieses System weist einen konventio- · nel stabilisierten Oszillator 10 auf, um ein Wechselspannungs-Erregungssignal den Eingangsanschlüssen 12 und H einer Wheatstoneschen Brückenschaltung zuzuführen. Ein Verteilungstransformator 16 wird verwendet, um das Wechselspannungserregungssignal vom Oszillator TO der Brückenschaltung zuzuführen. Als AusführungsTDeispiel weist jeder der Arme der Brückenschaltung ein Wandlerelement auf, wie "beispielsweise die auf mechanische Span- " nungen ansprechenden elektrischen Elemente 18, 20, 22 und 24. Ein derartiger Aufbau ist jedoch nicht immer notwendig. Beispielsweise können die elektrischen Spannungswandlerelemente innerhalb einer Lastzelle 26 montiert sein, die gestrichelt dargestellt ist und zwar derart, daß, wenn eine Last auf die Lastzelle 26 aufgebracht wird, der Impedanzwert der elektrischen auf mechanische Spannungen ansprechenden Elemente 18, 20, 22 und 24 alch derart 'verändert, daß die Brücke nicht mehr abgeglichen ist. Dadurch wird eine Ausgangswechselspannung an den Anschlüssen 28 und 30 der Brückenschaltung

erzeugt. ; ■

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erzeugt. Die auf diese Weise erzeugte Ausgangspannung hat eine Größe, die proportional zu dem Gewicht' der Last ist, die auf die Lastzelle 26 einwirkt. Die Ausgangsspannung der Brückenschaltung wird dann über Vorschaltwiderstände 32 und 34 einem Punktionsverstärker 36 zugeführt, der in üblicher Weise in Festkörperbauweise aufgebaut ist und der einen Differentialeingang und einen Signalausgang hat,. Rückkopplungswiderstände 38 und 40 sind vorgesehen, um sicherzustellen, daß der mit hohem Verstärkungsgrad arbeitende Punktionsverstärker 36 einen Verstärkungsgrad aufweist, der im wesentlichen von äußeren Einflüssen unabhängig ist. Der Wechselspannungsausgang des Punktionsverstärkers 36 ist dann über einen Transformator 42 mit den Eingangsanschlüssen 44 und 46 eines üblichen Demodulators 48 verbunden, der in Pestkörperbauweise aufgebaut ist und der in hohem Maße linear ist und der phasenempfindlich ist. Der Demodulator 48 kann beispielsweise ein Ringdemodulator mit Dioden sein. Zusätzlich kann ein Kondensator 50 am Ausgang des Punktionsverstärkers 36 vorgesehen sein, um Gleichspannungsstreusignale abzublocken, die am Eingang des Demodulators 48 vorhanden sein können. Der Verteilungstransformator 16 wird ebenfalls verwendet, um den Demodulator 48 mit den richtigen Speisebezugsspannungen zu versorgen. Der Zweck des Demodulators 48 ist es, den Wechselspannungssignaleingang in einen Gleichspannungssignalausgang umzuwandeln, der repräsentativ für diesen Wechselspannungseingang ist, wonach nach einer Filterung der Wert an einem Digitalanzeigegerät abgelesen werden kann, wie beispielsweise an einem Digitalvoltmeter 52, welches in Festkörperbauweise aufgebaut ist, um eine sehr genaue Anzeige zu ermöglichen. Der Filter im Ausgang des Demodulators 48 wird verwendet, um eine Welligkeit im Demodulator-Ausgangssignal auszuschalten und bei. der

dargestellten

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dargestellten Ausführungsform -weist der Widerstand eine Induktionsspule 54 und einen Kondensator 56 auf·, die in der üblichen L-Schaltung angeordnet sind. Die Induktionsspule 54 verhindert jegliche Änderung der Stromstärke, während der Kondensator 56 jegliche Änderung der Spannungsgröße verhindert, so daß die Kombination dieser Bauteile dem Digitalvoltmeter 52 eine Spannung konstanter Größe liefert.

Es sei nunmehr auf Pig. 2 "bezug genommen. In Pig. 2 ist ein System zur Messung mit hoher Genauigkeit von Spannun- ■ gen mit geringem Pegel dargestellt, welches Abänderungen gegenüber dem in Pig. 1 dargestellten System aufweist. Insbesondere ist ein zweiter Gleichlauf-Demodulator 60 vorgesehen, der den gleichen Aufbau hat wie der erste Demodulator 48 und dieser Demodulator wird verwendet,um d«n Spannungseingang des spannungsgesteuerten Oszillators 62, der in Pestkörperbauweise aufgebaut ist, derart zu steuern, daß Spannungsmeßfehler kompensiert werden, die durch den Systemleitungswiderstand oder durch den Demodulatorbetrieb erzeugt werden könnten. Alternativ kann jedoch der Oszillator 62 ein freilaufender Oszillator sein, wobei der Ausgang des zweiten Demodulators 60 direkt dem Digitalanzeigegerät 64 zugeführt wird,.wie es gestrichelt dargestellt ist, wobei dieses Anzeigegerät 64 dann als digitaler Quotientenmesser wirksam ist. Auch hier wird ein Pilter 68 verwendet, um Gleichstromstreuspannungen am Eingang des Demodulators 48 zu blockieren, wobei die Pilter 66 und 70 übliche Pi-Gliedfilter sein können, um Wellungen auszuschalten.'

Es sei bemerkt, daß das beschriebene System die genaue Messung von Ausgangsapannungen mit geringen Pegeln einer Brückenanordnung ermöglicht, wobei diese Brückenanordnung auf mechanische Spannungen ansprechende elektri-

• sehe

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BADORlGlNAk., .,

sehe Elemente in ihren Armen aufweist. Die Erfindung wurde bei der speziellen Anwendung bei der Messung des Gewichtes einer Last erläutert, die auf eine Lastzelle aufgebracht ist und es sei bemerkt, daß die Erfindung nicht auf dieses Anwendungsbeispiel beschränkt ist und bei allen Meßgeräten für mechanische Spannungen verwendet werden kann, wie beispielsweise bei der Messung von Druck, von Drehmomenten und Temperaturen oder dergleichen. Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine einzelne Lastzelle beschrieben und es sei bemerkt, daß die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist und daß irgend eine beliebige Anzahl von Lastzellen, die eine Plattform oder dergleichen tragen und die in eine Vielzahl von Brückenanordnungen eingeschaltet sind, verwendet werden können. Es wurden übliche Pestkörperschaltungen bei den verschiedenen Beispielen beschrieben und es sei bemerkt, daß die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist und daß andere Elemente zur Verfügung stehen können. Beispielsweise kann ein Punktionsverstärker anstelle des Ringdemodulators mit Dioden verwendet werden.

Die speziellen Ausführungsformeη und Beispiele wurden zur Erläuterung der Erfindung erörtert und die Erfindung ist auf diese Beispiele nicht beschränkt und es können zahlreiche Abänderungen vorgenommen werden, die im Rahmen der Erfindung liegen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Lastmeßsystem zur Darstellung mit hoher Genauigkeit von Ausgangsspannungen mit geringen Pegeln einer Spannungsmeßbrücke, die wenigstens ein mechanisches Spannungsmeßinstrument in einem der Arme aufweist . und die einen Anschluß aufweist, um eine Wechselspannung einem gegebenen Paar von Brückenpunkten der Brückenschaltung zuzuführen, gekennzeichnet durch ' Einrichtungen zur Punktionsverstärkung der Ausgangsspannung der Brückenschaltung, die am anderen Paar von Brückenpunkten auftritt, wobei diese Ausgangsspannungen durch eine TJnabgeglichenheit der Brücken-. anordnung erzeugt werden und zwar durch eine· Belastung, die eine Änderung der Impedanz in dem Spannungsmeßelement erzeugt und wobei.ein Demodulator vorgesehen ist, der mit dem Ausgang des Punktionsverstärkers verbunden ist und der den Ausgang des Punktionsverstärkers in Gleichspannungen umwandelt, die repräsentativ für diesen Ausgang sind und wobei ein Digitalanzeigegerät vorgesehen ist, welches auf diese Gleichspannungen an- · spricht, um die Belastung des Wandlers mit hoher Stabilität, hoher Genauigkeit und schnell anzuzeigen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die WechseIspannungsquelle einen stabilisierten Oszillator aufweist und einen Transformator, um den Ausgang dea Oszillators mit dem gegebenen Paar von · Brückenpunkten der Wandlerbrückenschaltung zii verbinden. .

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Punktionsverstärkung einen Funktionaverstärker mit hohem Verstärkergrad.aufweisen, der eine Rückkopplung hat, die sicherstellt, daß der Verstärkungsgrad im wesentlichen unabhängig von äußeren Einflüssen ist· '

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4. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die den Ausgang des Punktionsverstärkers gegenüber der Gleichspannung isolieren und durch einen Transformator, der den isolierten Ausgang des Punktionsverstärkers mit dem Eingang des Demodulators verbindet.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulator ein Ringdemoldulator mit Dioden ist.

6. System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Pilter, die den Gleichspannungsausgang des Demodulators filtern und Einrichtungen, die den gefilterten -Ausgang des Demodulators der Digitalanzeigevorrichtuhg zuführen, wobei diese Digitalanzeigevorrichtung einen Digitalvoltmeter aufweist.

7. Lastmeßsystem zur Darstellung mit hoher Genauigkeit von Ausgangsspannungen mit geringen Pegeln einer Spannungsmeßwandlerbrückenanordnung, die in ihren Armen elektrische Meßgeräte aufweist, die auf mechanische Spannungen ansprechen, gekennzeichnet durch -eine Wechselspannungsquelle, die Wechselspannungen den Anschlüssen der Brückenanordnung zuführt, Einrichtungen zur Punktionsverstärkung von Ausgangswechselspannungen, die an den Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung auftreten, wobei diese Ausgangsspannungen durch eine Uichtabgeglichenheit der Brückenanordnung erzeugt werden, hervorgerufen durch veränderte Impedanzen in den elektrischen Meßgeräten in den Armen der Brücke, die auf mechanische Spannungen ansprechen, einen ersten Demodulator, der auf die Ausgänge der Mittel zur Punktionsverstärkung anspricht und der die Ausgänge dieser Mittel zur Punktionsverstärkung in Gleichspan-! nungen umwandelt, die repräsentativ für die Ausgangsspannungen sind, Digitalanzeigegeräte, die auf diese Gleichspannungen des ersten Demodulators ansprechen

und

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und diese Gleichspannungen digital charakterisieren, einen zweiten Demodulator, der im -wesentlichen den gleichen Aufbau hat wie der erste Demodulator und der auf die Speiseviecliselspannung anspricht und .direkt diese Speisewechselspannung in Gleichspannungssignale umwandelt und durch Einrichtungen, die das Ansprechen der Anzeigeeinrichtungen gemäß den Gleichspannungs-Signalen vom zweiten Demodulator steuern.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen Mittel aufweisen, die die besagten Einrichtungen steuern, um-Erregungswechselspannungen entsprechend den Ausgängen des zweiten De- ■ modulators zuzuführen und um dadurch die Pegel der Wechselerregungsspannungen zu steuern, wodurch Einwirkungen der Leitungswiderstände und der Demodulationsverstimmungen ausgeschaltet werden.

9. System nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen Mittel aufweisen, die die Ausgänge des zweiten Demodulators als Bezugsspannung dem Eingang der Digitalanzeigeeinrichtung zuführen, so daß das Digitalanzeigegerät als digitales Quotientenmeßgerät arbeitet.

10. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Demodulatoren Punktionsverstärker-Demodulatoren sind. '

11. System nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Punktionsverstärkung Punktionsverstärker mit hohem Wirkungsgrad aufweisen, welche Rückkopplungen haben, die sicherstellen, daß der Verstärkungsgrad im wesentlichen von äußeren Einflüssen unabhängig ist.

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