DE3401269A1

DE3401269A1 - Einrichtung zum messen einer kraft

Info

Publication number: DE3401269A1
Application number: DE19843401269
Authority: DE
Inventors: Yasutoshi Akashi Hyogo Masua; Masami Miki Hyogo Yamanaka
Original assignee: Yamato Scale Co Ltd
Current assignee: Yamato Scale Co Ltd
Priority date: 1983-01-17
Filing date: 1984-01-16
Publication date: 1984-07-19
Also published as: DE3401269C2; AU543914B2; AU2236683A; FR2541455A1; JPS59131131A; FR2541455B1; GB2133880B; GB2133880A; GB8333911D0

Description

JA-PA No. 58-6029

AT: 17. Januar 1983 11532 AvB/Ri

YAMATO SCALE CO., LTD. Hyogo-ken, Japan

Einrichtung zum Messen einer Kraft

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Einrichtung zum Messen einer Kraft, die einen Oszillator enthält.
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Es sind bereits zahlreiche Kraftmoßeinrichtunqen oder Wiegeeinrichtungen bekannt, bei denen sich die Eigenfrequenz eines schwingenden Körpers in Reaktion auf eine angelegte Kraft ändert, siehe z.B. die Veröffentlichung von Yuzuru Nishiguchi "Vibration Electronic Balances" KEIRYO KANRI (Weighing Control) Bd. 32, No. 4 (1983), S. 10-16. Bei einer solchen Einrichtung wird die Schwingungs- oder Vibrationsfrequenz des schwingenden Körpers typischerweise dadurch gemessen, daß von der Schwingung ein elektrisches Schwingungssignal abgeleitet wird, dieses Signal durch eine Torschaltung geleitet wird, welche sich für eine vorherbestimmte Zeitspanne öffnet und die Zahl der Perioden des Ausgangssignals des Tors durch einen Zähler gezählt wird. Die Torschaltung wird durch ein gesondert erzeugtes zeitgebendes Signal gesteuert und Zeitfehler der Vorder- und Rückflanke des Zeit-Signals können zu einem Fehler in der Zählung der Periodenzahl resultieren, was die Genauigkeit dieser Meßeinrichtung beeinträchtigt.

Die Genauigkeit der Messung der Periodenzahl nimmt mit der Zunahme der Signalfrequenz zu und es gibt daher bei den Einrichtungen kaum Probleme, die mit piezoelektrischen Schwingern arbeiten. Dieses Problem ist jedoch ernst bei Einrichtungen die relativ niedriger Frequenz arbeiten und z.B. eine schwingende Saite enthalten.

In der DE-OS 33 36 250 ist eine Vorrichtung, die mit einer schwingenden Saite arbeitet vorgeschlagen worden, bei der die Schwingungsfrequenz der Einrichtung mehrere tausend Hertz beträgt. Zum Beispiel beträgt, wenn die Frequenz 5.000 Hz und die Zähldauer 0,1 sogar Sekunden sind, der· Zählwert 500 und die Genauigkeit der Messung nur 1/500. Die Meßgenauigkeit kann zwar durch Vergrößern der Meßdauer verbessert werden, dies ist jedoch nicht zweckmäßig, da es eine Herabsetzung der Ansprechgeschwindigkeit der Einrichtung zur Folge hat. Wenn die gewünschte Meßgenauigkeit in der Größenordnung von 1/10000 liegt, muß zum Beispiel die Zähldauer 2 Sekunden für eine Frequenz von 5000 Hz betragen, um diese Genauigkeit zu erzielen. Deshalb kann sie nicht in solchen digitalen Waagen benutzt werden in welchen gewöhnlich drei bis sechs Messungen innerhalb einer Sekunde ausgeführt werden müssen.

Demgemäß ist es ein Ziel dieser Erfindung eine Einrichtung zum Messen einer Kraft, die einen schwingenden Körper enthält, welcher, wie oben erwähnt, mit einer relativ niedrigen Frequenz schwingt, mit einer verbesserten Meßschaltung auszustatten, die fähig ist die Periodenzahl der Schwingungen mit höherer Genauigkeit zu zählen, als es bei den Einrichtungen nach dem Stand der Technik erreicht werden konnte.

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Eine Vorrichtung zum Messen einer Kraft gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine Einrichtung um ein erstes elektrisches Signal zu erzeugen, welches eine mit der angelegten Kraft variierende Frequenz hat, eine Einrichtung um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, welches eine festgesetzte Frequenz hat die höher ist als die höchstmögliche Frequenz des ersten elektrischen Signals, eine Einrichtung zum Zählen der Periodenzahl des zweiten elektrischen Signals für eine Zeitspanne, die einer vorher festgesetzten Zahl von Perioden des ersten elektrischen Signals entspricht, und eine Einrichtung, um die Frequenz des ersten elektrischen Signals aus der sich ergebenden Zählung, der vorherbestimmten Periodenzahl und der Frequenz des zweiten elektrischen Signals zu errechnen.

Diese und andere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Messen einer Kraft nach dem Stand der Technik;

Figur 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Oszillators für die Einrichtung gemäß Figur 1;

Figur 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Einrichtung zum Messen einer Kraft gemäß der Erfindung und

Figur 4 ein Diagramm, das Schwingungsformen darstellt, auf die bei der Erklärung der Funktion der Vorrichtung gemäß Figur 1 Bezug genommen wird.

Figur 1 zeigt die Kraftmeßeinrichtung nach dem Stand der Technik, die in der oben bereits genannten DE-OS 33 36 250.5 beschrieben ist, und Figur 2 zeigt einen Oszillator, welcher ein elektrisches Signal A erzeugt, dessen Frequenz von einer Kraft F abhängt, die auf den Oszillator einwirkt. Das Ausgangssignal des Oszillators 2 ist z.B. ein sinusförmiges elektrisches Signal, wie in Figur 4A dargestellt ist, und wird an ein Tor 4 angelegt. Das Tor 4 wird für eine vorherbestimmte Zeitspanne T durch ein Steuersignal von einem Zeitgeber 6, der auf diese Zeit T vorher eingestellt wurde, geöffnet, um das Signal A durchzulassen. Ein Zähler 8 zählt die Zahl der Perioden des Teils des Signals A der das Tor passiert hat, und liefert einen entsprechenden Zählwert N an einen Rechner 10. Der Rechner 10 errechnet die Frequenz f=N/T und hieraus dann die angelegte Kraft F, welche von einer Anzeigevorrichtung 12 angezeigt wird.

Der Oszillator 2 kann z.B. so aufgebaut sein, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Eine Saite aus Metall oder ein Draht 14 ist zwischen zwei Paar magnetische Polschuhe gespannt. Durch die Eigenschwingung des Drahtes 14 in der (Pfeil)Richtung vertikal zum Magnetfeld wird im Draht 14 ein Wechselstrom induziert. Dieser Strom wird durch einen Verstärker 16 verstärkt und dann auf den Draht 14 zurückgekoppelt und der Draht 14 wird dabei durch den Rückkopplungsstrom synchron zur Eigenschwingung des Drahtes 14 angetrieben, so daß seine Schwingungsamplitude vergrößert und die Schwingungen aufrechterhalten werden.

Wie bekannt, ist die Frequenz f dieser Schwingung proportional zur Quadratwurzel aus der mechanischen Spannung F des Drahtes 14 und von der mechanischen Schwingung wird eine elektrische Schwingung derselben Frequenz abgeleitet.

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die in Figur 4A dargestellt ist und an einer Ausgangsklenune 18 zur Verfügung steht. Da die Struktur und Funktion des Oszillators 2 in der obengenannten Anmeldung im Einzelnen beschrieben sind und keine direkte Beziehung zur vorliegenden Erfindung haben, erübrigt sich eine weitere Beschreibung.

Die oben erwähnte Unzulänglichkeit der Einrichtung nach dem Stand der Technik gemäß Figur 1 ist dem Tor 4, das durch den Zeitgeber 6 zeitlich gesteuert wird, zuzuschreiben. Genauer gesagt, zählt der Zähler 8 spezifische Punkte auf der Wellenform des eintreffenden Signals, z.B. die Null-Durchgänge P1, P2... vom Negativen zum Positiven (Figur 4A). Wenn die Zeitpunkte, in denen das Tor 4 geöffnet und geschlossen wird sich infolge von Zeitfehlern des Zeitgebers verschieben, kann wenigstens einer der spezifischen Punkte übersehen werden und ein Zählfehler resultieren. Je größer der Zählwert, d.h. je höher die Frequenz desto geringer ist der prozentuale Fehler.

Die Schwingungs-Kraftmeßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung basiert auf diesem Prinzip. Wie in Figur gezeigt, enthält sie einen auf eine Last ansprechenden Oszillator 20, der dem Oszillator 2 in Figur 1 entspricht. Der Oszillator 20 erzeugt ein Ausgangssignal A (Figur 4) der Frequenz f, die von der Kraft oder Last abhängt, und liefert es an einen Zähler 22. Der Zähler 22, der durch ein unten erwähntes Befehlssignal B von einem Rechner 30 gelöst und dann freigegeben wird, ist für ein Zählen von spezifischen Punkten der eintreffenden Schwingung z.B. der Nulldurchgänge P1, P2... vom Negativen zum Positiven (Figur 4A), bis zu einem vorher eingestellten Zählwert N ausgebildet und erzeugt ein zeitgebendes Signal C, dessen Vorder- und

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Rückflanke bei den Zeitpunkten der Zählwerte 1 bzw. N auftreten. In der Ausführungsforra von Figur 4 ist N -4 und die Zeitpunkte P1 bzw. P4 entsprechen der Vorder- und Rückflanke des zeitgebenden Signals C. Demgemäß ist die Dauer des zeitgebenden Signals C gleich der von (N-1) Perioden des Ausgangssignals des Oszillators 20.

Die vorliegende Einrichtung enthält ferner einen Taktgenerator, um eine Taktimpulsfolge D (Figur 4) fester Frequenz f.. zu erzeugen, welche viel (z.B. 10³ bis 10 mal) größer ist als die zu messende Frequenz f. Die Taktimpulsfolge D ist an eine Torschaltung 26 angelegt, welche durch das zeitgebende Ausgangssignal C des Zählers 22 gesteuert wird. Das Tor 26 wird für die Dauer des zeitgebenden Signals C geöffnet und läßt die Taktimpulse D nur während dieser Zeitspanne durch, wie es in Figur 4E gezeigt ist. Nachdem die Taktimpulse E das Tor 26 passiert haben, werden sie einem Zähler 28 zugeführt, welcher durch das Befehlssignal B des Rechners 30 gelöscht wurde und ihre Gesamtzahl N1 wird gezählt. Der Ausgangszählwert N1 des Zählers 28 wird dem Rechner 30 zugeführt. Hier wird die Frequenz f entsprechend der Gleichung f = f1 (N-1)/N1 berechnet, dann wird die Last F in der bekannten Weise errechnet und durch die Anzeigevorrichtung 32 angezeigt.

Im Gegensatz zum Zähler 8 der Einrichtung nach dem Stand der Technik zählt der Zähler 22 der vorliegenden Einrichtung nicht die Zahl der Perioden innerhalb einer vorherbestimmten Zeitspanne, sondern er zählt eine vorherbestimmte Anzahl von Perioden und bestimmt die entsprechende Zeitspanne. Demgemäß sollte es keinen Fehler geben, selbst wenn die Frequenz des gemessenen Signals ziemlich niedrig ist. Der Zähler 28 dagegen zählt die Zahl der Perioden innerhalb einer vorher-

bestimmten Zeitspanne genauso wie der Zähler 8. Doch er zählt ein Signal, welches gesondert und unabhängig erzeugt wurde und eine sehr hohe Frequenz hat. Deshalb ist sein Zählfehler sehr gering. Aus diesem Grunde weist die Kraftmeßeinrichtung gemäß dieser Erfindung einen bemerkenswert geringen Meßfehler entsprechend dem Fehler der Frequenzmessung auf und zeichnet sich deshalb durch eine sehr hohe Meßqenauigkeit und Auflösung im Vergleich zu der Einrichtung nach dem Stand der Technik aus.

Es sei bemerkt, daß die Erfindung nicht auf die Details der obigen Ausführungsform beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Änderungen im Bereich der Erfindung gemacht werden können. Z.B. können die vorher festgesetzte Anzahl der Perioden des Zählers 22 und die Frequenz der Taktimpulse D wahlweise in Übereinstimmung mit der Struktur und der Anwendung der Einrichtung ausgewählt werden. Weiterhin ist der lastempfindliche Oszillator 20 nicht auf einen Typ mit einer schwingenden Saite wie in Figur 2 gezeigt, beschränkt.

Die vorliegende Einrichtung zum Messen einer Kraft ent-, hält also einen auf die Kraft ansprechenden Oszillator 20, der ein elektrisches Signal (A) liefert, dessen Frequenz von der auf ihn einwirkenden Kraft abhängt, sowie eine Anordnung zum Messen der Frequenz und zum Berechnen der einwirkenden Kraft. Um Fehler bei der Frequenzmessung auszuschalten, enthält die Einrichtung einen separaten zweiten Oszillator 24, um ein zweites elektrisches Signal (D) mit einer zweiten Frequenz zu liefern, welche höher ist als die der ersten Frequenz, ferner eine Einrichtung 28 zum Zählen der Zahl der Perioden dieses Signals (D) für eine Zeitspanne, die genau einer vorherbestimmten Anzahl von Perioden des ersten Signals (A) entspricht und zum Errechnen der ersten Frequenz aus dem sich ergebenden Zählwert.

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- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

Π.)Einrichtung zum Messen einer Kraft, mit einem auf die Kraft ansprechenden Oszillator zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals, das eine sich mit der angelegten Kraft verändernde Frequenz hat, einer Einrichtung zum Messen der Frequenz des ersten elektrischen Signals und einer Einrichtung zur Berechnung der Größe der angelegten Kraft aus dem gemessenen Wert der Frequenz, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenz-Meßeinrichtung einen zweiten Oszillator zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals festgesetzter Frequenz, welche höher ist als die Frequenz des ersten Signals, eine Zähleinrichtung zum Zählen der Anzahl der Perioden des zwei ton elektrischen Signals für eine Zeitspanne, die einer vorherbestimmten Zahl von Perioden

des ersten elektrischen Signals entspricht, und eine Recheneinrichtung zum Berechnen der Frequenz des ersten elektrischen Signals aus dem Zählwert der Zähleinrichtung/ der vorherbestimmten Perioden und der Frequenz des zweiten elektrischen Signals, enthält.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zähleinrich-

tung einen ersten Zähler zum Zählen der vorherbestimmten Perioden des ersten elektrischen Signals und zum Erzeugen eines Steuersignals, das den Anfang und das Ende einer Zeitspanne bestimmt, die den vorherbestimmten Perioden entspricht, eine Torschaltung die mit dem Ausgang des zweiten Oszillators gekoppelt ist und unter Steuerung durch das Steuersignal nur für die Zeitspanne geöffnet wird, und einen zweiten Zähler, der mit dem Ausgang der Torschaltung gekoppelt ist, um die Zahl der Perioden des zweiten elektrischen Signals zn zählen, die von der Torschaltung durchgelassen werden, enthält.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der auf die Kraft ansprechende Oszillator einen Metalldraht, dessen Spannung von der angelegten Kraft abhängt, und einen mechanoelektrischen Wandler zum Umwandeln der Eigen-Schwingung des Metalldrahtes in eine elektrische Schwingung enthält.