DE1122267B

DE1122267B - Device for converting variable mechanical forces into electrical signals of variable frequency

Info

Publication number: DE1122267B
Application number: DEF21549A
Authority: DE
Inventors: Gordon George Scarrot
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1955-11-11
Filing date: 1956-11-02
Publication date: 1962-01-18

Description

Vorrichtung zum Umwandeln veränderlicher mechanischer Kräfte in elektrische Signale veränderlicher Frequenz Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln veränderlicher mechanischer Kräfte in elektrische Signale veränderlicher Frequenz.Device for converting variable mechanical forces into electrical ones Variable Frequency Signals The invention relates to a device for converting variable mechanical forces into electrical signals of variable frequency.

Die Frequenz der Eigen schwingungen eines zugbeanspruchten Körpers kann als Meßgröße für die in ihm herrschende Zugspannung dienen, da bekanntlich die Eigenschwingungen von zugbeanspruchten Körpern sich proportional mit der an ihnen wirkenden Zugspannung ändern. Diese bekannte Tatsache wird benutzt, um die Zugspannung in Drähten, Bändern od. dgl. zu bestimmen. Die Schwingungsanfachung erfolgt hierbei durch Magnetfelder, während die Bestimmung der Frequenz der jeweiligen Eigenschwingung durch Induktion über eine sogenannte Rückkopplungsspule erfolgt. The frequency of the natural vibrations of a body subject to tension can serve as a measured variable for the tensile stress prevailing in it, as is well known the natural vibrations of bodies subject to tension are proportional to the change the tensile stress acting on them. This known fact is used to explain the To determine tensile stress in wires, strips or the like. The amplification of vibrations takes place here by magnetic fields, while the determination of the frequency of the respective Natural oscillation takes place through induction via a so-called feedback coil.

Derartige Meßvorrichtungen gestatten nur die Bestimmung von Zugspannungen und weisen infolge des quadratischen Wirkungsgesetzes zwischen der Frequenz der Eigenschwingungen eines Körpers und der zugehörigen Zugspannung Skalen mit quadratischen Teilungen auf, die das Eichen und Ablesen sehr erschweren und den jeweiligen Meßbereich unnötig einengen. Such measuring devices only allow the determination of tensile stresses and show between the frequency of the Natural vibrations of a body and the associated tensile stress scales with quadratic Divisions that make calibration and reading very difficult and the respective measuring range constrict unnecessarily.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben und eine Einrichtung zu schaffen, die elektrische Signale erzeugt, deren Frequenz sich in Abhängigkeit der jeweils wirkenden mechanischen Kraft linear ändert. The invention is based on the object of eliminating these disadvantages and to provide means for generating electrical signals whose frequency changes linearly depending on the mechanical force acting in each case.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht daß die Vorrichtung zwei biegsame, langgestreckte elektrische Leiter von gleicher Masse je Längeneinheit aufweist, die beide auf im wesentlichen gleichen Längen transversale Schwingungen ausführen können und die jeweils im Stromkreis einer Ausgangsschaltstufe liegen und deren Längsspannung mittels eines Spannorgans so eingestellt werden kann, daß die auf das Spannorgan einwirkende umzuwandelnde mechanische Kraft die Längsspannung des einen Leiters unter gleichzeitiger und gleich starker Verminderung der Längsspannung des anderen Leiters erhöht. According to the invention this is achieved in that the device two flexible, elongated electrical conductors of equal mass per unit length having both transverse oscillations at substantially equal lengths can perform and which are each in the circuit of an output switching stage and whose longitudinal tension can be adjusted by means of a tensioning element so that the mechanical force to be converted acting on the tensioning element is the longitudinal tension of one conductor with a simultaneous and equally strong reduction in the longitudinal tension of the other head increased.

Die Signale der beiden Ausgangsschaltstufen der beiden Leiter werden sodann in an sich bekannter Weise einer Mischstufe zugeführt, deren Ausgangssignal eine Frequenz aufweist, die gleich ist der Differenz zwischen den Schwingungsfrequenzen der beiden Leiter. The signals of the two output switching stages of the two conductors are then fed in a manner known per se to a mixer, the output signal of which has a frequency equal to the difference between the oscillation frequencies of the two conductors.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine lineare Abhängigkeit zwischen der Frequenz der von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugten elektrischen Signale und der auf die Vorrichtung einwirkenden veränderlichen mechanischen Kräfte er- zielt, so daß lineare Skalenteilungen mit allen sich hierdurch ergebenden Vorteilen benutzt werden können. The arrangement according to the invention results in a linear dependence between the frequency of the electrical generated by the device according to the invention Signals and the variable mechanical forces acting on the device he- aims, so that linear scale divisions with all the resulting advantages can be used.

Erfindungsgemäß besteht die Spannvorrichtung aus einem federbeeinflußten Hebel, dessen Schneide in der Mitte einer die beiden freien Enden der an ihren entgegengesetzten Enden fest eingespannten und elektrisch voneinander isolierten Leiter verbindenden Traverse angreift, die einen gegenüber der Schneide angeordneten Fortsatz aufweist, an dem die umzuwandelnden Kräfte angreifen. According to the invention, the clamping device consists of a spring-influenced Lever, the cutting edge of which is in the middle of one of the two free ends of the opposite one Ends firmly clamped and electrically isolated conductors connecting Attacks the crossbeam, which has an extension arranged opposite the cutting edge, on which the forces to be transformed attack.

Zur Schwingungsanfachung der Leiter wird ein Magnetfeld senkrecht zur Schwingungsrichtung der Leiter vorgesehen, während jeder Leiter einen Teil eines elektrischen Stromkreises von effektiv negativem Widerstand bildet. A magnetic field is applied vertically to stimulate the vibrations of the conductors intended for the direction of oscillation of the ladder, while each ladder is part of a electrical circuit of effectively negative resistance.

Die Ausgangsschaltstufen zur Erzeugung der Ausgangssignale weisen eine Mischstufe auf für das Ableiten einer Spannung, deren Frequenz der Differenz der Ströme in den einzelnen je einen der Leiter enthaltenden Stromkreisen entspricht. The output switching stages for generating the output signals have a mixer on for deriving a voltage, the frequency of which is the difference corresponds to the currents in the individual circuits containing one of the conductors.

Die umzuwandelnde veränderliche mechanische Kraft oder Bewegung kann beispielsweise von einer Druckkapsel abgeleitet werden und dadurch den Druck einer Flüssigkeit anzeigen, oder sie kann von einem Bimetallstreifen abgeleitet werden und dadurch eine Temperatur anzeigen. Auch andere Anwendungsmöglichkeiten sind ohne weiteres möglich. The changeable mechanical force or movement to be transformed can for example, derived from a pressure capsule and thereby the pressure of a Display liquid, or it can be from derived from a bimetal strip and thereby display a temperature. Other possible uses as well are easily possible.

Unter »im wesentlichen gleiche Länge« der elektrischen Leiter ist zu verstehen, daß die Längen dieser Leiter gleich sind mit Ausnahme der unwesentlichen, durch die unterschiedlichen Belastungen der Leiter entstehenden elastischen Abweichungen. Under "essentially the same length" is the electrical conductor to understand that the lengths of these conductors are the same with the exception of the insignificant, elastic deviations caused by the different loads on the conductors.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment.

Die Vorrichtung in der Zeichnung besteht aus den beiden biegsamen Längsleitern 11 und 12 von gleicher Masse je Längeneinheit und von gleicher Länge, wenn sie nicht gespannt sind. Die Leiter bestehen aus einem widerstandsfähigen, nichtmagnetischen, korrosionsfesten Werkstoff, der auch ein hinreichend guter elektrischer Leiter sein muß, z. B. eine Beryllium-Kupfer-Legierung. Sie haben die Form von sehr dünnen Streifen, die in der Zeichnung von der Seite gesehen mit übertriebener Dicke dargestellt sind, und liegen parallel zueinander, wobei das eine Ende eines jeden Streifens - in der Zeichnung das rechte Ende - festgelegt ist und elektrisch isoliert ist. The device in the drawing consists of the two flexible ones Longitudinal conductors 11 and 12 of the same mass per unit length and of the same length, if you are not excited. The ladder consists of a robust, non-magnetic, corrosion-resistant material that is also a sufficiently good electrical Must be a leader, e.g. B. a beryllium-copper alloy. They are in the form of very thin stripes, which in the drawing, seen from the side, are of exaggerated thickness are shown, and are parallel to each other, with one end of each Strip - in the drawing the right end - is fixed and electrically isolated is.

Die linken Enden der Leiter 11 und 12 sind an den Enden des zweiarmigen Hebels 13 befestigt, der auf der Schneide 14 gelagert ist. Die Schneide 14 wiederum sitzt auf dem einarmigen Hebel 15, der um die Achse 16 verschwenkbar ist und an dessen freiem Ende die kräftige Feder 17 angreift. Dadurch werden die Leiter 11 und 12 in hinreichend geeigneter Weise in Spannung gehalten. The left ends of the conductors 11 and 12 are at the ends of the two-armed Fastened lever 13, which is mounted on the cutting edge 14. The cutting edge 14 in turn sits on the one-armed lever 15, which is pivotable about the axis 16 and on the free end of which the strong spring 17 engages. This will make the conductors 11 and 12 held in tension in a sufficiently suitable manner.

Die durch den Pfeil 18 angedeutete veränderliche mechanische Größe greift an dem parallel zu den Leitern 11 und 12 verlaufenden, in der Mitte des Hebels 13 angeordneten Arm 19 an dergestalt, daß sie bestrebt ist, den Hebel 13 um die seine Schwenkachse bildende Schneide 14 zu verschwenken. The variable mechanical variable indicated by the arrow 18 engages the one in the middle of the lever, which runs parallel to the conductors 11 and 12 13 arranged arm 19 in such a way that it strives to the lever 13 to the to pivot its pivot axis forming cutting edge 14.

Die Leiter 11 und 12 befinden sich in einem stationären Magnetfeld 20, dessen Richtung transversal - im allgemeinen senkrecht - zu der Richtung liegt, in welcher die Leiter zu schwingen die Tendenz haben. Da diese Richtung senkrecht zu der Streifenebene liegt, so ist das Feld senkrecht zur Papierebene verlaufend gezeichnet. Die Verteilung des Feldes längs der Länge eines jeden Leiters ist vorzugsweise sinusartig. The conductors 11 and 12 are in a stationary magnetic field 20, the direction of which is transverse - generally perpendicular - to the direction in which the ladder tends to vibrate. Because this direction is perpendicular lies to the plane of the stripe, the field is perpendicular to the plane of the paper drawn. The distribution of the field along the length of each conductor is preferred sinusoidal.

Die Enden des Leiters 11 sind durch die Leitungen 111 und 112 elektrisch mit der Stufe 21 dergestalt verbunden, daß sie mit dem Leiter 11 einen Stromkreis von effektiv negativem Widerstand bilden. Eine Verstärkerstufe, welche den Leiterll in dem Eingangskreis einschließt und für eine positive Rückkopplung eingerichtet ist, ist eine hierfür geeignete Vorrichtung. The ends of conductor 11 are electrical by leads 111 and 112 connected to the stage 21 in such a way that it is connected to the conductor 11 in a circuit of effectively forming negative resistance. An amplifier stage, which the Leiterll in the input circuit and set up for positive feedback is a suitable device for this.

Die Enden des Leiters 12 sind in ähnlicher Weise durch die Leitungen 121 und 122 mit einer analogen Stufe 22 verbunden. Die Stufen 21 und 22 sind mit einer Mischstufe 23 verbunden, die dazu bestimmt ist, über eine Ausgangsleitung 24 eine Spannung von der Differenzfrequenz der in den Leitern 11 und 12 fließenden Ströme auszusenden. The ends of the conductor 12 are similarly through the leads 121 and 122 connected to an analog stage 22. Levels 21 and 22 are with a mixer 23, which is intended to be connected via an output line 24 a voltage of the difference frequency of that flowing in the conductors 11 and 12 To send out currents.

Beim Arbeiten hält die Kombination des magnetischen Feldes und der negativen Widerstandskreise die Leiter 11 und 12 in transversalen Resonanzschwingungen senkrecht zu den Ebenen der Streifen, und zwar in einer Frequenz, die in jedem Falle und zu jedem gegebenen Zeitpunkt nur abhängig ist von der Schwingungslänge des Leiters, seiner Masse je Längeneinheit und der mechanischen Spannung, der er in diesem Augenblick unterworfen ist. When working, the combination of the magnetic field and the negative resistance circuits the conductors 11 and 12 in transverse resonance oscillations perpendicular to the planes of the stripes, at a frequency that in each case and at any given point in time is only dependent on the oscillation length of the conductor, its mass per unit length and the mechanical tension that it is at that moment is subject.

Jeder negative Widerstandskreis wirkt als ein Oszillator, wobei die Frequenz des resultierenden Stromes gleich ist der Frequenz, mit der der Leiter schwingt. Each negative resistance circuit acts as an oscillator, with the Frequency of the resulting current is equal to the frequency with which the conductor swings.

Die mechanische Spannung, der jeder Leiter unterworfen ist, wird durch die Feder 17 und durch die Kraft 18 bestimmt. Die Anordnung ist so getroffen, daß, wenn die Kraft 18 gleich Null ist, die Feder 17 beide Leiter der gleichen Spannung unterwirft. Da die Schwingungslängen gleich sind, ist jeder der drei oben erwähnten Faktoren, die die Resonanzfrequenz der Schwingung eines jeden Leiters bestimmt, gleich den entsprechenden Größen für den anderen Leiter. The mechanical stress to which every conductor is subjected becomes determined by the spring 17 and by the force 18. The arrangement is made so that when the force 18 is zero, the spring 17 both conductors of the same tension subject. Since the oscillation lengths are the same, each of the three mentioned above is Factors that determine the resonance frequency of vibration of each conductor, equal to the corresponding sizes for the other conductor.

Die beiden Leiter schwingen daher mit der gleichen Frequenz, und die entsprechenden Oszillationsströme sind auch von der gleichen Frequenz. Die Frequenz des Ausgangssignals über die Leitung 24 ist daher gleich Null.The two conductors therefore vibrate at the same frequency, and the corresponding oscillation currents are also of the same frequency. The frequency of the output signal via line 24 is therefore zero.

Wenn die Kraft 18 einen von Null abweichenden Wert hat, so erhöht sie unter der Annahme, daß sie in Richtung des Pfeiles 18 wirkt, die mechanische Spannung im Leiter 12 und vermindert jene im Leiter 11 um den gleichen Betrag. Da diese mechanischen Spannungen nun ungleich sind, so sind auch die Schwingungsfrequenzen nicht mehr gleich. Es kann gezeigt werden, daß mit großer Annäherung die Differenz zwischen diesen Frequenzen direkt proportional ist der Größe der Kraft 18. Die aus der Mischstufe über den Leiter 24 abgeleitete Signalspannung hat also eine Frequenz, die proportional der Kraft 18 ist, was zu beweisen war. If the force 18 has a value other than zero, then increased assuming that it acts in the direction of arrow 18, it is the mechanical one Voltage in conductor 12 and reduces that in conductor 11 by the same amount. There If these mechanical stresses are unequal, so are the oscillation frequencies no longer the same. It can be shown that with close approximation the difference between these frequencies is directly proportional to the magnitude of the force 18. The out the signal voltage derived from the mixer via conductor 24 has a frequency which is proportional to the force 18, which was to be proven.

Es sei noch hervorgehoben, daß - immer dann, wenn die Kraft 18 einen von Null abweichenden Wert hat - die beiden Leiter 11 und 12 in einer voneinander abweichenden Weise gespannt werden und daher eine geringe Abweichung von der genauen Längengleichheit aufweisen. Diese Abweichung ist jedoch so gering, daß sie vernachlässigt werden kann, und die beiden Leiter bleiben praktisch gleich lang, wie oben angenommen. It should also be emphasized that - whenever the force 18 one has a value deviating from zero - the two conductors 11 and 12 in one of each other different way and therefore a slight deviation from the exact one Have equality of length. However, this deviation is so small that it is neglected can be, and the two conductors remain practically the same length, as assumed above.

Es sei noch vermerkt, daß die Feder 17 stark genug sein muß im Verhältnis zur Kraft 18, um jenen der Leiter 11 und 12 in Spannung zu halten, dessen Spannung durch die Kraft 18 vermindert wird. It should also be noted that the spring 17 must be strong enough in proportion to the force 18 to keep that of the conductors 11 and 12 in tension, its tension is reduced by the force 18.

Wie bereits erwähnt, kann die Kraft 18 von einer Druckkapsel abgeleitet werden und so den Druck einer Flüssigkeit anzeigen oder von einem Bimetallstreifen und so eine Temperatur anzeigen. As already mentioned, the force 18 can be derived from a pressure capsule and thus indicate the pressure of a liquid or of a bimetal strip and show such a temperature.

Die zu messende mechanische Größe kann selbstverständlich auch auf zahlreiche andere Wege abgeleitet werden, die abhängig sind von der Natur der zu messenden Größe. The mechanical variable to be measured can of course also be numerous other avenues can be derived which are dependent on the nature of the to measuring size.

Das über den Leiter 24 abgeleitete Signal kann über eine Zeitmarkierungsvorrichtung zu einer Zählstufe geleitet werden, wobei eine Messung der Frequenz abgeleitet werden kann von einer Zählung der Zahl der Schwingungen, die in dem vorgegebenen Zeitintervall auftreten, das von der Zeitmarkierungsvorrichtung bestimmt wird. The signal derived via the conductor 24 can be via a time marking device be passed to a counting stage, whereby a measurement of the frequency can be derived can be from a count of the number of vibrations occurring in the given time interval occur, which is determined by the time stamping device.

Claims

CLAIMS: 1. Apparatus for converting variable mechanical ones Forces in electrical signals of variable frequency, characterized in that they two bendable, elongated electric ones Head (11, 12) of has the same mass per unit length, both of which are essentially the same Lengths of transverse oscillations can run and each in the circuit an output switching stage (21, 22) and its longitudinal voltage by means of a Clamping element (17) can be adjusted so that the acting on the clamping element mechanical force to be converted (18) the longitudinal tension of a conductor with simultaneous and the same reduction in the longitudinal tension of the other conductor is increased.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the clamping device consists of a spring-influenced lever (15), the cutting edge (14) in the middle one the two free ends of the clamped firmly at their opposite ends and electrically insulated conductors (11, 12) connecting traverse (13) attacks, which has an extension (19) arranged opposite the cutting edge (14) knows on which the mechanical forces to be converted attack.

3. Device according to claim 1 and / or 2, characterized in that that the two conductors in a perpendicular to their plane of connection directed magnetic Field and with the output switching stages each have a circuit with a negative Form resistance.

4. Device according to one or more of claims 1 to 3, characterized characterized in that the output switching stages in a known manner with a Mixer are connected, the output signal has a frequency that is the same the difference between the two supplied frequencies and which is proportional to the mechanical force to be converted changes.

Documents considered: German Patent No. 967 508; U.S. Patent No. 2,618,970.