DE4140993A1 - Vorrichtung zum messen einer kraft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen großer Kräfte, beispielsweise der Kraft, die während eines Blech­ walzvorgangs auf Stahlbleche einwirkt, des Drucks, den ein in einem bestimmten Bereich fahrender Zug auf die Schienen auf­ bringt, oder des Übergewichts von Nutzfahrzeugen, die auf einer Mautstraße fahren. Die Erfindung betrifft dabei insbe­ sondere eine Vorrichtung zum Erzeugen von elastischen Über- Schallwellen durch einen piezoelektrischen Wandler, wobei diese Überschallwellen auf die miteinander in Kontakt befind­ lichen Flächen von zwei festen Körpern auftreffen, die re­ flektierten Wellen von dem piezoelektrischen Wandler aufge­ nommen und in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt werden, das zu einem Prozessor zum Aufzeichnen und Ausdrucken übertragen wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfah­ ren zur Durchführung solcher Messungen.

Bisher werden Kräfte mit Hilfe von Dehnungsmessern oder ma­ gnetisch anisotropen Instrumenten gemessen. Diese Vorrich­ tungen sind mit einigen grundsätzlichen Nachteilen behaftet, z. B. geringer Zuverlässigkeit unter langanhaltender pulsie­ render und wechselnder Belastung, wobei diese Nachteile in den elektrischen Dehnungsmessern inhärent sind. Die letzteren bestehen aus speziellen Wandlern, die eine Formänderung er­ fahren, während sie gleichzeitig mit den kraftaufnehmenden Komponenten fest verbunden sind, und sie werden häufig auf­ grund des Lösens ihrer Verbindung mit diesen Komponenten be­ schädigt. Die magnetisch anisotropen Geräte bestehen aus spe­ ziellen Stahlplatten, die abplätzen und dadurch schlechter werden, so daß unrichtige Anzeigen von mechanischen Spannun­ gen oder Belastungen erhalten werden.

Neuere Methoden arbeiten mit Ultraschallwellen, die auf die miteinander in Kontakt befindlichen rauhen Oberflächen von zwei Festkörpern auftreffen, wobei der Anteil der von den nicht in Kontakt befindlichen Teilen der Oberflächen reflek­ tierten Wellen gemessen wird. Eine Erhöhung des Drucks führt zu einer Erhöhung des Anteils reflektierter Wellen und er­ laubt die Berechnung der Belastung oder der Beanspruchung nach entsprechender Kalibrierung. Zwei solche Methoden sind in den beiden folgenden US-Patentschriften angegeben.

Die US-PS 44 84 475 beschreibt die Schritte, wie eine Ultra­ schallwelle auf die miteinander in Kontakt liegenden Ober­ flächen zum Auftreffen gebracht wird, wie folgt: Vergleichen einer Schallwelle der von den in Kontakt liegenden Oberflä­ chen reflektierten Ultraschallwelle mit einer durch die in Kontakt liegenden Oberflächen durchgelassenen Schallwelle und Messen der Kontaktkräfte unter Nutzung des Vergleichs­ werts als Auswertungsindex.

Die US-PS 50 16 488 beschreibt eine Spannungswellen-Lastzelle mit einem Ausbreitungselement, das akustisch mit einem Wand­ ler gekoppelt ist. Elektrische Impulse werden dem Wandler von einem Impulsgeber zugeführt, und die elektrischen Impulse werden in Spannungswellensignale umgewandelt, die sich durch das Ausbreitungselement ausbreiten. Der Wandler nimmt ferner die Spannungswellen nach Ausbreitung durch das Ausbreitungs­ element auf und liefert ein elektrisches Signal an einen Pro­ zessor, der ein Maß für die auf die Lastzelle aufgebrachte Kraft liefert. Dämpfungselemente mit profilierten Oberflächen werden in Dämpfungskontakt mit dem Ausbreitungselement be­ wegt, wenn auf die Lastzelle eine Kraft aufgebracht wird. Die Dämpfungselemente dämpfen die Ausbreitung der Spannungswellen zum Bereich des Dämpfungskontakts, wobei der Dämpfungskon­ taktbereich mit der aufgebrachten Kraft größer wird.

Diese Verfahren bzw. Vorrichtungen führen aus folgenden Grün­ den leicht zu unrichtigen Ergebnissen: Die reflektierten Wel­ len bestimmen nicht nur die Kontaktspannung, sondern auch die spannungsbedingte Formänderung des Ausbreitungselements selbst. Die Ergebnisse werden außerdem durch Änderungen der Temperatur und durch die Formänderung der Oberfläche, an der der Wandler befestigt ist, beeinflußt.

Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung dieser Nachteile unter Bereitstellung einer Kraftmeßvorrichtung für die Erzeugung richtiger Informationen hinsichtlich der auf die Vorrichtung aufgebrachten Kraft, und zwar unabhängig von Temperaturänderungen und einer Formänderung des Körpers, an dem der Wandler fest angeordnet ist.

Die Kraftmeßvorrichtung gemäß der Erfindung, die zwischen einer Last und einer Lastauflage zu positionieren ist, umfaßt folgendes: zwei massive Blöcke mit jeweils zwei parallelen ebenen Oberflächen, die zur Richtung der durch die Last ver­ ursachten Kraft senkrecht sind, wobei die äußeren Oberflächen dieser Blöcke in Kontakt mit der Last bzw. mit der Lastauf­ lage liegen, während ihre inneren Oberflächen eine Kontakt­ zone bilden, wobei wenigstens eine dieser Oberflächen rauh ist; einer der beiden Blöcke hat eine erste glatte ebene Oberfläche in einem Abstand H_A von der Kontaktzone und eine zweite glatte ebene Oberfläche, einen Reflektor, der parallel zu der Kontaktzone in einem Abstand H_o von der ersten ebenen Oberfläche verläuft, wobei H_A größer als H_o ist, während die Fläche der zweiten Oberfläche kleiner als diejenige der ersten Oberfläche ist; einen an der ersten ebenen Oberfläche fest angeordneten piezoelektrischen Wandler, der elastische Wellen in diesen Block in Intervallen aussendet und während der Intervalle die Amplitude der von denjenigen Teilen der Kontaktzone, die nicht in direktem Kontakt mit der Oberfläche des anderen, zweiten Blocks liegen, reflektierten elastischen Wellen und der von der zweiten, reflektierenden Oberfläche reflektierten Wellen aufnimmt und beide Wellenamplituden in elektrische Signale umwandelt; einen Generator, der den piezoelektrischen Wandler in Intervallen durch kurze elek­ trische Impulse zwischen 0,1 und 20 MHz anregt; eine Rech­ nereinheit zur Analyse der von dem Wandler ausgesandten elektrischen Signale und zum Vergleich dieser Signale mit einem die Kraft Null definierenden Bezugssignal und zur Ausgabe eines Signals, das die von dem ersten Körper auf den zweiten Körper tatsächlich aufgebrachte Kraft definiert.

Der piezoelektrische Wandler ist an der ersten ebenen Ober­ fläche mittels einer Flüssigkeit wie Öl oder Wasser oder mit Spezialklebern fest angeordnet.

Der Wandler sendet aufgrund der Erregung durch den Generator kurze Stöße von elastischen Ultraschallwellen in den Block, die sowohl von der Reflektoroberfläche als auch der Kontakt­ oberfläche in den Wandler reflektiert werden. Die Wellen von der Reflektoroberfläche kommen vor den Wellen von der Kon­ taktoberfläche mit im wesentlichen unveränderter Amplitude an, während die Amplitude der von der Kontaktoberfläche re­ flektierten Wellen mit zunehmender Last, d. h. mit größer werdender Kontaktfläche, abnimmt. Die Kalibrierung erfolgt bei Nullast und fakultativ mit Hilfe von verschiedenen Standardlasten, die auf der Vorrichtung angeordnet werden.

Die äußere Oberfläche des zweiten Blocks ist bevorzugt ko­ nisch ausgespart, was dazu dient, die durch die Kontaktzone gehenden Wellen zu streuen und zu divergieren und ihr Auf­ treffen auf die Kontaktzone sowie ihre Rückkehr durch sie zum Wandler zu verhindern.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Kraftmeßvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Einzelheit der Vorrichtung von Fig. 1, wobei für die Auswertung der Messungen relevante Dimen­ sionen angegeben sind; und

Fig. 3 ein Schaltbild der elektronischen Schaltung zwi­ schen dem piezoelektrischen Wandler und der Rechnereinheit.

Der mechanische Teil der Kraftmeßvorrichtung umfaßt einen ersten massiven Block 7 und einen zweiten massiven Block 8, die beide bevorzugt aus Metall bestehen und mit parallelen inneren und äußeren Oberflächen versehen sind. Die Blöcke liegen entlang ihren inneren Oberflächen in Kontakt mitein­ ander und bilden somit eine Kontaktzone I; diese Oberflächen sind uneben bzw. rauh dargestellt, es ist aber offensicht­ lich, daß die eine Oberfläche glatt und die andere uneben sein kann und dabei die gleichen Ergebnisse erzielt werden. In der äußeren Oberfläche des Blocks 7 ist eine Aussparung 13 vorgesehen, die einen piezoelektriischen Wandler 9 enthält, der an der Bodenfläche III der Ausnehmung mit Hilfe einer Flüssigkeit oder eines Klebers fest angeordnet ist. Eine zweite Aussparung 10 verläuft von der inneren Oberfläche des Blocks 7 nach oben und endet in einer glatten Reflektorfläche II. Der Block ist mit einer massiven Abdeckung 12 abgedeckt, die den Wandler gegenüber der Umgebung schützt. Die äußere Oberfläche des Blocks 8 ist mit einer konischen Aussparung 11 versehen, die die von der Kontaktzone ankommenden Wellen di­ vergiert und verhindert, daß sie zu der Kontaktzone zurück und durch sie hindurch reflektiert werden.

Die Durchlässigkeit der Kontaktfläche für die vom Wandler empfangenen Wellen ändert sich mit der Größe der auf die Vor­ richtung aufgebrachten Kraft N, und es ist ersichtlich, daß die Amplitude der von der Kontaktzone reflektierten Wellen mit zunehmendem Druck zwischen den Kontaktflächen abnimmt, so daß die reflektierenden Mikrozwischenräume zwischen den Ober­ flächen immer kleiner werden. Daher ist die Funktionsweise der Lastmeßvorrichtung wie folgt:

Der piezoelektrische Wandler 9 wird durch kurze elektrische Impulse V_B vom Generator 1, die bevorzugt zwischen 0,1 und 20 MHz liegen, erregt, so daß er elastische Schwingungen P in den Körper des Blocks 7 in Richtung der Kontaktzone I und der Reflektorfläche II aussendet. In der Kontaktzone werden die Wellen in Vorwärtsrichtung P₃ in den Block 8 durch die eigentlichen Kontaktstellen und in Rückwärtsrichtung P₂ an den Mikrozwischenräumen auf den Wandler gebeugt. Die von der Reflektorfläche aufgenommenen Schwingungen werden ebenfalls in voller Stärke P₁ zum Wandler reflektiert. Die reflektier­ ten Wellen erreichen den Wandler nach jeder Impulsaussendung, wobei die Wellen P₁ vor den Wellen P₂ ankommen, weil die Entfernung H_o des Reflektors vom Wandler kürzer ist als die Entfernung H_A zwischen der Kontaktzone und dem Wandler.

Die Erzeugung der Ultraschallwellen durch den piezoelektri­ schen Wandler und die Umwandlung der vom Wandler empfangenen reflektierten Wellen in Digital- oder Analogsignale wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.

Der Synchronisierungsgenerator verwendet einen Kristall und bestimmt die zeitliche Steuerung der durch die Schaltung lau­ fenden Impulse, um eine vorhersehbare Folge von Ereignissen zu gewährleisten. Der Synchronisierungsgenerator hat vier Ausgangsleitungen, und zwar jeweils eine zum Impulsgenerator, zum Peakdetektor, zum Abtast-Halte-Kreis 1 und zum Abtast- Halte-Kreis 2.

Der Impulsgenerator erzeugt starke Impulse V_B zum Erregen des piezoelektrischen Wandlers, der Ultraschallwellen P zu der Kontaktzone bzw. zur Reflektorfläche aussendet. Die reflek­ tierten Wellen P₁ und P₂ erzeugen die entsprechenden Signale V₁ und V₂, die in dem Ausgangssignal V_U des Wandlers enthal­ ten sind. Die in V_U enthaltenen Signale V_B, V₁ und V₂ werden dem geregelten Verstärker zugeführt, der außerdem ein Fehler­ korrektursignal vom Vergleicher erhält. Unter Ausschluß der Kraftmeßsignale handelt es sich dabei um diejenigen Fehler, die in dem piezoelektrischen Wandler infolge von Änderungen der Temperatur, des Atmosphärendrucks, der Feuchtigkeit und der Alterung auftreten können. Das Ausgangssignal des Ver­ stärkers wird dem Peakdetektor zugeführt, der den Impuls V_B minimiert, da er keine Nutzinformationen enthält. Der Peak­ detektor empfängt ferner vom Synchronisierungsgenerator ein Rücksetzsignal V_R und führt sein Ausgangssignal V_D den beiden Abtast-Halte-Kreisen 1 und 2 zu. Diese wählen aus dem Aus­ gangssignal V_D zeitlich beabstandete Momentwerte aus und wandeln sie in Signale V₂* und V₂* um, während gleichzeitig die Zeitabstände durch vom Synchronisierungsgenerator empfan­ gene Signale V_H1 und V_H2 gesteuert werden.

Das Signal V₁*, das als "konstantes Grundsignal" bezeichnet wird, wird dem Vergleicher zugeführt, in dem es mit einer stabilen Konstantspannung V_K verglichen wird. Dadurch wird das Signal V₂* ein fehlerfreies Signal, das ausschließlich von den Änderungen der Kraft N abhängig ist. V₁* entspricht dem Signal V₁, das aus der Welle P₁ resultiert, die von der Reflektorfläche reflektiert ist, während V₂* dem Signal V₂ entspricht, das aus der von der Kontaktzone reflektierten Welle P₂ resultiert.

Der A-D-Wandler wandelt das vom Abtast-Halte-Kreis 2 empfan­ gene Signal V₂* von einem Analog- in ein Digitalsignal um und führt es der Mikrosteuereinheit zu, in der es verarbeitet und der Anzeige sowie dem Ein-Ausgabeport zugeleitet wird. Die Anzeige zeigt die Kraft N in geeigneten Einheiten an, die durch die Einstellung der Mikrosteuereinheit bestimmt sind, während der Ein-Ausgabeport aus einer Zweirichtungsdaten­ leitung besteht.

Selbstverständlich ist das hier beschriebene Ausführungsbei­ spiel nur eine Möglichkeit der Implementierung der Vorrich­ tung, und Änderungen und Modifikationen können sowohl am mechanischen als auch am elektronischen Teil vorgenommen werden mit der Maßgabe, daß das Prinzip der Kontaktzone und der Reflektorfläche erhalten bleibt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Messen einer Kraft N, die von einem ersten Körper auf einen zweiten Körper aufgebracht wird, wobei elastische Wellen, die sich in einem massiven Körper zu einer rauhen Oberfläche fortpflanzen, die mit der Oberfläche eines zweiten Körpers in Kontakt liegt, in den zweiten Körper durch diejenigen Oberflächenteile gehen, die tatsächlich in Kontakt mit dem zweiten Körper liegen, während sie gleichzeitig von nicht in Kontakt befindlichen Oberflächenteilen reflektiert werden, und wobei mit zunehmender Last die in Kontakt befind­ lichen Oberflächenteile zunehmen und mehr Wellen sich in den zweiten Körper ausbreiten, gekennzeichnet durch
zwei mit jeweils zwei zu der Richtung der Kraft N senk­ recht verlaufenden parallelen ebenen Oberflächen versehene massive Blöcke (7, 8), die zwischen dem ersten und dem zwei­ ten Körper angeordnet sind, wobei ein erster Block (7) in Kontakt mit dem ersten Körper und ein zweiter Block (8) in Kontakt mit dem zweiten Körper liegt, während die beiden Blöcke entlang ihren ebenen Oberflächen, von denen wenigstens eine rauh ist, eine Kontaktzone (I-I) bilden, und wobei der erste Block mit einer ersten glatten Oberfläche (III) in einem Abstand H_A von der Kontaktzone sowie mit einer zweiten glatten ebenen Oberfläche, und zwar einer Reflektoroberfläche (II-II), in einem Abstand H_o < H_A von der ersten Oberfläche versehen ist;
einen an der ersten glatten Oberfläche (III-III) in dem ersten Block (7) befestigten piezoelektrischen Wandler (9), der Impulse von elastischen Wellen (P) in den ersten Block in Richtung zu der Kontaktzone (I-I) und zu der Reflektorober­ fläche (II-II) aussendet und nach jedem Impuls elastische Wellen (P₂), die von denjenigen Teilen der Kontaktzone, die nicht mit der Oberfläche des zweiten Blocks in Kontakt lie­ gen, reflektiert sind, und elastische Wellen (P₁), die von der Reflektoroberfläche (II-II) reflektiert sind, empfängt und diese Wellen in elektrische Signale umwandelt;
einen Impulsgenerator, der den piezoelektrischen Wandler durch kurze elektrische Impulse in Intervallen zwischen 0,1 und 20 MHz erregt, und
eine elektronische Analysatorschaltung (IV), die die von dem piezoelektrischen Wandler ausgehenden Signale empfängt und analysiert, mit einem eine Nullkraft definierenden Be­ zugssignal vergleicht und ein Ausgangssignal liefert, das die von dem ersten auf den zweiten Körper tatsächlich aufgebrach­ te Kraft definiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wandler (9) enthaltende erste glatte Oberfläche (III-III) in einer Aussparung (13) liegt, die von der dem ersten Körper nahen Blockoberfläche ausgeht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoroberfläche (II-II) in einer in dem ersten Block (7) vorgesehenen Aussparung (10) senkrecht zu der Rich­ tung der Kraft N nahe der Kontaktzone (I-I) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den zweiten Körper angrenzende Oberfläche des zweiten Blocks (8) mit einer konischen Aussparung (11) ver­ sehen ist, um die von der Kontaktzone empfangenen elastischen Wellen zu den Seiten abzulenken, so daß ihre Reflexion in die Kontaktzone verhindert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler an der ersten glatten Ober­ fläche (III-III) des ersten Blocks (7) mit einem elastischen Kleber befestigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Analysatorschaltung einen Vergleicher aufweist, um die aufgrund von Änderungen der Temperatur, der Feuchtigkeit, einer Formänderung des Blockmaterials auftre­ tenden Fehler dadurch zu korrigieren, daß die Amplitude der von dem Reflektor reflektierten elastischen Wellen mit einem Standardwert, der bei einer Standardtemperatur und Nullast gemessen ist, verglichen wird.