Saitenmessgerät mit Phasenanzeige der Resonanz
Die Erfindung betrifft ein neues Saitenmessgerät mib Phasenanzeige zur Messung von Kräften, Drücken, Temperaturen und von anderen Grössen, die eine Verformung der Messsaite hervorrufen, wobei das Saitenmessgerät auf dem Prinzip 1des Resonanzvergleiches der Schwingungen der Mess- und einer Vergleichssaite und unter Verwendung von elektromagnetischen Erregern und Abtastern (Gebern) arbeitet. Die Saite, gewöhnlich aus Stahl, ist vorzugsweise in einen Fühler eingebaut. Die Messung der Eigenfrequenz dieser Saite kann z. B. leicht auf grössere Entfernungen elektrisch erfolgen. Die bisher bekannten Typen arbeiten mit gedämpften sowie mit ungedämpften Saitenschwingungen.
In Systemen mit ungedämpften Schwingungen bildet die Saite mit den erwähnten elektromagnetischen Erregern und Abtastern (Gebern) und insgesamt mit einem geeigneten elektronischen Verstärker ein elektromechanisches Autooszillabionssystem. Bei den bisher bekannten Geräten erfolgt die Frequenzmessung entweder direkt durch Impulszählung oder durch die Vergleichung der Frequenz der Messsaite (der Saite im Fühler) mit der Frequenz der Vergleichssaite im Vergleichsgerät oder mit der Frequenz des elektronischen Frequenzgenerators. Der Vergleich der beiden Frequenzen erfolgt dann entweder auf oszilloskopische Art (Lissajous-Figuren) oder unter Verwendung der Schwebungsmethode.
Einen besonderen Fall bildet die Resonanzmethode, bei welcher durch die veränderliche Frequenz der Vengleichssaite, die erzwungenen Schwingungen der Messsaite und umgekehrt erregt werden.
Das heisst, dass zum Beispiel die Vergleichssaite im ungedämpften Oszillabionszustand elektronisch gehalten wird und durch ihre Frequenz die Messsaite erregt wird. Die Vergleichssaite wird von Hand derart abgestimmt, dass die Messsaite mit der maximalen Amplitude der erregten Schwingungen schwingt. Dieses cha rakteristische Maximum wird d zum Beispiel anhand des Aus schlages des über den Verstärker vom elektromagnetischen Abtaster (Geber) der Messsaite gespeisten Zeigermessgerätes bestimmt. Die bekannten Typen der Saitenmessgeräte arbeiten mit der der Amplitude erzwungenen Schwingungen entsprechenden Resonanzanzeige.
Der gemeinsame Nachteil aller dieser Systeme im Hinblick auf die Entwicklungstendenzen der Messtechnik liegt in den ausserordentlichen Schwierigkeiten, die sich der Automatisierung des Saitenmessens entgegenstellen. Der bekannte Typ des automatischen Saitenmessgerätes arbeitet auf dem Prinzip der Frequenzmessung mit Hilfe des Zählers, was aber einen Nachteil bei der Auswertung mit sich bringt, da das Verhältnis zwischen der zu messenden Deformation und der Geräteanzeige nicht linear ist. Die Verwendung der Resonanzmethode mit der Amplitudenanzeige ist im Prinzip möglich, aber sie verursacht eine Verminderung der Genauigkeit, da die Amplitude nicht nur von der Abstimmung, sondern auch von der Grösse der Erregung und der Dämpfung abhängt.
Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt, indem die Resonanzanzeige in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen dem Erregerstrom und der Induktionsspannung des Abtasters (Gebers) der Vergleichssaite erfolgt. Einen weiteren Vorteil in diesem Falle bildet auch die wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit mit Rücksicht auf die grosse Steilheit der Phasencharakteristik der vorzugsweise stark gedämpften Saite.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Erreger und dem Abtaster (Geber) der Vengleichssaite ein Phasendetektor eingeschaltet ist, der die Resonanz auf Grund der Phasenverschiebung des Erregerstromes des Erregers und der Induktionsspannung des Abtasters (Gebers) anzeigt, wobei an den Ausgang des Phasendetektors einerseits ein elektroma genetisch gesteuertes, zwischen einen Antriebsmotor und eine Mikrometerschraube des Spannwerkes der Vergleichssaite befindliches Getriebe und anderseits ein mit dem Spannwerk verbundenes und die der Resonanz entsprechende Spannwerklage anzeigendes Registrierwerk angeschaltet ist.
Auf der beigelegten Zeichnung wird schematisch ein Beispiel der Ausführung des erfindungsgemässen Gegenstandes dargestellt. In den Abbildungen wird Sdie Vergleichssaite des Messgerätes mit 11, der elektromagnetische Erreger der Vergleichssaite mit 12, der elektromagnetische Abtaster (Geber) der Vergleichssaite mit 13, der Spannhebel der Vergleichssaite mit 14, die Mikrometerschraube mit 15, die Messsaite mit 21, der elektromagnetische Erreger der Messsaite mit 23, der elektromagnetische Abtaster (Geber) der Messsaite mit 22, die Verstärker mit 24, 31, 32, der Verformungskreis mit 33, 34, der Koinzidenzkreis mit 35, der Integrator mit 36, der Steuerschalter mit 37, das elektromagnetisch gesteuerte Wechselgetriebe mit 5, das Registrierwerk eventuell der Digital-Lage-Umsetzer mit 6 und der Motor mit 4 bezeichnet.
Die Elemente 21, 22, 23, 24 bilden den durch die Messsaite gesteuerten Frequenzgenerator 2. Die Blöcke 31, 32, 33, 34, 35 und 37 bilden den Phasendetektor 3.
Beim Messen nach dem erfindungsgemässen Prinzip wird die Frequenz der Vergleichssaite 11 mechanisch abgestimmt. Die durch den Motor 4 über das elektro magnetisch gesteuerte Wechselgetriebe 5 angetriebene Mikrometerschraube 15 wirkt auf den Spannhebel 14.
Mit dem Antrieb der Mikrometerschraube 15 ist das Registrierwerk 6 mechanisch verbunden, das die gemessene, der Verformung der Vergleichssaite proportionale Angabe registriert. Der Abstimmungsbereich deckt den ganzen erforderlichen Messbereich. Während der Abstimmung wird die Vergleichssaite 11 elektromagnetisch durch die konstante Frequenz der Mess- saite derart erregt, dass sie erzwungen mit einer sehr kleinen Amplitude schwingt. Der Phasendetektor 3 vergleicht die Phase des Erregerstromes des Erregers 12 mit der Phase der induzierten Spannung des Abtasters (Gebers) 13. Ausserhalb der Resonanz ist der Phasenunterschied dieser zwei Signale positiv oder negativ, aber er überschreitet nicht t 900.
Im Moment der Resonanz, wenn die Frequenz der beiden Saiten gleich ist, wird die gegenseitige Phasenverschiebung der beiden angeführten Signale Null unter der Voraussetzung des genügend langsamen quasi stationären Durchganges durch die Resonanz. Das harmonische Signal des Erregers 12 und des Abtasters (Gebers) 13 wird in den Verstärkern 31, 32 auf den erforderlichen Pegel verstärkt und in den Verformungskreisen 34, 33 in das diskrete Signal in Form von Impulsen mit der Periode, die gleich der Periode der beiden harmonischen Signale ist, umgewandelt. Diese so verformten Signale werden dem Koinzidenzkreise 35 in der Form des logischen Produktes zugeführt. In der Resonanz, das heisst bei Phasenverschiebung Null der beiden Ein gangssignale, erscheinen am Ausgange des logischen Produktes die Impulse mit gleicher Periode.
Nach der Integration der gewählten Anzahl von Produktimpulsen wird der Steuerschalter 37 eingeschaltet. Der zwischen den Koinzidenzkreis und den Steuerschalter eingeschaltete Integrator 36 vermeidet eine irrtümliche Anzeige der Resonanz, die leicht durch elektrische, in den Koinzidenzkreis 35 eingedrungene Störungen entstehen könnte.
Das Signal kommt in den Koinzidenzkreis aus dem Errelger 12 über die Blöcke 31 und 33 in ununterbrochener Folge, während das Signal des Abtasters (Gebers) 13 nur in der Resonanznähe (Umgebung) in Erschei- nung tritt. Diese Ausführung des Phasendetektors ermöglicht eine absolut genaue Anzeige der Resonanz ohne Rücksicht auf den Pegel der elektrischen, aus dem Speisenetz oder aus der Leitung der Messsaite in das Gerät eindringenden Störungen. Die Genauigkeit der Resonanzanzeige wird nicht einmal durch die bedeutenden Spannungsschwankungen der Speisequellen der elektrischen, den Phasendetektor bildenden Blöcke beeinflusst. Im Moment der Resonanz gibt der Schalter 37 des Phasendetektors 3 den Befehl an das elektromagnetisch gesteuerte Getriebe 5 und an das Registrierwerk 6.
Dadurch wird die weitere Abstimmung der Saite eingestellt und die augenblickliche Lage des Spannwerkes der Vergleichs saite registriert. Dazu dient das Registrierwerk 6, das ein graphischer Anzeiger oder ein Digital-Lage-Umsetzer sein kann. Nach der erfolgten Registrierung der Messung kehrt der Mechanismus in die Ausgangslage zurück, und der Abstimmungszyklus und die Resonanzanzeige kann wiederholt werden.
String meter with phase display of the resonance
The invention relates to a new string measuring device with phase display for measuring forces, pressures, temperatures and other variables which cause deformation of the measuring string, the string measuring device being based on principle 1 of the resonance comparison of the vibrations of the measuring and a reference string and using electromagnetic exciters and scanners (encoders) works. The string, usually made of steel, is preferably built into a feeler. The measurement of the natural frequency of this string can, for. B. can easily be done electrically at greater distances. The types known up to now work with damped and undamped string vibrations.
In systems with undamped vibrations, the string forms an electromechanical auto-oscillation system with the aforementioned electromagnetic exciters and sensors (transmitters) and overall with a suitable electronic amplifier. In the previously known devices, the frequency measurement is carried out either directly by counting pulses or by comparing the frequency of the measuring string (the string in the feeler) with the frequency of the reference string in the comparison device or with the frequency of the electronic frequency generator. The comparison of the two frequencies is then carried out either in an oscilloscopic way (Lissajous figures) or using the beat method.
The resonance method is a special case, in which the variable frequency of the matching string excites the forced vibrations of the measuring string and vice versa.
This means that, for example, the reference string is kept electronically in the undamped oscillation state and the measurement string is excited by its frequency. The comparison string is adjusted by hand in such a way that the measuring string vibrates with the maximum amplitude of the vibrations that are excited. This characteristic maximum is determined, for example, on the basis of the deflection of the pointer measuring device fed via the amplifier from the electromagnetic scanner (transmitter) of the measuring string. The known types of string gauges work with the resonance display corresponding to the amplitude forced vibrations.
The common disadvantage of all these systems with regard to the development tendencies in measurement technology lies in the extraordinary difficulties that oppose the automation of string measurement. The known type of automatic string measuring device works on the principle of frequency measurement with the aid of the counter, but this has a disadvantage in the evaluation, since the relationship between the deformation to be measured and the device display is not linear. The use of the resonance method with the amplitude display is possible in principle, but it causes a reduction in accuracy, since the amplitude depends not only on the tuning, but also on the size of the excitation and the damping.
These disadvantages are eliminated by the invention in that the resonance display takes place as a function of the phase difference between the excitation current and the induction voltage of the sampler (transmitter) of the reference string. Another advantage in this case is the substantial increase in sensitivity, taking into account the steepness of the phase characteristic of the preferably strongly damped string.
The invention is characterized in that a phase detector is switched on between the exciter and the scanner (transmitter) of the matching string, which indicates the resonance due to the phase shift of the excitation current of the exciter and the induction voltage of the scanner (transmitter), with the output of the phase detector on the one hand an electro-genetically controlled gear located between a drive motor and a micrometer screw of the tensioning mechanism of the reference string and, on the other hand, a registering mechanism connected to the tensioning mechanism and indicating the tensioning mechanism position corresponding to the resonance is switched on.
An example of the embodiment of the object according to the invention is shown schematically on the accompanying drawing. In the figures, S is the reference string of the measuring device with 11, the electromagnetic exciter of the reference string with 12, the electromagnetic pick-up (transmitter) of the comparison string with 13, the tensioning lever of the comparison string with 14, the micrometer screw with 15, the measuring string with 21, the electromagnetic exciter the measuring string with 23, the electromagnetic pick-up (transmitter) of the measuring string with 22, the amplifiers with 24, 31, 32, the deformation circle with 33, 34, the coincidence circle with 35, the integrator with 36, the control switch with 37, the electromagnetically controlled Change gear with 5, the registration mechanism possibly the digital position converter with 6 and the motor with 4.
The elements 21, 22, 23, 24 form the frequency generator 2 controlled by the measuring string. The blocks 31, 32, 33, 34, 35 and 37 form the phase detector 3.
When measuring according to the principle according to the invention, the frequency of the reference string 11 is tuned mechanically. The micrometer screw 15 driven by the motor 4 via the electro-magnetically controlled change gear 5 acts on the tensioning lever 14.
The registration mechanism 6 is mechanically connected to the drive of the micrometer screw 15 and registers the measured data proportional to the deformation of the reference string. The tuning range covers the entire required measuring range. During the tuning, the reference string 11 is electromagnetically excited by the constant frequency of the measuring string in such a way that it is forced to vibrate with a very small amplitude. The phase detector 3 compares the phase of the excitation current of the exciter 12 with the phase of the induced voltage of the scanner (transmitter) 13. Outside the resonance, the phase difference between these two signals is positive or negative, but does not exceed t 900.
At the moment of resonance, when the frequency of the two strings is the same, the mutual phase shift of the two signals mentioned becomes zero, provided that the quasi-steady passage through the resonance is sufficiently slow. The harmonic signal of the exciter 12 and the sampler (transmitter) 13 is amplified in the amplifiers 31, 32 to the required level and in the deformation circuits 34, 33 into the discrete signal in the form of pulses with the period equal to the period of the two harmonic signals is converted. These signals deformed in this way are supplied to the coincidence circle 35 in the form of the logical product. In the resonance, that is, with zero phase shift of the two input signals, the pulses with the same period appear at the output of the logical product.
After the selected number of product pulses has been integrated, the control switch 37 is switched on. The integrator 36 connected between the coincidence circuit and the control switch avoids an erroneous display of the resonance, which could easily arise from electrical interference which has penetrated into the coincidence circuit 35.
The signal comes into the coincidence circuit from the Errelger 12 via the blocks 31 and 33 in uninterrupted sequence, while the signal from the scanner (transmitter) 13 only appears in the vicinity of the resonance (environment). This design of the phase detector enables an absolutely precise display of the resonance regardless of the level of electrical interference entering the device from the supply network or from the line of the measuring string. The accuracy of the resonance display is not influenced even by the significant voltage fluctuations of the supply sources of the electrical blocks forming the phase detector. At the moment of resonance, the switch 37 of the phase detector 3 issues the command to the electromagnetically controlled transmission 5 and to the registration mechanism 6.
As a result, the further tuning of the string is set and the current position of the tensioning mechanism of the comparison string is registered. The register 6, which can be a graphic display or a digital position converter, is used for this purpose. After the measurement has been registered, the mechanism returns to the starting position and the tuning cycle and the resonance display can be repeated.