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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Waage mit Hebelarm + DMS; Problem mit Abweichungen


Autor: Stefan (Gast)
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Hallo!

Ich habe hier eine Art Hebel, mit einem DMS im Auflager (B) und einem 
auf Seite (A) (siehe Skizze). Ich moechte mit diesem Aufbau eine 
Gewichtskraft (C) messen, die irgendwo rechts vom Auflager liegt. Es 
gilt, dass F_C = F_B - F_A ist.

Die DMS-Aufnehmer habe ich aus einer Personenwaage. Das sind so 
E-foermige Metallteile mit 3 Anschluessen, quasi ein DMS-Poti mit 2k 
Gesamtwiderstand.
Die DMS beider Aufnehmer habe ich zu einer Vollbruecke 
zusammengeschaltet, die wiederrum zu einem INA125 fuehrt. Durch die 
Brueckenschaltung muesste ja automatisch die Subtraktion der beiden 
DMS-Werte stattfinden.

Nun ist es so, dass es zwar grundsaetzlich zu funktionieren scheint, 
aber dennoch habe ich gewichtsabhaengig Abweichungen in dem System, je 
nachdem ob das Gewicht naeher oder weiter vom Auflager sitzt.

- Wie ist das zu erklaeren? Haben die DMS womoeglich unterschiedliche 
Kennlinien, so dass der abgezogene Wert nicht genau gross genug ist? Mit 
steigendem Gewicht werden die Abweichungen groesser.

- Wie koennte man eventuell unterschiedliche Kennlinien kompensieren?

- Kann das ueberhaupt so funktionieren wie ich mir das vorstelle, oder 
habe ich da ein physikalisches Problem?

Wenn jemand eine andere Idee hat, wie man entlang einer einseitig 
befestigten Stange das Gewicht unabaengig von der Lage bestimmen kann, 
waere mir auch geholfen. ;-)

Gruss,
--Stefan

Autor: Gast00 (Gast)
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Hi,

könntest du mal ein Bild deines Aufbaus posten?

Wahrscheinlich liegt es daran, dass sich deine Dehnunmessstreifen nicht 
identisch auslenken, bzw. sich das Material nicht identisch verformt.

Um das genauer zu analysieren müsste man eine FEM Berechnung 
durchführen.

Aber grundsätzlich ist es so, dass die Auslenkung geringer ist je näher 
das Gewicht an der Auflage ist. Stichwort: Drehmoment.

Zur Berechnung muss man Wissen an welcher Stelle sich das Gewicht 
befindet !

Autor: Micha H. (mlh) Benutzerseite
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Stefan schrieb:
> Wenn jemand eine andere Idee hat, wie man entlang einer einseitig
> befestigten Stange das Gewicht unabaengig von der Lage bestimmen kann,

Wenn ich Deine Messanordnung recht verstanden habe, mißt Du damit nicht 
das Gewicht, sondern das Moment. Das ist natürlich davon abhängig, wo 
auf dem Hebel sich das Gewicht befindet.

Autor: horst (Gast)
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Die Funktionsweise eines Hebels ist dir bekannt?
Was Du mißt ist eine Kraft. Und die ist in beiden Punkten umso größer, 
je weiter das Gewicht an das Ende der Stange rückt.


Die beiden Lager müssen irgendwo befestigt sein. Kannst du das, woran 
beide Lager befestigt sind, abwiegen? Dort sollte sich der Hebel nicht 
mehr auswirken.

Autor: Stefan (Gast)
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Hallo zusammen!

Mir ist klar, dass die Kraefte groesser sind wenn das Gewicht weiter 
aussen ist. Aber die Differenz aus beiden muesste doch ortsunabhaengig 
die Gewichtskraft von C sein?

Beim Hebel gilt doch, dass die Summe der Kraefte (und Momente) 0 ist, 
also die Kraft im Auflager plus die Kraft in C plus (mit negativem 
Vorzeichen) die Kraft in A gleich 0. Der Ort taucht dann doch nicht mehr 
auf?

Ein Foto von dem Aufbau habe ich gerade nicht, kann ich aber 
nachreichen. Prinzipiell sind das 2 Alu-Deckel mit jeweils einer 
Ausfraesung fuer die Waegezellen. Die Hebelstange liegt nur in den 
beiden halbkugelfoermigen Auflagepunkten der Waegezellen auf.

Gruss,
--Stefan

Autor: Volker Schulz (volkerschulz)
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Stefan schrieb:
> Beim Hebel gilt doch, dass die Summe der Kraefte (und Momente) 0 ist,
> also die Kraft im Auflager plus die Kraft in C plus (mit negativem
> Vorzeichen) die Kraft in A gleich 0. Der Ort taucht dann doch nicht mehr
> auf?

Doch, die Kraft in C resultiert ja aus Masse und Position...


Volker

Autor: Stefan (Gast)
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Volker Schulz schrieb:
> Doch, die Kraft in C resultiert ja aus Masse und Position...

Die Kraft nach unten ist doch nur m*g?

Gruss,
--Stefan

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Stefan schrieb:
> Die Kraft nach unten ist doch nur m*g?
Du hast einen Hebel, und je nachdem, wie weit weg du dort mit der 
Gewichtskraft angreifst, umsomehr Kraft kommt auf den DMS.

Oder umgangssprachlich:
Gewaltig ist des Schlossers Kraft, wenn er mit Verlängerung schafft.

Autor: so nicht! (Gast)
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Grundsätzlich "misst" ein DMS eine Dehnung.
Für eine Vollbrückenschaltung sind positive und negative Dehnungen 
notwendig. Deshalb solltest du auch "unten" im Punkt B DMS Verbaut 
haben.

Mit dieser Anordnung wird die Dehnung im Punkt B aber durch die Biegung 
verursacht. D.H.
m*g*sBC = FA *sAB

wobei sBC die Strecke zwichen Punkt B und C ist, diese geht hier immer 
ins Ergebnis ein.

Neben einem aussagekräftigen Bild wäre hier ein Schaltplan hilfreich!

Grüße

Autor: Systemwiederherstellungs. (Gast)
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1.
>aber dennoch habe ich gewichtsabhaengig Abweichungen in dem System, je
nachdem ob das Gewicht naeher oder weiter vom Auflager sitzt.

Hebelgesetz
http://de.wikipedia.org/wiki/Hebelgesetz

2.Abgesehen davon daß auch eine Feder nicht ewig elastisch ist, wird 
zufällig irgendwann die Elastizitätsgrenze überschritten?

3. In einfachen Fällen macht man mehrere Messungen und bildet den 
Durchschnitt. Im Computerzeitalter wäre eine Korrekturtabelle eine Idee.

Autor: Sebastian Enz (senz) Benutzerseite
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Wichtig ist, daß die Reaktionskräfte des Hebels entkoppelt in die 
Messzellen eingekoppelt werden! D.h. der Hebel soll möglichst über 
Schneiden oder Kugeln an den Zellen angekoppelt werden. Ich kann mir 
vorstellen, daß es zu Verspannungen im System kommt oder irgendwelche 
Biegemomente die Messung verfälschen.

Autor: Stefan (Gast)
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Ich versuche heute abend Bilder zu machen und reinzustellen. Ein Bild 
sagt mehr als 1000 Worte, das ist mir klar. :-)

Ich habe mir das Hebelgesetz angesehen und mir ist klar, dass die 
Kraefte groesser werden, wenn das Gewicht weiter aussen ist. Aber die 
Kraft wird ja nicht nur im Punkt A ("auf der anderen Seite des Hebels") 
sondern auch im Punkt B (im Lager) groesser und meiner Ueberlegung nach 
muesste die Differenz dann ortsunabhaengig der Kraft in C entsprechen. 
Wenn diese Hebelanordnung nur in den 2 Punkten A und B aufliegt, muss 
sich die Kraft C doch auf diese beiden Punkte verteilen?!

Vielleicht habe ich wirklich einen Denkfehler in dem ganzen, aber trotz 
all eurer Bemuehungen sehe ich bisher nicht wo.

http://www.wakla.de/40845.html
Auf dieser Seite ueber Hebelmechanik heisst es "Nach Bild 2 lautet die 
Gleichgewichtsbedingung für die 3 Kräfte ganz einfach: F1 + F2 + F3 = 0"

Und in diesem Forenbeitrag -> 
http://www.wer-weiss-was.de/theme50/article3849561.html heisst es in der 
ersten Antwort "Nun muss auch noch das Kräftegleichgewicht stimmen: 
F1+FLager+F2=0 -> FLager= ... das ist deine "fehlende" Kraft."

Wenn ich nur einen DMS an dem Hebel haette, im Punkt A, dann waere klar, 
dass es nicht funktioniert. Ich habe es interessehalber mal nur mit 
einem DMS getestet und da laufen die Werte extrem auseinander, wie zu 
erwarten. Mit dem DMS in A und B, sind die Abweichungen bei dem 
Differenzwert gar nicht mehr so gross. Ich kann es leider nicht 
beziffern, da es bisher nur irgendein unnormierte Wert vom ADC ist, aber 
wenn ich beispielsweise eine Rolle Klebeband auf die Stange haenge, 
springt der Wert z.B. um 25 nach oben und wenn ich es entlang der ca. 40 
cm langen Stange verschiebe aendert sich der Wert um +/- 5. Ich habe 
dazu jetzt nicht den Vergleichswert mit nur einem DMS, aber da duerfte 
die Aenderung deutlich groesser ausfallen.

Vielleicht kommen wir weiter wenn ich die Bilder machen konnte.

Danke auf jeden Fall fuer eure rege Mithilfe. :-)

Gruss,
--Stefan

Autor: Stefan (Gast)
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So, hier nun einige Fotos.

Die Stange liegt nur auf den beiden halbkugelfoermigen Auflagepunkten 
der Waegezellen auf.
Die Waegezellen bestehen, wie schon geschrieben, aus einer Art DMS-Poti, 
jeder der Widerstaende in der Schaltung hat 1k. Angeschlossen sind sie 
an einen INA125 in Standardbeschaltung nach Datenblatt. Der generiert 
auch die 2.5V Brueckspannung (V+).

Ich komme einfach nicht drauf, warum das nicht funktionieren soll.
Hier nochmal was mir zu denken gibt:

- Es gilt F_links + F_auflage + F_rechts = 0
- Wenn die Stange nur auf 2 Punkten aufliegt, dann muss die gesuchte 
Kraft doch irgendwie darauf verteilt sein

Warum sollte das also nicht funktionieren ?! Vielleicht hat jemand die 
alles entscheidene Idee? ;-)

Gruss,
--Stefan

Autor: Stefan (Gast)
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Hallo,

ich greife diesen Thread nochmal auf, weil ich nun eine interessante 
Beobachtung gemacht habe:

Wenn ich den Alu-Block umdrehe und die Stange von der andere Seite 
einbaue, also quasi Waegezellen A und B vertausche (auch den Anschluss 
am Messverstaerker), dann wird der ADC-Wert groesser je naeher das 
Gewicht innen ist, also genau umgekehrt wie davor. Der Wert steigt nach 
wie vor fuer zunehmendes Gewicht, d.h. hier ist nicht einfach eine 
Vorzeichenumkehr im Spiel.

Ich schlussfolgere daraus, dass die Kennlinien der baugleichen 
Waegezellen unterschiedlich sind und die Differenz mit zunehmendem 
Gewicht auseinanderlaeuft. Wenn beide Waegezellen exakt identische 
Kennlinien haetten, dann muesste eine Waage nach dem Prinzip 
funktionieren. (Die Masse auf der Stange muss sich positionsunabhaengig 
auf die beiden einzigen Auflagepunkte A und B verteilen, wo soll sie 
sonst hin?)

Nun die Frage: Wie kann ich das messtechnisch korrigieren? Bis jetzt 
sind die Waegezellen zu einer Vollbruecke zusammengeschaltet (Bild 
"dms_schaltung.jpg" in meinem vorigen Posting) welche dann an einem 
INA125 gemaess Standardschaltung laut Datenblatt angeschlossen ist.

Gruss,
--Stefan

Autor: Volker Zabe (vza)
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Du hast zwei Unbekannte: Fg und den Hebelarm.
Du hast aber nur eine Formel:  Summe(Fn)=0

Da fehlt was!!!

Die Summe der Drehmomente muss auch Null sein:
Summe(Mn)=Summe(Fn*ln)=0

Wenn du jetzt alles richtig umstellst und einsetzt, kannst du nicht nur 
die Gewichtskraft sondern auch die Position errechnen.

Autor: Stefan (Gast)
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Hallo zusammen!

Da ich einfach nicht auf die Loesung dieses Wiegeproblems komme, habe 
ich einem Professor fuer technische Mechanik das vorliegende Problem 
geschildert.

Die Antwort:
> Von der Mechanik her ist nichts gegen Ihre Vorgehensweise einzuwenden.
> Wesentlich ist, dass jede Wägezelle für sich die möglichen Kräfte
> richtig erfasst. Wenn dies gewährleistet ist, sollte auch Ihr
> Messprinzip funktionieren.

Entgegen einiger Meinungen hier, muss es also moeglich sein, ohne 
Ortskenntnis die Masse des Gewichts durch die beiden Waegezellen zu 
bestimmen.

Koennte der Messfehler dadurch verursacht werden, dass die Waegezellen 
die Kraefte nicht korrekt erfassen? Bisher liegt die Stange einfach auf 
den beiden halbkugelfoermigen Auflagepunkten der Waegezellen.

Ein interdisziplinaeres Problem, aber ich hoffe mit eurer Hilfe doch 
noch die Loesung zu finden. :-)

Gruss,
--Stefan

Autor: Wirehead (Gast)
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Halbkugelförmig ist möglicherweise unpassend, dadurch das der hebelarm 
sich durchbiegt kommen möglicherweise unterscheidliche querkräfte auf 
die zellen.
Ob eine schneidenförmige auflage das verbessert müsste man mal 
durchdenken. Es läuft darauf hinaus das ganze mechanisch so aufzubauen 
das sich die der eintrag der kräfte (richtung der vektoren) exakt gleich 
auf beide messzellen verteilt.
Wie sieht es mit der genauigkeit der Fräßung des gehäuses aus? Stehen 
die Zellen wirklich parallel zueinander eventuell ist eine um ein paar 
1/100mm gekippt. (Erfahrungsgemäß muss man sich schon sehr mühe geben um 
diese genauigkeit zu ereichen!)
Vieleicht wäre mal ein experiment mit der unterlage von 
fühlerlehrenblechen zwichen die gehäuse halbschalen ganz 
aufschlussreich...

Gruß
Torsten

Autor: dms (Gast)
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Die "Wägezellen" sind nicht ernsthaft zu gebrauchen und definitiv nur 
dafür ausgelegt 2x am Tag für ein paar Sekunden belastet zu werden 
(Personenwaage). Belaste die Waage mit 50kg für zwei Wochen und aus den 
DMS kommt nichts mehr sinnvolles raus / driftet alles weg.

Ich rate Dir zum Kauf von zwei richtige Wägezellen, mit den Dingern 
wirst Du keine Freude haben.

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