LU83598A1

LU83598A1 - Auswerteeinrichtung fuer kraftmesser mit einer vorgespannten biegesteifen,queschwingenden saite

Info

Publication number: LU83598A1
Application number: LU83598A
Authority: LU
Inventors: P Weber
Original assignee: Mettler Instrumente Ag
Priority date: 1981-09-02
Filing date: 1981-09-02
Publication date: 1982-01-20

Description

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Auswerteeinrichtung für Kraftmesser mit einer vorgespannten, biegesteifen querschwingenden Saite 5 Die Erfindung betrifft eine Auswerteeinrichtung für Kraftmesser mit einer vorgespannten, biegesteifen, querschwingenden Saite, deren Schwingungsfrequenzänderung unter dem Einfluss einer die Spannung der Saite verändernden Kraft ein Mass für die Grösse dieser Kraft ist, mit einer elek-10 tronischen Recheneinheit, die dass Mass der kraftabhängi gen Schwingungsfrequenz der Saite in ein der Kraft wenigstens annähernd proportionales elektrisches Signal für die Kraftanzeige umsetzt. Solche Kraftmesser werden vornehmlich als selbständige Baueinheit hergestellt und z.B. in Waagen 15 eingesetzt.

Infolge des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Schwingungsfrequenz der Saite und der sie spannenden Kraft bietet die Auswertung der Kraftmessung bei Einsaiten-Kraft-20 messern erhebliche Schwierigkeiten, insbesondere wenn der Messwert durch direktes Zählen der Saitenfrequenz abgenommen und digital dargestellt werden soll, wie das bei Saitenwaagen üblich ist.

25 Es wurde bereits versucht, die Abhängigkeit der Frequenzänderung von der Grösse der zu messenden Kraft durch zusätzliche kraftausübende Mittel, z.B. durch Magnete, im Sinne einer Linearisierung zu korrigieren, wie das in der DE-OS 2219727 beschrieben ist.

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Mit der vorliegenden Erfindung ist beabsichtigt, die angestrebte Linearisierung auf anderem Wege zu erreichen, so dass auf zusätzliche kraftausübende Mittel verzichtet werden kann und durch solche Mittel möglicherweise verursach-35 te Störeinflüsse vermieden werden.

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Bekanntlich gilt für die Beziehung zwischen der Kraft K und der Schwingungsfrequenz f einer biegeschlaffen Saite der Ansatz:

K-vf2 I

5 Davon ausgehend wird für eine biegesteife Saite diese Beziehung im allgemeinen durch eine Näherungsformel in Form nachstehender Potenzreihe zum Ausdruck gebracht:

K~a^f + a2f2 + a^f^ + a^f^.... II

10 wobei a^, a^, a^, a4 usw. im we^entliehen die Natur der Saite charakterisierende Koeffizienten sind. Erfahrungsgemäss sind nun aber diese Koeffizienten von durch die Herstellung der Saite bedingten Abweichungen ihrer mechani-15 sehen Eigenschaften verhältnismässig stark abhängig, was die Auswertung der Messergebnisse insofern erschwert, als für jede einzelne Saite diese Koeffizienten ermittelt werden müssen. Praktisch sind zu diesem Zweck an der Auswerteeinrichtung entsprechende Einstellmittel vorzusehen. Bei 20 Vernachlässigung dieser Abhängigkeit der Koeffizienten würden sich unter Berücksichtigung der für solche Saiten üblichen Herstellungstoleranzen in einem weiten Anwendungsbereich dieses Kraftmessers zu grosse Messfehler ergeben.

Auch eine für die rechnerische Auswertung notwendige Ver-25 einfachung der Näherungformel II durch Weglassen von Gliedern höherer Potenz ändert sich nichts an dieser Tatsache.

Im Sinne einer Vereinfachung der Serienherstellung solcher Einsaiten-Kraftmesser ist deshalb eine Lösung anzustreben, 30 die es ermöglicht, eine Auswerteeinrichtung zu schaffen, die keiner Nachjustierung der genannten Art bedarf und mit der, trotz der zu erwartenden Herstellungstoleranzen der Saiten, Messresultate erreichbar sind, die innerhalb der für Kraftmesser dieser Art üblichen Fehlergrenzen liegen.

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Es wurde nun experimentell gefunden, dass bei einem allgemeinen Ansatz K~fn für die Beziehung zwischen der Kraft K und der Schwingungsfrequenz f die mechanischen Eigenschaften einer biegesteifen Saite besser berücksichtigt werden, 5 wenn für den Exponenten n ein Wert eingesetzt wird, der Etwas grösser als 2 ist. Im Rahmen der praktisch brauchbaren Saitendimensionen kann dieser Wert variieren, im Extremfall aber nicht mehr als 2,3 betragen. Für eine Saite mit einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von 60 bei-10 spielsweise wird vorzugsweise n = 2,1 gesetzt.

Die Erfindung besteht nunmehr darin, dass bei einer Auswerteeinrichtung der eingangs genannten Art die Recheneinheit zur wenigstens näherungsweisen Auswertung der mathe-15 matischen Funktion K^fn ausgebildet ist, wobei der Exponent n grösser als 2, aber nicht grösser als 2,3 ist.

Es ist also lediglich die Recheneinheit jeweils entsprechend dem für den Kraftmesser verwendeten Saitentyp aus-20 zubilden, um das gewünschte Ziel zu erreichen, wobei der jeweils massgebende Wert für den Exponenten experimentell zu ermitteln ist. Aus dem allgemeinen Ansatz K-vfn lässt sich für jeden Wert von n eine Näherungsformel ableiten, die eine mathematisch einfache Auswertung ermöglicht und 25 den Fachmann in den Stand setzt, die elektronische Recheneinheit danach aufzubauen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird vom Ansatz 2 1 , " K~f ’ ausgegangen. Durch Reihenentwicklung gelangt man 30 zu der nachstehenden Näherungsformel, welche auch für geringfügige Abweichungen des Exponenten von 2,1 anwendbar ist:

K~f2(c + f/f ). III

35 Darin bedeutet f^ die Schwingungsfrequenz im unbelasteten - 5 - k

Zustand der Saite (K = 0) und C eine die physikalischen Eigenschaften der Saite beinhaltende Konstante.

Da nach den Untersuchungsergebnissen die Konstante C, 5 ebenso wie der Exponent n, durch die Saitenparameter nur wenig beeinflusst wird, stellt die Formel III eine ausgezeichnete Linearisierungsfunktion dar, da sie im Gegensatz zur Formel II keine präexponentielle, der Saitencharakteristik anzupassende, Faktoren aufweist.

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Dadurch ergeben sich in bezug auf die Auswertung beispielsweise bei Einsaiten-Kraftmessern für Waagen erhebliche Vorteile. Der unbelastete Zustand einer Saitenwaage wird vorzugsweise dadurch erkennbar gemacht, dass die Schwin-15 gungsfrequenz f^ mechanisch auf einen festen Wert eingestellt wird. Durch diese, meist aus eichtechnischen Gründen erforderliche Grundeinstellung ist die Konstanz der Grösse Îq in der Formel III gewährleistet. Ein nachträglicher Nullabgleich an der Auswerteeinrichtung ist daher nicht 20 notwendig. Bei einem gegebenen Kraftmessertyp kann auch für die Grösse C ein fester Wert eingesetzt werden, da die innerhalb der Herstellungstoleranzen zu erwartenden. Abweichungen der mechanischen Eigenschaften der Saite wenig Einfluss auf diese Grösse haben.

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Reihenversuche mit Einsaiten-Kraftmessern, die mit einer erfindungsgemässen, zur Auswertung der Formel III ausgebildeten Auswerteeinrichtung ausgerüstet waren, haben „ " ergeben, dass bis zu einer Auflösung von 3000 über den 30 ganzen Messbereich die Messfehler innerhalb der beispielsweise für Ladenwaagen vorgeschriebenen Fehlergrenzen lagen, bei konstanten Werten für C und fQ.

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Claims

1. Auswerteeinrichtung für Kraftmesser mit einer vorgespannten, biegesteifen, querschwingenden Saite, deren

5 Schwingungsfrequenzänderung unter dem Einfluss einer die Spannung der Saite verändernden Kraft ein Mass für die Grösse dieser Kraft ist, mit einer elektronischen . ? Recheneinheit, die das Mass der kraftabhängigen Schwin- ^ gungsfrequenz (f) der Saite in ein der Kraft (K) we- 10 nigstens annähernd proportionales elektrisches Signal für die Kraftanzeige umsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit zur wenigstens näherungsweisen Auswertung der mathematischen Funktion K'vf11 ausgebil-’ det ist, wobei der Exponent n grösser als 2, aber nicht 15 grösser als 2,3 ist.

2. Auswerteeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Exponent n = 2,1 ist.

3. Auswerteeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, dass die Recheneinheit zur Auswertung der Nähe-rungsformel K^f (C + f/fQ) ausgebildet ist, wobei f^ die Schwingungsfrequenz im unbelàsteten Zustand der Saite (K = 0) und C eine die physikalischen Eigenschaf-25 ten der Saite beinhaltende Konstante ist.

4. Verwendung der Auswerteeinrichtung nach einem der An-^ Sprüche 1 bis 3 für Einsaitenwaagen. > 30 L 35