CH718762A1 - Schwingbrücke für einen Schwingsaitensensor und Schwingsaitensensor. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schwingbrücke (20) für einen Schwingsaitensensor mit einander gegenüberliegenden Einspannstellen für die Verbindung der Schwingbrücke mit dem Schwingsaitensensor und mit mehreren, zwischen den Einspannstellen vorgesehenen Schwingern (21, 22, 23) die mechanisch mit den Befestigungsstellen verbunden sind und über diese unter Zug gesetzt werden können, wobei einer der Schwinger frei ist von einem Schwingungserreger (24) oder Schwingungsdetektor (25) und ein weiterer Schwinger mit einem Schwingungserreger (24) versehen ist.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schwingbrücke für einen Schwingsaitensensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und einen Schwingsaitensensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 13 und 14.

[0002] Schwingsaitensensoren sind bekannt und werden auf breiter Basis für viele messtechnische Anwendungen verwendet. Dem Grundprinzip nach weist ein Schwingsaitensensor eine Mechanik auf, in der eine Schwingsaite aufgespannt ist, wobei die Spannung der Schwingsaite durch eine elastische Deformation der Mechanik erzeugt wird.

[0003] Die Mechanik wiederum kann bestimmungsgemäss an zwei Messpunkten an einem Bauteil irgendwelcher Art oder an einem Maschinenelement angeordnet werden und so dessen Deformation aufgrund der gegenseitigen Verschiebung der Messpunkte abnehmen. Dieser Deformationsweg bewirkt eine elastische Deformation der Mechanik des Schwingsaitensensors, welche dadurch wiederum eine veränderte Spannung in der Schwingsaite bewirkt. Mit der veränderten Spannung ändert sich die Resonanzfrequenz der im Betrieb durch eine Anregeranordnung in Schwingung versetzten Schwingsaite, was wiederum durch eine Auswertungsanordnung erkannt werden kann. Damit entspricht eine bestimmte Resonanzfrequenz der Schwingsaite einer bestimmten Verschiebung der Messpunkte.

[0004] Dem Fachmann ist bekannt, dass der Schwingsaitensensor so aufgrund des hohen Q-Faktors bzw. der hohen Güte der Schwingsaite zur präzisen Wegmessung im Bereich von Mikrometern eingesetzt werden kann. Ebenso ist bekannt, dass auch eine Kraftmessung erfolgen kann, indem die auf die Mechanik wirkende Kraft bestimmt wird, da für eine bestimmte elastische Deformation der Mechanik eine bestimmte Kraft benötigt wird. Der Q-Faktor bzw. die Güte ist ein Mass für die Dämpfung bzw. den Energieverlust eines zu Schwingungen fähigen Systems. Ein hoher Q-Faktor besagt, dass das System - hier die Schwingsaite - schwach gedämpft ist, damit eine hohe Amplitude im Resonanzbereich aufweist, wodurch dieser scharf abgrenzbar ist.

[0005] Schwingsaitensensoren sind entsprechend präziser als beispielsweise Dehnmessstreifen, und weisen diesen gegenüber eine höhere Auflösung und ein geringeres Kriechverhalten auf. Umgekehrt sind aber Schwingsaitensensoren vergleichsweise gross und bestehen aus vielen Bauelementen; zusätzlich nehmen sie im Betrieb eine vergleichsweise grosse elektrische Leistung auf. Insbesondere besitzen auf magnetischer Erregung einer Schwingsaite basierende Schwingsaitensensoren eine vergleichsweise viel Energie konsumierende, aufwendige und voluminöse Baugruppe zur Erzeugung des dazu notwendigen Magnetfelds.

[0006] Deshalb liegt ein besonderer Fokus auf Schwingsaitensensoren mit metallischen Schwingbrücken, die zwar streng genommen keine (mehr oder weniger) flexible Schwingsaite besitzen mögen, sondern einen federelastischen Schwinger mit höherer Federkonstante, die aber aufgrund des grundlegenden Funktionsprinzips der Resonanzanregung vorliegend zu der Gattung der Schwingsaitensensoren gezählt werden.

[0007] Schwingbrücken weisen beispielsweise an Stelle einer an beiden Enden eingespannten Schwingsaite einen oder mehrere endseitig eingespannte, nebeneinanderliegende Schwingbalken auf, die gegenphasig schwingen, so dass im Betrieb der Schwerpunkt der Schwingbrücke selbst mit Vorteil kaum schwingt, was wiederum zu einer geringeren elektrischen Leistungsaufnahme führt.

[0008] Neben anderen Anregungsmethoden für die Schwingbalken sind auf diesem angeordnete Piezo-Aktoren bekannt geworden. Jedoch hat es sich gezeigt, dass durch das Aufbringen von Piezokeramiken auf den Schwingbalken Störfaktoren in das Verhalten der Schwingbrücken gebracht werden, die neben weiteren Nachteilen zu ungenauen Messwerten (für Weg/Kraft) und vor allem zu einer Drift der Messwerte über die Zeit führen, so dass die charakteristischen Vorteile der Schwingsaitensensoren erheblich vermindert werden bzw. verloren gehen. Gründe dafür können gesehen werden im Einsatz von Bauteilen und Montagematerialien auf einem Schwingbalken, da diese der Masseänderung durch Wasseraufnahme oder Ausgasung, der Elastizitätsänderung durch Temperatur oder Alterung unterliegen, was das Resonanzverhalten des Schwingbalkens ändert, und schliesslich auch eine unerwünschte, die Resonanzfrequenz beeinflussende Versteifung des Schwingbalkens bewirken können.

[0009] Die CA 2 619 996 offenbart nun eine Schwingbrücke für einen Schwingsaitensensor mit drei nebeneinanderliegenden Schwingbalken, die durch einen Piezo-Aktor angeregt werden, wobei weitere Piezo-Sensoren die aktuelle Frequenz der Schwingbalken abnehmen. Alle Piezo-Elemente sind ausserhalb der Schwingbalken in der Nähe der Einspannstellen der Schwingbrücke angeordnet, wodurch die oben erwähnten Nachteile behoben sind, so dass genaue Messwerte zu erwarten sind. Allerdings führt diese Anordnung wiederum zu andern Nachteilen, welche die bei Schwingsaitensensoren an sich mögliche genaue Messung bzw. Messpräzision erheblich verschlechtern.

[0010] Einer dieser Nachteile besteht in der Anordnung von zwei piezoelektrischen Elementen als Schwingungserreger und Schwingungsdetektor direkt nebeneinander, so dass ein zusätzliches piezoelektrisches Element als zweiter Schwingungsdetektor vorgesehen werden muss, damit ein Differenzsignal der beiden Schwingungsdetektoren gebildet werden kann, dass doppelt so stark und ist wie das Signal nur eines Schwingungsdetektors und damit für die weitere Verarbeitung durch eine Auswertelektronik erst geeignet ist und weniger Fehler erzeugt.

[0011] Andere Nachteile werden nach den Erkenntnissen der Anmelderin beispielsweise dadurch verursacht, dass bei der offenbarten Anordnung der piezoelektrischen Elemente wohl starke Oberschwingungen in den Schwingbalken entstehen, und kinetische Energie direkt vom Erreger- zum Detektorelement oder in die Einspannstellen der Schwingbrücke fliesst. Andere Ursachen für das ungünstige Verhalten der offenbarten Anordnung sind unklar geblieben.

[0012] Damit ist es trotz der auf diese Weise an sich möglichen Anordnung von piezoelektrischen Elementen immer noch so, dass die Messpräzision der in der CA 2 619 996 offenbarten Schwingbrücke die bei Schwingsaitensensoren mögliche Qualität nicht erreicht, obschon die kritische Anordnung der Piezo-Elemente auf den Schwingbalken vermieden wird.

[0013] Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schwingbrücke bzw. einen Schwingsaitensensor bereit zu stellen, die eine hohe und konstante Messpräzision erreichen.

[0014] Diese Aufgabe wird durch eine Schwingbrücke mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch einen Schwingsaitensensor mit den Merkmalen der Ansprüche 13 und 14 gelöst.

[0015] Dadurch, dass einer der Schwinger frei ist von einem Erregerelement oder Schwingungsdetektor, kann dieser als Resonanz-Schwinger eingesetzt werden, dessen Resonanzeigenschaften unbeeinflusst sind, der deshalb einen hohen Q-Faktor besitzt und so eine optimale Messpräzision grundsätzlich erlaubt. Durch die Anordnung des Schwingungserregerelements auf einem weiteren Schwinger, der als Erreger-Schwinger wirkt, ergibt sich trotz des voraussehbar negativ beeinflussten Schwingungsverhaltens des Erreger-Schwingers überraschenderweise kein negativer Einfluss auf die Anregung und das Resonanzverhalten des Resonanz-Schwingers selbst. Dasselbe gilt - ebenso überraschend - auch für die Anordnung eines Schwingungsdetektorelements auf einem Detektor-Schwinger. Im Ergebnis kann durch eine erfindungsgemässe Schwingbrücke die von Schwingsaitensensoren grundsätzlich erreichbare höchste Messpräzision erreicht werden, wobei auch eine Drift der Messwerte entfällt.

[0016] Über die gestellte Aufgabe hinaus kann durch eine Anregungsanordnung nach Anspruch 14 der zeitliche Abstand einzelner Messungen verkürzt werden, da ein repetitiver Frequenzsuchlauf für die jeweilige Resonanzfrequenz überwiegend entfällt.

[0017] Weitere bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf.

[0018] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren noch etwas näher beschrieben.

[0019] Es zeigt: Figur 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schwingbrücke, Figur 2 schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schwingbücke, und Figur 3 schematisch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schwingbrücke.

[0020] Figur 1 zeigt schematisch einen Schwingsaitensensor 1 mit Anschlussstellen 1a und 1b für seine Festlegung an Messpunkten eines Bauteils oder Maschinenteils beliebiger Art. Weiter ist der Schwingsaitensensor 1 mit einer Schwingbrücke 2 und und einer elektronischen Anregeranordnung 3 für ein hier als piezoelektrischen Aktor 4 ausgebildetes Schwingungserregerelement versehen, wobei der Aktor 4 mit der Anregeranordnung 3 über Leitungen 5,6 verbunden ist.

[0021] Die Schwingbrücke 2 weist in der gezeigten Ausführungsform einen als Erregerschwinger 7 und einen als Resonanzschwinger 8 ausgebildeten Schwinger in der Form von im Querschnitt beispielsweise rechteckigen Schwingbalken auf. Mit diesen einstückig verbunden ist ein linker 10 und rechter Basisabschnitt 11 der Schwingbrücke 2, zwischen denen sich der Erregerschwinger 7 und der Resonanzschwinger 8 erstrecken. In jedem Basisabschnitt 10,11 ist eine Einspannstelle 12,13 für die Einspannung der Schwingbrücke 2 in eine zur Entlastung der Figur nicht dargestellte, aber dem Fachmann grundsätzlich bekannte Mechanik des Schwingsaitensensors 1 vorgesehen. Über die Basisbereiche 10,11 sind damit der Erregerschwinger 7 sowie der Resonanzschwinger 8 mechanisch mit den einander gegenüberliegenden Einspannstellen 12,13 verbunden. Der Erregerschwinger 7 und der Resonanzschwinger 8 besitzen grundsätzlich dieselbe Resonanzfrequenz und denselben Q-Faktor, da sie hier (aber nicht notwendigerweise für alle Ausführungsformen) aus demselben Material bestehen; weiter sind sie im Betrieb derselben Zugbeanspruchung ausgesetzt. Der Q-Faktor des Erregerschwingers 7 ist aber durch den auf ihm angebrachten Aktor 4 erheblich vermindert, wobei auch dessen Resonanzfrequenz aus den eingangs genannten Gründen einer Drift unterliegt.

[0022] Im Betrieb eines Schwingsaitensensors 1 führt die Anregeranordnung 3 einen Frequenzsuchlauf aus, indem sie über die Leitungen 5,6 an den piezoelektrischen Aktor 4 eine Spannung mit in einem vorbestimmten Frequenzintervall laufend wechselnder Frequenz anlegt. Der Aktor 4 versetzt dadurch den Erregerschwinger 7 in eine Zwangsschwingung, wobei diese wiederum über die angrenzenden Bereiche der Basisabschnitte 10,11 den Resonanzschwinger 8 anregt. Dieser gerät dadurch in Resonanz, sobald die von der Anregeranordnung 3 generierte Frequenz seiner aktuellen Resonanzfrequenz entspricht, die wiederum durch die momentan von den Einspannstellen 12,13 bewirkten Zugbeanspruchung des Resonanzschwingers 8 gegeben ist.

[0023] Die Anregeranordnung 3 wechselt während dem Frequenzsuchlauf zyklisch zwischen einer Anregungsphase und einer Detektionsphase, d.h. einer der Anregungsphase nachfolgenden Phase ohne Anregung.

[0024] In der jeweiligen Detektionsphase klingt die Zwangsschwingung des Erregerschwingers 7 aufgrund seiner Dämpfung schnell ab, es sei denn, er wird nun seinerseits durch den Resonanzschwinger 8 (über die angrenzenden Bereiche der Basisabschnitte 10,11) erheblich angeregt, was aber nur dann der Fall ist, wenn sich dieser in Resonanz befindet (und solange dessen Amplitude dafür während einer kurzen Zeit noch gross genug ist, was aber genügend lange der Fall ist). Diese Anregung erzeugt über den Piezoeffekt im Aktor 4 wiederum eine Wechselspannung, die in der Detektionsphase über die Leitungen 5,6 an der Anregeranordnung 3 anliegt und ein Frequenz- und Amplitudensignal der aktuellen Schwingungsfrequenz des Erregerschwingers 7 darstellt. Durch dieses Frequenzsignal wird anhand der grossen Amplitude detektiert, dass sich der Resonanzschwinger in Resonanz befindet, und welches die Resonanzfrequenz ist.

[0025] In der Detektionsphase detektiert damit die Anregeranordnung 3, ob sich der Resonanzschwinger 8 in Resonanz befindet oder nicht. Ist das der Fall, detektiert sie damit dessen aktuelle Resonanzfrequenz.

[0026] Es ergibt sich, dass bevorzugt der Schwingungserreger (bei der gezeigten Ausführungsform aufgrund seiner piezoelektrischen Eigenschaften) auch als Schwingungsdetektor betreibbar ist und wird.

[0027] Die Anregeranordnung 3 kann nun durch eine geeignete Oszillationsschaltung weiter derart ausgebildet werden, dass im Fall einer detektierten Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 8 diese Frequenz für die der Detektionsphase nachfolgende Anregungsphase verwendet wird, so dass der Frequenzsuchlauf unterbrochen ist und der Erregerschwinger 7 fortgesetzt in einer Zwangsschwingung mit der aktuellen Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 8 gehalten wird. Damit wird einerseits die Dämpfung im Resonanzschwinger 8 ausgeglichen, so dass dessen Amplitude nicht abfällt.

[0028] Andererseits kann so aber auch eine sich ändernde Resonanzfrequenz verfolgt werden: Ändert sich die Zugbeanspruchung des Resonanzschwingers 8, schwingt dieser spätestens in der darauffolgenden Phase ohne Anregung aufgrund der in ihm enthaltenen Schwingungsenergie von selbst in der neuen Resonanzfrequenz weiter. Dies trifft dann in dieser Detektionsphase auch (über die angrenzenden Bereiche der Basisabschnitte 10,11) für den Erregerschwinger 7 zu, wobei wiederum die geänderte Frequenz von der Anregeranordnung 3 als neue Resonanzfrequenz detektiert wiederum und zur Anregung des Erregerschwingers in der nächsten Phase der Anregung verwendet wird.

[0029] Mit dieser Rückkopplung der Resonanzfrequenz kann eine sich verändernde Zugbelastung der Schwingbrücke 2 rasch verfolgt werden - ein zeitintensiver, neuer Frequenzsuchlauf entfällt. Sollte die Änderung der Zugbelastung aber zu abrupt erfolgen, wird keine Resonanzfrequenz mehr detektiert. Der Frequenzsuchlauf kann dann einfach neu gestartet werden.

[0030] Es ergibt sich ein Schwingsaitensensor mit einer Schwingbrücke, der bevorzugt eine Anregeranordnung für das Schwingungserregerelement aufweist, die ausgebildet ist, in einer Detektionsphase des Schwingungserregerelements ein von diesem generiertes, aktuelles Frequenzsignal zu erkennen. Weiter bevorzugt ist die Anregeranordnung ausgebildet, in einer auf eine Detektionsphase folgenden Anregungsphase des Schwingungserregerelements dieses mit einer Frequenz anzuregen, welche dem von diesem in der vorangehenden Detektionsphase generierten Frequenzsignal entspricht.

[0031] Dieser Zyklus „anregen/detektieren“ der Anregeranordnung 3 wird während den ganzen Frequenzsuchlauf bevorzugt für jede Suchfrequenz wiederholt. Ebenso der Frequenzsuchlauf als solcher, um eine Resonanz des Resonanzschwingers auch bei stark oder abrupt wechselnder Zugbeanspruchung der Schwingbrücke 2 jeweils festzustellen, wenn durch die Rückkopplung eine geänderte Resonanzfrequenz nicht mehr detektierbar sein sollte.

[0032] An Stelle eines Frequenzsuchlaufs ist es auch möglich, einen einzigen Anregungsimpuls (Heaviside-Impuls) auf den Erregerschwingers 7 aufzubringen. In einem Heaviside-Impuls sind alle Frequenzen vertreten. Dadurch wird der Resonanzschwinger 8 in seiner Resonanzfrequenz angeregt, so dass in der nachfolgenden Detektionsphase beispielsweise ein piezoelektrisches Element wie der Aktor 4 das entsprechende Frequenzsignal generieren und an die Anregeranordnung 3 übermitteln kann. Dem Fachmann ist es möglich, einem Piezoelement über die entsprechende Ausbildung der Elektronik eine Spannungs-Sprungfunktion zuzuleiten, so dass damit ein Heaviside-Impuls dem Erregerschwinger 7 zugeleitet wird.

[0033] Eine zur Entlastung nicht dargestellte, dem Fachmann grundsätzlich bekannte, bevorzugt in der Anregeranordnung vorgesehene Auswerteeinheit des Schwingsaitensensors gibt anhand der detektierten Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 8 einen Messwert für die gewünschte Kraft-/Wegmessung aus.

[0034] Zwar ist es so, dass der Erregerschwinger 7 aufgrund des auf ihm angebrachten piezoelektrischen Elements 4 für eine Resonanzmessung verschlechterte Eigenschaften zu haben scheint, insbesondere den reduzierten Q-Faktor (erhöhte Dämpfung, grosse Amplitude in einem breiten Bereich um die Resonanzfrequenz herum) sowie eine Drift der eigenen Resonanzfrequenz aus den eingangs angegebenen Gründen (Änderung der Masse, lokale Versteifung mit ändernden Eigenschaften des Klebstoffes etc.). Durch diese Güteverluste kann der Erregerschwinger 7 auch ausserhalb der Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 8 nennenswerte Amplituden haben, was jedoch aufgrund des hohen Q-Faktors des Resonanzschwingers 8 nicht stört, da dieser ausserhalb seiner Resonanzfrequenz keine nennenswerte Amplitude aufweist, und damit in der Detektionsphase zu wenig Schwingungsenergie besitzt, um den Erregerschwinger 7 für ein Resonanz-Frequenzsignal stark genug anzuregen.

[0035] Der reduzierte Q-Faktor des Erregerschwingers 7 kann sich durch einen breiten Bereich mit hoher Amplitude um seine Resonanzfrequenz herum im Gegenteil positiv auswirken, wenn die Resonanzfrequenzen der beiden Schwinger 7,8 voneinander abweichen. Z.B. dann, wenn durch eine nicht ideale Montage die Zugspannungen in den Schwingern 7,8 voneinander abweichen, so z.B. wenn die Einspannstellen nicht ideal verschraubt werden, so dass in den Basisabschnitten ein Drehmoment entsteht, oder wegen Temperaturspannungen nach dem Schweissen. Dann ist trotz der verschiedenen Resonanzfrequenzen die Amplitude des Erregerschwingers 7 im Resonanzbereich des Resonanzschwingers 8 noch hoch genug, um diesen genügend stark anregen zu können, so dass dieser in Resonanz fallen kann.

[0036] Demgegenüber entfallen aber die negativen Effekte der Platzierung eines Schwingungserregers im Basisabschnitt (Generierung von erheblichen und damit störenden Oberschwingungen, Abfluss von kinetischer Energie durch die nahe gelegene Einspannstelle etc.).

[0037] Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schwingbrücke 20, die statt zwei drei parallele, in einer gemeinsamen Ebene angeordnete Schwinger aufweist, nämlich einen in der Mitte liegenden Resonanzschwinger 21, einen seitlichen Erregerschwinger 22 und einen auf der anderen Seite des Resonanzschwingers 21 gelegenen Detektorschwinger 23. Auf dem Erregerschwinger befindet sich ein hier ebenfalls als piezoelektrischer Aktor 24 ausgebildeter Schwingungserreger, auf dem Detektorschwinger 23 ein als piezoelektrisches Element ausgebildeter Schwingungsdetektor 25. Leitungen 26,27 und 28,29 verbinden den Aktor 24 und den Detektor 25 mit einer symbolisch und gestrichelt dargestellten Anregeranordnung 30. Zur Entlastung der Figur nicht dargestellt ist der Schwingsaitensensor selbst, in welchen die Schwingbrücke 20 eingebaut ist.

[0038] Wiederum wird im Betrieb über die Anregeranordnung 30 ein Frequenzsuchlauf durchgeführt, wobei bei der in der Figur 2 gezeigten Ausführungsform eine Detektionsphase entfällt, da der Schwingungsdetektor 25 Frequenz und Amplitude des Detektorschwingers 23 zeitgleich zur Anregung des Erregerschwingers 22 erfasst, ein entsprechendes Frequenz- und Amplitudensignal generiert und dieses an einen in der Figur schematisch dargestellten Eingang 31 für das Frequenzsignal an die Anregeranordnung 30 ausgibt, so dass die Anregeranordnung diese Frequenzsignal verarbeiten kann.

[0039] Wird während dem Frequenzsuchlauf der Erregerschwinger 22 durch den Aktor 24 angeregt, fällt dieser in eine Zwangsschwingung mit der vom Aktor 24 vorgegebenen Frequenz. Entspricht diese nicht in einem dem hohen Q-Faktor entsprechenden engen Bereich der Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 21, schwingt dieser nicht mit, ebenso schwingt dann der Detektorschwinger 23 nicht mit, da keine nennenswerten Deformationen der Randbereiche der Basisabschnitte 10,11 zwischen ihm und dem Resonanzschwinger 21 stattfinden.

[0040] Wenn jedoch der Aktor 24 während dem Frequenzsuchlauf hinreichend genau die Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 21 trifft, gerät dieser in Schwingung. Erst dann wird ausreichend Energie zum Detektorschwinger 23 übertragen, so dass dieser mitschwingt. Dessen Amplitude erhöht sich signifikant, auch wenn sein Q-Faktor herabgesetzt ist oder eine Drift seiner Resonanzfrequenz aufgrund des auf ihm angeordneten Detektorschwingers 25 vorliegt. Die Schwingung des Detektorschwingers 23 ist gegenphasig zum Resonanzschwinger 21, aber mit der gleichen Frequenz, der Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 21.

[0041] Der Schwingungsdetektor 25 misst nun diese Frequenz des Detektorschwingers 23, ebenso dessen Amplitude, deren signifikante Erhöhung zeigt, dass die gemessene Frequenz die Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 22 ist.

[0042] Ist damit die Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 22 gefunden, kann wiederum durch eine phasenkorrekte Rückkopplung des Frequenzsignals durch die Anregeranordnung 3 auf den Aktor 24 erfolgen, der dadurch die aktuelle Schwingungsamplitude mit der Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers aufrechterhält. Der Fachmann kann dazu die Anregeranordnung 3 (wie auch in der Ausführungsform nach Figur 1) mit einer entsprechenden Oszillatorschaltung versehen. Dadurch kann auch einer Änderung der Resonanzfrequenz gefolgt werden, wie dies anhand der Ausführungsform von Figur 1 der Fall ist, wobei bei einer zu starken Änderung einfach der Frequenzsuchlauf neu gestartet werden kann.

[0043] Der schon für die Anordnung von Figur 1 beschriebene Start der Resonanzschwingung des Resonanzschwingers 22 durch einen Heaviside-Impuls ist auch hier (wie überhaupt in allen erfindungsgemässen Ausführungsformen) möglich.

[0044] Es ergibt sich nach Figur 2 eine Schwingbrücke, bei der drei sich in einer Ebene parallel zu einander vorgesehene Schwinger 21 bis 23 vorgesehen sind, dabei einer der Äusseren mit dem Schwingungserreger 24 und der Andere mit dem Schwingungsdetektor 25 versehen ist und der mittlere Schwinger 21 frei ist von diesen, wobei bevorzugt auch die Äusseren Schwinger unter Zug gesetzt werden können. Weiter bevorzugt ist der mittlere Schwinger 21 vollständig unbedeckt, weist also auch keine Beschichtung oder ein anderes Element für irgendeinen Zweck auf.

[0045] Eine minimale Energieaufnahme der Schwingbrücke 2,20 ergibt sich, wenn deren Schwerpunkt im Betrieb im Wesentlichen in Ruhe bleibt. Da die Schwinger 7,8 und 21 bis 23 gegenphasig schwingen, ergibt sich, dass bevorzugt die Masse der äusseren Schwinger 22,23 mit dem Schwingungserreger 24 und - Abnehmer 25 im Wesentlichen gleich ist wie die Masse des mittleren Schwingers 21 und die Schwingbrücke 20 derart ausgebildet ist, dass bei einer Gegenphasigen Schwingung der äusseren Schwinger 22,23 zum mittleren Schwinger 21 der Schwerpunkt der Schwingbrücke 20 im Wesentlichen in Ruhe bleibt.

[0046] Bevorzugt ist der Schwingungserreger (Aktoren 4,24 in den Figuren 1 und 2) in der Mitte des Erregerschwingers 7,22 vorgesehen, wodurch die Erzeugung von störenden Oberschwingungen in seinem Schwingungsverhalten vermieden wird. Weiter bevorzugt ist das auch für den Schwingungsdetektor 25 auf dem Detektor der Fall.

[0047] Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Schwingbrücke 40 für einen Schwingsaitensensor. Im Unterschied zur Schwingbrücke 20 (Figur 2) sind der Erregerschwinger und der Detektorschwinger nicht als Schwingbalken, sondern als Schwingzungen, hier als Erregerschwingzunge 41 und Detektorschwingzunge 42 ausgebildet, die jeweils an ihrem Ende einen bevorzugt piezoelektrischen Aktor 43 bzw. piezoelektrischen Schwingungsdetektor 44 aufweisen, die beide über entsprechende Leitungen 45,46 bzw. 47,48 mit der Anregeranordnung 30 bzw. deren Eingang für das Frequenzsignal 31 betriebsfähig verbunden sind.

[0048] Der Erregerschwingzunge 41 liegt eine mit einem Ausgleichsgewicht 49 versehene Ausgleichsschwingzunge 50 gegenüber, der Detektorschwingzunge 42 eine mit einem Ausgleichsgewicht 51 versehene Ausgleichsschwingzunge 52. Dadurch bleibt die Schwingbrücke 40 als Ganzes im Betrieb besser in Ruhe, ebenso insbesondere deren Schwerpunkt.

[0049] Wiederum ist der Resonanzschwinger 53 frei von Schwingungserregern oder Schwingungsdetektoren, und bevorzugt frei von anderen Elementen, auch Beschichtungen irgendwelcher Art. Frequenzsuchlauf, Generierung des Frequenzsignals und Rückkopplung erfolgen analog zur Ausführungsform gemäss Figur 1 und insbesondere Figur 2.

[0050] Gegenüber der Ausführungsform von Figur 2 (gleiche Mechanik im Schwingsaitensensor vorausgesetzt) ergibt sich ein halb so grosser Messbereich, da die Zugbeanspruchung nur vom Resonanzschwinger 53 aufgenommen werden muss - die Auflösung bleibt an sich gleich. Da der Messbereich halb so gross ist, resultiert aber im Ergebnis eine doppelt so feine Auflösung für diesen halben Messbereich.

[0051] Es ergibt sich, dass bevorzugt der mit dem Schwingungserreger versehene Schwinger als Schwingzunge ausgebildet ist, wobei weiter bevorzugt ein weiterer, als Schwingzunge ausgebildeter Schwinger vorgesehen ist, der einen Schwingungsdetektor aufweist. Dabei liegt weiter bevorzugt einem als Schwingzunge ausgebildeten Schwinger eine Gegenschwingzunge gegenüber. Schliesslich ist weiter bevorzugt eine Gegenschwingzunge mit einem Gewicht versehen ist, das eine Masse derart aufweist, dass die Gegenschwingzunge im Betrieb der Schwingbrücke im Wesentlichen mit gleicher Phase schwingt wie die Schwingzunge, der sie zugeordnet ist.

[0052] Erfindungsgemäss ist den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen eine Schwingbrücke für einen Schwingsaitensensor gemeinsam, mit einander gegenüberliegenden Einspannstellen für die Verbindung der Schwingbrücke mit dem Schwingsaitensensor und mit mehreren, zwischen den Einspannstellen vorgesehenen Schwingern, die mechanisch mit den Befestigungsstellen verbunden sind, wobei wenigstens einer der Schwinger über diese unter Zug gesetzt werden kann und frei ist von einem Schwingungserreger oder Schwingungsdetektor und ein weiterer Schwinger mit einem Schwingungserreger versehen ist.

[0053] Dabei ist bevorzugt wenigstens einer der vorgesehenen Schwingungserreger oder -detektor als piezoelektrisches Element ausgebildet. Weiter ist bevorzugt wenigstens einer einer der Schwinger als langgestreckter Stab, bevorzugt als Vierkant ausgebildet (weiter bevorzugt sind alle Schwinger einer Ausführungsform gleich ausgebildet). Weiter bevorzugt besteht wenigstens einer der Schwinger, noch weiter bevorzugt die Schwingbrücke als Ganzes, aus Federstahl oder aus einem anderen geeigneten Material. Geeignet sind federelastische Materialien mit geringer Dämpfung, so dass über den steilen Amplitudenanstieg eine scharf abgrenzbare Resonanzfrequenz vorliegt. Bevorzugt besitzt das federelastische Material weiter eine hohe Streckgrenze, was dann zu einem breiten Messbereich führt.

[0054] Schliesslich ist erfindungsgemäss ein Schwingsaitensensor mit einer Schwingbrücke, der eine mit einem Eingang für ein Frequenzsignal des Schwingungsdetektors versehene Anregungsanordnung für den Schwingungserreger aufweist, und die Anregungsanordnung ausgebildet ist, eine dem Frequenzsignal entsprechende Frequenz als Anregungsfrequenz an den Schwingungserreger auszugeben.

Claims (15)

1. Schwingbrücke (2,20,40) für einen Schwingsaitensensor (1) mit einander gegenüberliegenden Einspannstellen (12,13) für die Verbindung der Schwingbrücke (2,20,40) mit dem Schwingsaitensensor (1) und mit mehreren, zwischen den Einspannstellen (12,13) vorgesehenen Schwingern, die mechanisch mit den Einspannstellen (12,13) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Schwinger über diese unter Zug gesetzt werden kann und frei ist von einem Schwingungserreger oder Schwingungsdetektor und ein weiterer Schwinger mit einem Schwingungserreger versehen ist.

2. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 1, wobei der Schwingungserreger als Schwingungsdetektor betreibbar ist.

3. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 1, wobei drei sich in einer Ebene parallel zu einander angeordnete Schwinger vorgesehen sind, dabei einer der Äusseren mit dem Schwingungserreger und der Andere mit dem Schwingungsdetektor versehen ist und wenigstens der Mittlere unter Zug gesetzt werden kann und frei ist von diesen, wobei bevorzugt auch die Äusseren Schwinger unter Zug gesetzt werden können.

4. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 3, wobei die Masse der Äusseren Schwinger mit dem Schwingungserreger und - Abnehmer im Wesentlichen gleich ist wie die Masse des mittleren Schwingers und die Schwingbrücke (2,20,40) derart ausgebildet ist, dass bei einer Gegenphasigen Schwingung der äusseren Schwinger zum mittleren Schwinger der Schwerpunkt der Schwingbrücke (2,20,40) im Wesentlichen in Ruhe bleibt.

5. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 1, wobei der mit dem Schwingungserreger (43) versehene Schwinger als Schwingzunge (41) ausgebildet ist.

6. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 1, wobei ein weiterer, als Schwingzunge (42) ausgebildeter Schwinger vorgesehen ist, der einen Schwingungsdetektor (44) aufweist.

7. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 5 oder 6, wobei einem als Schwingzunge (41,42) ausgebildeten Schwinger eine Gegenschwingzunge (50,52) gegenüberliegt.

8. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 7, wobei eine Gegenzunge mit einem Gewicht versehen ist, das eine Masse derart aufweist, dass die Gegenzunge im Betrieb der Schwingbrücke (2,20,40) im Wesentlichen mit gleicher Phase schwingt wie die Zunge, der sie zugeordnet ist.

9. Schwingbrücke (2,20,40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der vorgesehenen Schwingungserreger oder -abnehmer ein als Piezokeramik ausgebildet ist.

10. Schwingbrücke (2,20,40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Schwinger, bevorzugt die Schwingbrücke (2,20,40), aus Federstahl besteht.

11. Schwingbrücke (2,20,40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Schwinger als langgestreckter Stab, bevorzugt als Vierkant ausgebildet ist.

12. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 3, wobei der Schwingungserreger (7,22,43) und der Schwingungsdetektor (25,44) in der Mitte des ihm zugeordneten Schwingers vorgesehen ist.

13. Schwingsaitensensor (1) mit einer Schwingbrücke (2,20,40) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei dieser eine mit einem Eingang (31) für ein Frequenzsignal des Schwingungsdetektors (25,44) versehene Anregungsanordnung (30) für den Schwingungserreger aufweist, und die Anregungsanordnung ausgebildet ist, eine dem Frequenzsignal entsprechende Frequenz als Anregungsfrequenz an den Schwingungserreger auszugeben.

14. Schwingsaitensensor (1) mit einer Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 2, wobei dieser eine Anregeranordnung (30) für das Schwingungserregerelement aufweist, die ausgebildet ist, in einer Phase ohne Anregung des Schwingungserregerelements ein von diesem generiertes, aktuelles Frequenzsignal zu erkennen.

15. Schwingsaitensensor (1) nach Anspruch 14, wobei die Anregeranordnung (30) weiter ausgebildet ist, in einer auf die Phase ohne Anregung folgenden Anregungsphase des Schwingungserregerelemnets dieses mit einer Frequenz anzuregen, welche dem von diesem in der Phase ohne Anregung generierten Frequenzsignal entspricht.