Meßgrößen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mecha¬ nischer Meßgrößen, bei dem sich ein Meßgrößenaufnehmer un- ter der Einwirkung der zu bestimmenden Meßgröße elastisch verformt und dadurch die mechanische Meßgröße in ein pro¬ portionales elektrisches Meßsignal umformt und bei dem das Aufnehmerwiderlager nach einer Änderung der Meßgröße oder der Einwirkung einer Störgröße zu einer sinnvoll gesteuer- ten Gegenbewegung relativ zum Inertialsystem gezwungen wird.

Die Erfindung betrifft des weiteren eine entsprechende Me߬ einrichtung zur Bestimmung mechanischer Meßgrößen mit einem sich unter der Einwirkung einer mechanischen Meßgröße ela¬ stisch verformenden Meßgrößenaufnehmer, der die Meßgröße in ein proportionales elektrisches Signal umformt, und mit ei¬ nem elektrisch ansteuerbaren Stellmotor, der das Aufnehmer¬ widerlager nach einer sprungförmigen Änderung der Meßgröße oder dem Einwirken einer Störgröße zu sinnvollen Gegenbewe¬ gungen relativ zum Inertialsystem anregt.

Meßeinrichtungen für die Bestimmung mechanischer Meßgrößen, wie z.B. Kräfte, Gewichte, Drehmomente, Spannungen, Drücke oder Wege, enthalten vielfach einen elastischen Meßgrößen¬ aufnehmer, der sich unter Einwirkung der zu bestimmenden Meßgröße elastisch und zu ihr proportional verformt. Solche Aufnehmer können beispielsweise resistiver, kapazitiver oder induktiver Natur sein, wobei die Verformung oder Aus-

lenkung des Meßfederkörpers dann zur Umformung der mechani¬ schen Meßgröße in ein - zumeist proportionales - elektri¬ sches Meßsignal führt. Dabei speichert der Aufnehmer durch seine elastische Verformung eine potentielle Energie, die vom Meßobjekt aufzubringen ist. Dieses ist in aller Regel massebehaftet und besitzt somit z.B. eine träge Masse, ein Trägheitsmoment oder eine Strömungsträgheit. Zusammen mit den bewegten lasteinleitungsseitigen Elementen der Meßein¬ richtung und der Elastizität des Aufnehmers bildet diese Einheit dann ein schwingungsfähiges System, das nach einer sprungförmigen Änderung der Eingangsgröße einen in Abhän¬ gigkeit von der Eigendämpfung des Systems mehr oder weniger lang andauernden Ei schwingvorgang durchläuft, bevor es in seiner stationären Gleichgewichtslage zur Ruhe kommt. Die Periodendauer der Einschwingzyklen verhält sich dabei - nicht linear - proportional zur Trägheit und zur Nachgie¬ bigkeit des elastischen Aufnehmers. Bis zum Erreichen der sogenannten kritischen Dämpfung, bis zu der es zu über- schwingungen über die neue stationäre Gleichgewichtslage kommt, vergrößert sich die Periodendauer der Eigenschwin¬ gung gleichsinnig und verkürzt sich die Dauer des Ein¬ schwingvorganges gegensinnig mit der Eigendämpfung des Me߬ systems. Ist diese größer als die kritische Dämpfung, schwingt das System nicht mehr über die stationäre Endlage hinaus, sondern nähert sich dieser langsam asymptotisch.

Oftmals entstehen darum z.B. bei zeitkritischen industriel¬ len Anwendungen elastischer Aufnehmer Probleme durch zu große Einschwing- und Beruhigungszeiten der damit aufgebau- ten Meßeinrichtungen. Aus diesem Grund besteht bei solchen Anwendungen ein vornehmliches Interesse daran, zu kürzeren Einschwingzeiten nach einer Änderung der Meßgröße zu gelan¬ gen, damit entsprechend rasch ein aktueller Meßwert zur Verfügung steht. Nach dem heutigen Stand der Technik sind verschiedene Methoden bekannt, die zu einer schnellen Um¬ formung der mechanischen Meßgröße in einen elektrischen Meßwert mittels elastischer Aufnehmer führen sollen:

So können Meßsysteme mit elastischen Aufnehmern zum einen mechanisch, z.B. durch pneumatische oder hydraulische Däm¬ pfungseinrichtungen, bedämpft werden, wobei das Erreichen der kritischen Dämpfung naturgemäß besonders wünschenswert ist. Oftmals können aber in der Praxis wegen der geringen Federwege vieler elastischer Aufnehmer mit vertretbarem Aufwand nur erheblich kleinere Eigendämpfungen realisiert werden, besonders dann, wenn die Forderung nach absoluter Rückwirkungsfreiheit der Dämpfungseinrichtung auf die Meß- genauigkeit erfüllt werden soll. Dennoch führt auch das Er¬ reichen der hier idealen kritischen Dämpfung noch zu Ein¬ schwingzeiten, die die natürliche Periodendauer des unge¬ dämpft schwingenden Meßsystems um ein Vielfaches über¬ steigt.

Die in den meisten Fällen einfachste Möglichkeit zur ra¬ scheren Gewinnung eines Meßwertes aus einem mechanisch schwach bedämpften elastischen Meßsystem besteht darin, das elektrische Ausgangssignal des Aufnehmers analog oder digi- tal zu filtern. Während die analoge Filterung durch Festle¬ gen einer oberen Grenzfrequenz unterhalb der Eigenfrequenz nur zu vergleichsweise kleinen Verbesserungen führen kann, arbeitet ein digitales Filter durch ausschließliches selek¬ tives Unterdrücken der System-Eigenfrequenzen i.a. deutlich erfolgreicher. Dennoch lassen sich auch mit größerem Auf¬ wand durch ein solches Filter sehr genaue Meßwerte erst ge¬ winnen, wenn das Meßsystem schon mehrere Schwingungen um die stationäre Endlage ausgeführt hat.

Stand der Technik ist darüber hinaus die intelligente Me߬ datenverarbei ung, bei der die analogen elektrischen Aus¬ gangssignale elastischer Meßgrößenaufnehmer in kurzen In¬ tervallen abgetastet und in digitale Werte umgesetzt wer¬ den. Sind die wichtigsten Systemkenngrößen, wie Federstei- figkeit, Eigendämpfung und Masse der bewegten Teile des Meßsystems, in hinreichendem Maße bekannt, so kann man durch intelligente Auswertung der ersten Meßdaten nach ei¬ ner Änderung der Meßgröße den neuen stationären Gleichge¬ wichtszustand und damit den der Meßgröße entsprechenden

Meßwert abschätzen. Außerdem kann ständig der vorausberech¬ nete dynamische Verlauf des Einschwingvorganges mit dem tatsächlichen abgetasteten Verlauf verglichen und damit die Genauigkeit des geschätzten Meßwertes laufend erhöht wer- den, bis diese innerhalb vorgegebener Grenzen liegt. Neben der genauen Kenntnis der Systemkenngrößen ist für die An¬ wendung solcher Schätzverfahren eine individuell an die je¬ weilige Meßeinrichtung angepaßte intelligente Elektronik mit hohem Software-Aufwand erforderlich. Je nach geforder- ter Genauigkeit steht ein nutzbarer Meßwert frühestens nach der Dauer von gut zwei Perioden eines schwach gedämpft schwingenden Systems zur Verfügung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, im Hinblick auf diese Nachteile des Standes der Technik ein Verfahren sowie eine Meßeirichtung anzugeben, mit denen es möglich ist, die Einschwingzeiten derartiger Meßsysteme mit elastischen Auf¬ nehmern stark zu verkürzen.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabenstellung dadurch gelöst, daß das Aufnehmerwiderlager nach einer sprungför igen Änderung der Meßgröße zu einer sinnvoll gesteuerten Gegenbewegung rela¬ tiv zum Inertialsystem (Erdmittelpunkt) gezwungen wird.

Ausgehend von einer Meßeinrichtung der oben angegebenen Art wird die Aufgabe der Beschreibung einer entsprechenden Vor¬ richtung dadurch gelöst, daß ein elektrisch steuerbarer Stellmotor vorgesehen ist, der das Widerlager des elasti- sehen Meßgrößenaufnehmers nach einer Änderung der Meßgröße bewegt sowie dadurch, daß die Vorrichtung eine das Aus¬ gangssignal des Aufnehmers verarbeitende Schaltung zur An- steuerung des Stellmotors umfaßt.

Erfindungsgemäß ist es für das schwingungsfähige System ausreichend, wenn es über eine geringe passive Eigendäm¬ pfung verfügt, um dennoch zu extrem kurzen Einschwingdäm¬ pfungen zu gelangen. Dies wird durch den Einsatz eines Stellmotors möglich, der, angesteuert durch das

Ausgangssignal des elastischen Meßgrößenaufnehmers, das Aufnehmerwiderlager nach einer Änderung der Eingangsgröße in der Weise bewegt, daß dem Meßsystem in kürzester Zeit jegliche Schwingungsenergie entzogen wird.

Im Idealfall gelingt es dem Stellmotor, das Aufnehmerwider¬ lager in beliebig kurzer Zeit zu solchen Verlagerungen zu bringen, die in ihrer absoluten Größe (Betrag) gleich, aber in ihrer jeweiligen Richtung genau entgegengesetzt zu den Verlagerungen sind, mit denen die Lasteinleitungsstelle ei¬ nes herkömmlichen, d.h. mit einem unbewegten Aufnehmerlager gebauten, elastischen Aufnehmers auf plötzliche Änderungen der Meßgröße reagiert. Die nach dem Einleiten einer von Null verschiedenen Meßgröße in dem elastischen Aufnehmer, der Meßfeder, im stationären Gleichgewichtszustand zu spei¬ chernde elastische Energie wird hier also nicht mehr vom Meßobjekt selbst, sondern vom Stellmotor aufgebracht. Da das Meßsystem der Meßgröße dann zu jedem Zeitpunkt eine gleich große Reaktionskomponente entgegensetzt, erscheint es nach außen völlig unnachgiebig, d.h. die Steifheit und damit die Eigenfrequenz des Meßsystems wirken als beliebig angewachsen. Da sich zudem die in jedem realen Meßsystem vorhandene natürliche Dämpfung in gleichem Maße erhöht, lassen sich beim Einsatz von Stellmotoren angemessen großer Leistung durch ein solchermaßen gestaltetes Verfahren bzw. Meßsystem beliebig kurze Einschwingzeiten realisieren.

Im einfachsten Fall kann der Stellmotor direkt von dem elektrischen Ausgangssignal der Meßfeder angesteuert wer- den, da dieses Signal ja zu jedem Zeitpunkt verzögerungs¬ frei eine Information über die augenblickliche Auslenkung des elastischen Aufnehmers liefert. Unter Auslenkung ist dabei die relative Bewegung zwischen Lasteinleitungsstelle und Aufnehmerwiderlager zu verstehen.

In der Praxis wird es einem Stellmotor mit begrenzter Lei¬ stung aber naturgemäß nicht gelingen, das massebehaftete Aufnehmerwiderlager in unendlich kurzer Zeit nach einer Än¬ derung der Meßgröße zu einer die Auslenkung der Meßfeder

vollständig kompensierenden Gegenverlagerung zu bringen und dabei gleichzeitig die Meßfeder im erforderlichen Maße vor¬ zuspannen. Statt dessen wird die Gegenverlagerung in der Weise ausgeführt, daß sie nur zu einer zeitverzögerten und/oder nur nahezu vollständigen Kompensation der Meßfe- derauslenkung führt. In jedem Falle aber erscheint die Steifheit des Meßsystems nach außen auch dann noch signifi¬ kant vergrößert, wobei die Eigenfrequenz des Meßsystems so¬ wie dessen Eigendämpfung in gleichem Maße anwachsen.

In Abhängigkeit davon, wie die Steuerung der Gegenverlage¬ rung ausgelegt wird, wird es zu einer mehr oder weniger kleinen Anzahl von gedämpften Schwingungen der erhöhten Ei¬ genfrequenz um die stationäre Gleichgewichtslage kommen. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird daher die Gegenverlagerung des Aufnehmerwiderlagers bis zu dem Zeitpunkt fortgeführt, an dem dynamische Auslenkungen der Meßfeder vollständig abgeklungen sind. Dies ist jedoch für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Systems nicht zwin- gend erforderl ch. Schon eine einmalige Bewegung des Wider¬ lagers entgegen der Meßfederauslenkung führt zu erheblich reduzierten Einschwingzeiten.

Wird die motorische Bewegung des Aufnehmerwiderlagers le- diglich gesteuert, so kann es zur Aufintegration von Feh¬ lern und Störeinflüssen kommen, aus denen nicht eliminier¬ bare Nullpunktabweichungen resultieren würden. Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Maßeinrichtung ist da¬ her ein Lagesensor vorzusehen, der die Verlagerungen des Aufnehmerwiderlagers erfaßt und dessen Lageregelung ermög- 1icht.

Erfüllt der Stellmotor die an ihn gestellten Aufgaben nur unzureichend, indem es zu größeren zeitlichen Verzögerungen zwischen der Auslenkung der Meßfeder und der Gegenverlage¬ rung des Aufnehmerwiderlagers kommt, so kann das Gesamtsy¬ stem instabil werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird daher, aufbauend auf einer Systemana¬ lyse, die oben beschriebene Lagesteuerung bzw. -regelung

des Aufnehmerwiderlagers ersetzt durch eine Geschwindig¬ keitssteuerung bzw. -regelung. Hierbei kann die zur An- steuerung des Geschwindigkeitsstellmotors dann erforderli¬ che Stell- bzw. Führungsgröße, die Auslenkungsgeschwindig- keit des Aufnehmers, im einfachsten Fall durch Differentia¬ tion seines elektrischen Ausgangssignals gewonnen werden.

Denkbar ist jedoch auch der Einsatz eines Geschwindigkeits¬ aufnehmers zur Erfassung der Auslenkgeschwindigkeit, d.h. der Differenzgeschwindigkeit zwischen Lasteinleitungsstelle und Aufnehmerwiderlager.

Schließlich ist auch eine Lösung denkbar, bei der die An- steuerung des Stellmotors zur Bewegung des Aufnehmerwider- lagers durch eine intelligente Schaltung mit Mikrorechner erfolgt. In diesem Fall können die bekannten, wichtigsten Systemparameter der jeweiligen Meßvorrichtung zu einer in¬ telligenten Steuerung oder Regelung der Widerlagerbewegung herangezogen werden. Die im Sinne einer kürzestmöglichen Einschwingzeit optimale Gegenbewegung des Aufnehmerwiderla¬ gers kann dabei aus dem zeitlichen Verlauf der ersten nach einer plötzlichen Änderung der Meßgröße von dem Aufnehmer erfaßten Meßwerte vorausberechnet und unter Nutzung der vollen Antriebsleistung des eingesetzten Stellmotors ausge- führt werden. Außerdem kann der als bestmöglich berechnete Verlauf der Gegenbewegung durch Abtastung des von dieser Bewegung beeinflußten Aufnehmerausgangssignals ständig kor¬ rigiert und weiter optimiert werden. Demgegenüber steht na¬ turgemäß der hohe Aufwand einer intelligenten Steuerung oder Regelung, der aber bei außergewöhnlich zeikritischen Anwendungsfallen gerechtfertigt sein kann.

Wie eingangs erwähnt, erhöht sich die Eigendämpfung einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung proportional zur Erhöhung der Eigenfrequenz. Ist die Masse der bewegten Teile des Stellmotors und des Aufnehmerwiderlagers klein gegenüber der sich aus den Massen des Meßobjektes und der bewegten Teile auf der Lasteinleitungsseite des Aufnehmes zusammen¬ setzenden Gesamtmasse, so wird die aus einer in Serie mit

dem Stellmotor liegenden Dämpfungseinrichtung resultierende Dämpfung ebenfalls und in gleichem Maße durch die erfin¬ dungsgemäße Vorrichtung erhöht. Eine solche mechanische, seriell wirkende Dämpfungseinrichtung ist hier jedoch wenig sinnvoll, da sie auch noch nach dem vollständigen Ein¬ schwingen der Meßvorrichtung voll von der Meßgröße und al¬ len Totlasten beaufschlagt wäre und der Stellmotor infolge¬ dessen den Eingang der Dämpfungseinrichtung ständig bewegen müßte, um ihren Ausgang in Ruhe zu halten. Mit den Methoden der Systemanalyse läßt sich jedoch leicht ein wirkungsglei¬ ches elektrisches Element finden, aus dem in die Schaltung zur Steuerung bzw. Regelung der Bewegung des Aufnehmerwi¬ derlagers eingebunden eine entsprechende Dämpfung des Sy¬ stems resultiert. In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Meßverfahrens bzw. der Meßeinrichtung wird daher ein solches elektrisches Bauelement, vornehmlich ein ohm'scher Widerstand, vorgesehen, das die erforderliche und i.a. auf¬ wendig zu real sierende mechanische Dämpfung teilweise oder vollständig ersetzt.

Die Erfindung sowie die ihr zugrundeliegenden Gesetzmäßig¬ keiten und Erkenntnisse werden nachfolgend anhand des An¬ wendungsbeispiels einer elektromechanisehen Waage mit Deh¬ nungsmeßstreifen (DMS)-Meßgrößenaufnehmer unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer erläutert. Es zei¬ gen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer DMS-Waage gemäß der Erfindung mit einem Stellmotor, einer Regel- schaltung, einem Wegaufnehmer sowie einer elek¬ tronischen Auswerteschaltung;

Fig. 2 das Blockschaltbild der Anordnung nach Fig. 1, zusätzlich mit einer zur Meßfeder parallel wir- kenden mechanischen Dämpfungseinrichtung ausge¬ stattet;

Fig. 3 das Einschwingverhalten einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung im Vergleich zu demjenigen eines

nicht oder nur schwach gedämpften, konventionel¬ len elastischen Meßsystems;

Fig. 4 das Blockschaltbild der Anordnung nach Fig. 1, zusätzlich mit einer in Serie mit dem Stellmotor wirkenden mechanischen Dämpfungseinrichtung ver¬ sehen;

Fig. 5 das Blockschaltbild der Anordnung nach Fig. 1, wobei die mechanische Dämpfungseinrichtung gemäß

Fig. 4 durch ein elektrisches Dämpfungselement ersetzt wurde.

In Fig. 1 ist der Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßein- richtung am Beispiel einer elektromechanischen elastischen Wägeeinrichtung dargestellt. Der Meßgrößenaufnehmer 1 ar¬ beitet hier nach dem Dehnungsmeßstreifenprinzip, bei dem die mechanische, der Auslenkung proportionale Verformung eines Federkörpers durch resistive, i.a. in Brückenschal- tung angeordnete Elemente 6 in ein elektrisches Ausgangssi¬ gnal umgeformt wird. Ohne die im oberen Bereich der Fig. 4 dargestellten Elemente, den Lagesensor 5, die Steuerschal¬ tung 8 sowie den Stellmotor 9 mit Getriebe 4, handelte es sich hier um eine konventionelle DMS-Waage mit festem, d.h. gegenüber dem Inertialsystem ortsfestem Aufnehmerwiderlager S. Nach dem Auflegen eines Gewichtes 2 auf die Lastschale 3 und dem Abklingen des Einschwingvorganges ist die Meßfeder 1 elastisch um den Wert S ausgelenkt und die Waagschale um die Verlagerung SM abgesenkt. Wegen der ortsfesten Einspan- nung des Aufnehmerwiderlagers (s _a = 0) gilt:

( 1 ) SN = Sm .

Gleichzeitig hat sich das Ausgangssignal aus der Brücken- Schaltung aus den auf der Meßfeder angebrachten DMS 6 von Uo auf einen Wert um geändert, wird über den Verstärker 7 elektrisch verstärkt und durch die Elektronik 10 in einen von der Einheit 11 angezeigten digitalen Meßwert umgesetzt. Das zu messende Gewicht 2 bildet zusammen mit der Totlast

der Waagschale und bewegten Teilen der Meßfeder 1 in Ein¬ heit mit der Nachgiebigkeit der Feder ein schwingungsfähi¬ ges System. Aus diesem Grund wird sich die neue stationäre Gleichgewichtslage der Meßeinrichtung nach einer sprungför- migen, ggf. impulsbehafteten Änderung der Meßgröße erst nach einem in Abhängigkeit von der natürlichen Dämpfung der Anordnung mehr oder weniger lang andauernden Einschwingvoi— gang einstellen. Im Normalfall lassen sich DMS-Meßeinrich- tungen wegen deren geringen Federwegen nur außerordentlich schwer wirkungsvoll und dabei bzgl . der Meßgenauigkeit rückwirkungsfrei mechanisch dämpfen. Oftmals erreicht die natürliche Dämpfung (Luft) solcher Systeme nur gerade ein Zehntel der hier idealen, sogenannten kritischen Dämpfung, bei der die Meßeinrichtung nicht mehr über ihre stationäre Gleichgewichtslage überschwingt. In jedem Falle aber, also auch wenn die kritische Dämpfung tatsächlich realisiert werden kann, wird ein derartiges konventionelles Meßsystems erst nach einer Zeit verwertbare Meßergebnisse liefern, die mehrere Periodendauern der natürlichen Schwingung einer entsprechenden ungedämpften Meßeinrichtung in Anspuch nimmt.

Bei einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung gemäß Fig. 1 ist das Aufnehmerwiderlager S dagegen nicht mehr ortsfest, son- dem kann durch den Stellmotor 9, ggf. über ein Getriebe 4, bewegt werden. Die Ansteuerung des Stellmotors 9 übernimmt dabei das Verstärkerelement 8, dessen Eingangsgrößen das durch 7 verstärkte Ausgangssignal u _n der Aufnehmerbrücke und ggf. das elektrische Ausgangssignal U des die Verlage- rung Sa des Aufnehmerwiderlagers S erfassenden Lagesensors 5 sind. Im einfachsten Fall wird die Steuerung/Regelung der Widerlagerbewegung in der Weise ausgelegt, daß gilt:

(2) Sa(t) = sn(t).

In diesem Falle is S (t) zu jedem Zeitpunkt gleich Null, d.h. auch die Nachgiebigkeit des Meßsystems erscheint nach außen hin gleich Null.

Ein realer Stellmotor mit begrenzter Leistung kann aber die Lage eines maεsebehaf eten Körpers naturgemäß nicht sprung- förmig verändern, so daß zwischen der Steuergröße Um ( ) und der Aus ^' lenkung Sa ( t) des Widerlagers S stets eine zeitliche δ Verzögerung eintreten wird. Je nach Größe dieser Verzöge¬ rung kann hieraus eine Instabilität der erfi dungsgemäßen Meßeinrichtung resultieren.

Aus diesem Grund wird in einer erfindungsgemäßen Weiterbil-

1.0 düng der Meßeinrichtung die Wegsteuerung/-rege lung durch eine Geschwindigkeitssteuerung/-regelung ersetzt. Das Blockschal bi ld nach Fig. 2 zeigt ein solches System, in dem ein als Geschwindigkeitsaktuator wirkender Stellmotor VA das Aufnehmerwiderlager S mit einer Geschwindigkeit v _a 5 bewegt, " " ist hier die träge Masse des Wägeguts, FE des¬ sen Gewichtskraf , mo die träge Masse der bewegten Totlast des Meßsystems (. Lastschale , etc. ), und Fo schließlich ist die Gewichtskraf dieser Totlast. Die Schalter T. und T2 sind bis zum Zeitpunkt des Auf legens des Meßob ektes auf 0 die Waagschale geöffnet, danach geschlossen, so daß die Ge¬ wichtskraft FE und die träge Masse mx dann auf das Meßsy¬ stem einwirken. N ist die Nachgie igkeit, des elastischen Meßgrößenauf ehmers, ms die träge Masse des Aufnehmerwider- ^" lagerε und der mit ihm bewegten Teile, z.B. des Stellmo- 5 tors. Paral lel zur Meßfeder N wirkend ist ein Dämpfungsele¬ ment Dp angeordnet, das zum einen die natür iche Dämpfung (z.B. Luft), zürn anderen ggf. weitere am Meßsystem ange ^¬ brachte künstliche Dämpfungsei richtungen einschließt.

0 Die Steuereingänge der Steuerelektronik A für den Stellmo¬ tor VA werden mit Signalen beaufschlagt, die zum einen der Geschwindigkeit v _a des Aufnehmerwiderlagers und zum anderen der Aus ^' lenkungsgeschwindigkeit vn der Meßfeder entsprechen. Die Differenz beider Signale wird mit dem Faktor k ver- 5 stärkt, so daß der» Stel lmotor das Widerlager seinerseits mit der Geschwindigkeit V Dewegt. Infolgedessen gilt:

( 3 ) KL - k - (K, - K.) - y Kr

Nach einer sprungförmigen Änderung der Meßgröße erreicht auch dieses erfindungsgemäß ausgestattete, kompensierende Meßsystem wie ein herkömmliches den neuen stationären Gleichgewichtszustand über eine gedämpfte, d.h. allmählich abklingende Schwingung, wobei die Auslenkung sn (t)β der Meßfeder aber den folgenden zeitlichen Verlauf haben:

Hier haben also die Oszillationen eine Eigenfrequenz foβ und ein Dämpfungsmaß DB , die im Vergleich zum System ohne Kompensation mit den Kenngrößen fo und Do jeweils um den Faktor (1 + k) ⁰ » ⁵ angewachsen sind. Es gilt also:

ts jj-* f _B - ₀ FFϊ7F .~ci D _ß

Mindestens ebenso bedeutsam ist die Tatsache, daß hiermit gleichzeitig auch die Schwingungen sm(t)B der Lasteinlei¬ tungsstelle und damit des Meßobjektes um den Faktor (1 + k) ^_1 kleiner werden:

so daß das Meßsystem auch um diesen Faktor (1 + k) weniger nachgiebig erscheint.

Da nun bei geeigneter Wahl des Verstärkungsfaktors k zum einen gemäß Formel (5) die Periodendauer TOB reduziert und gleichzeitig das Dämpfungsmaß DB signifikant erhöht werden kann, ist es möglich, erfindungsgemäße Meßeinrichtungen mit einem wünschenswerten Dämpfungsmaß DB in der Nähe der kri¬ tischen Dämpfung (D = 1) zu realisieren, auch wenn das Auf¬ nehmersystem von sich aus nur über die natürliche Eigen¬ dämpfung oder einfache Dämpfungseinrichtungen verfügt. Als Beispiel hierfür zeigt Fig.3 das Einschwingverhalten einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung im Vergleich zu demjenigen eines nur schwach gedämpften, herkömmlichen elastischen Meßsystems. Der Verstärkungsfaktor k wurde hier mit 24 festgelegt, d.h. die Eigenfrequenz fo des Systems erhöht

sich ebenso wie das Dämpfungsmaß Do (im Beispiel gilt: Do = 0,12) durch die erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung auf das Fünffache.

Zum Zeitpunkt t = to wird die Meßgröße sprungförmig verän¬ dert, wodurch die Meßfeder im stationären Gleichgewichtszu¬ stand um den ert k ausgelenkt wird. Zum Zeitpunkt t = to + To/4, wenn die Auslenkung SN (t)o der Meßfeder des herkömm¬ lichen Systems zum ersten Mal mit hoher Geschwindigkeit ihre spätere Gleichgewichtslage SNOO = So + ∑ _a durchläuft, führt die Meßfeder des erfindungsgemäß ausgestatteten Sy¬ stems nur noch Schwingungen mit einer auf To/5 reduzierten Periodendauer TOB aus, deren Restwel1 igkeit bereits kleiner als 0,89 % von »So ist,

So lange die Gesamtmasse ms aller durch den Stellmotor ge¬ meinsam mit dem Aufnehmerwiderlager bewegten Elemente der Vorrichtung klein gegenüber der Gesamtmasse mo + mx von Meßgröße und Lastschale etc. ist, verhält sich das Meßsy- stem gleich wie die Anordnung nach Fig. 2., wenn gemäß Fig. 4 die parallel zur Meßfeder wirkende Dämpfungseinrichtung Dp aus Fig. 2 durch einen seriell wirkenden Dämpfer Ds er¬ setzt wird. Auch hier wächst durch ein erfindungsgemäß aus¬ gestattetes Meßsystem das Dämpfungsmaß Dos auf eine Wert DBS = Dos (1 + k) ^0,5 an. Wie bereits oben dargelegt, ist der Aufbau einer solchermaßen ausgestatteten Meßvorrichtung i.a. wenig zweckmäßig, da der seriell wirkende Dämpfer auch noch nach dem vollständigen Einschwingen der Meßvorrichtung voll von der Meßgröße beaufschlagt wäre. Der Stellmotor VA müßte dann den Eingang E der Dämpfungsvorrichtung D _s stän¬ dig bewegen, um ihren Ausgang S in Ruhe zu halten.

Entsprechend den Methoden der Systemanalyse läßt sich die mechanische Dämpfungseinrichtung Ds jedoch in einen enfa- chen ohm'sehen Widerstand Rs gemäß Fig. 5 transformieren, wenn der Stellmotor VA so ausgelegt ist, daß für sein elek- tromechanisches Übersetzungsverhältnis ÜEM gilt:

In der so ausgestatteten erfindungsgemäßen Meßvorrichtung übernimmt also ein einfaches elektrisches Bauelement, in der Anordnung gemäß Fig. 5 der ohm'sche Widerstand R _ε , die ansonsten oft nur aufwendig durch eine entsprechende Ein¬ richtung Ds oder Dp zu realisierende mechanische Dämpfung teilweise oder auch vollständig.

Verzeichnis der Bezugszeichen und Symbole

1 Meßgrößenaufnehmer

2 Unbekanntes Gewicht

3 Lastschale

4 Getriebe 5 Lagesensor

6 Aufnehmerbrücke mit DMS

7 Verstärker

8 Steuereinheit (für 9)

9 Stellmotor, Aktuator 10 Auswerteeinheit

11 Anzeigeeinheit

A Steuereinheit (für VA)

Dp,D _e Dämpfungseinrichtung (parallel, seriell) Do Dämpfungsmaß (von DP , herkömmliches System)

DB Dämpfungsmaß (von DP , erfindungsgemäßes System)

Dos Dämpfungsmaß (von De, herkömmliches System)

DBS Dämpfungsmaß (von Ds , erfindungsgemäßes System) fo Eigenfrequenz (herkömmliches System) foB Eigenfrequenz (erfindungsgemäßes System)

Fo Gewichtskraft der Totlast

FE Gewichtskraft der Meßgröße

Fmo Trägheitskraft der Totlast

Fmx Trägheitskraft der Meßgröße FN Auslenkungskraft (an N) i _a Steuerstrom Stellmotor k Verstärkungsfaktor (von A)

LD Verstärker (wie 7)

M Lasteinleitungsstelle mo Masse der Totlast ms Masse von Aufnehmerwiderlager/Aktuator mx Masse des Meßobjektes

N Meßfedernachgiebigkeit

Rs ohm'scher Widerstand

s[(s> - —

S Aufnehmerwide lager

Sa, su Verlagerung (von S, M)

SN Auslenkung (von N)

SN stationäre Auslenkung (von N) So Anfangsauslenkung (von N, z.B. lastfrei)

•yσ. Auslenkungsänderung (durch Meßgröße) sm(t)B Einschwingkurve (von M, erfindungsgemäßes System)

SN(t)o Einschwingkurve (von N, herkömmliches System)

SN(t)ε Einschwingkurve (von N, erfindungsgemäßes System) To Periodendauer (herkömml ches System)

TOB Periodendauer (erfindungsgemäßes System)

Ti , T2 Schalter ua Meßsignal (von 5)

Ua Steuerspannung (für VA) Uc Ausgangsspannung (von A) um Meßsignal (von 6, 7)

Um Meßsignal (von LD)

ÜEM Übersetzungsverhältnis (von VA)

VA Stellmotor, Aktuator v _a Verlagerungsgeschwindigkeit (von S)

VM Verlagerungsgeschwindigkeit (von M)

VN Auslenkungsgeschwindigkeit (von N)