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Verfahren und Vorrichtung zur mechanischelektrischen Bestimmung von
Kräften mit direktem Digitalresultat Für die Messung von Kräften stehen heute eine
Vielzahl von Verfahren und Einrichtungen zur Verfügung. Die zu wählende Art wird
vorwiegend durch den speziellen Meßzweck bestimmt, da praktisch jeder Verwendungszweck
spezielle Anforderungen stellt, die nach Möglichkeit erfüllt werden sollen.
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Bei der Messung von Kräften an Materialprüfmaschinen sind beispielsweise
eine angemessene Genauigkeit, ein großer Meßbereich, ein kleiner Deformationsweg
des Meßorgans usw. erforderlich. Es gibt eine Anzahl von mechanischen, elektrischen,
optischen und weiteren Verfahren und Einrichtungen, die diesen Anforderungen zum
größten Teil nachkommen.
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Bei der Messung von Kräften mit mechanischelektrischen Systemen liefert
das Meßorgan vielfach eine elektrische Größe (Spannung oder Strom), welche z. B.
proportional oder in irgendeinem definierten Verhältnis zur zu messenden Kraft steht.
Damit wird eine direkte Anzeige der zu messenden Kraft an einem Meßinstrument möglich.
Allerdings sind bei den bereits bekannten elektrisch-mechanischen Systemen
- mindestens sofern man sich auf ein einziges Meßorgan beschränkt
- entweder der Meßbereich oder dann die Genauigkeit der Kraftmessung relativ
klein. Vor allem ist die erforderliche sogenannte Nullpunktkonstanz für einen großen
Kraftmeßbereich schwer realisierbar. Dabei wird unter Nullpunktkonstanz die relative
Abweichung der elektrischen Anzeige bei der Kraft Null vom Sollwert infolge unvermeidlicher
Unstabilitäten des gesamten Systems verstanden. Der Meßbereich solcher bekannter
Verfahren läßt sich nur mit beträchtlichem Aufwand noch erweitern. Desgleichen kann
die Genauigkeit der bekannten Verfahren nur mit großem Aufwand erhöht werden. Meistens
wird dadurch auch die Bedienung der Meßgeräte wesentlich komplizierter. Daher werden
vielfach Kompromißlösungen vorgezogen, bei denen je nach der zu messenden
Kraft ein bestimmtes Meßorgan des elektrisch-mechanischen Systems mit nur kleinem
Meßbereich verwendet wird, wobei dann zur Bestreichung des gesamten Meßbereiches
mehrere verschiedene Meßorgane zur Verfügung stehen müssen.
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Es sind beispielsweise Meßvorrichtungen für die Messung von Torsionskräften
bekanntgeworden, bei welchen durch die Torsion die Frequenz von zwei Oszillatoren
verändert wird. Aus diesen Verstimmungen wird in einer Mischstufe die Differenzfrequenz
gebildet, verstärkt und gleichgerichtet, worauf dieses gleichgerichtete Signal in
einem Meßgerät die Torsionskräfte anzeigt. Andere Vorrichtungen dienen beispielsweise
der fortlaufenden Einwägung von Substanzen in Behälter mit verschiedenen Taragewichten,
wobei die Größe der Tara ausgeschaltet werden soll, um in jedem Behälter dieselbe
Einfüllmenge zu erhalten. Hierzu wird jeder Behälter in einer Wägevorrichtung gewogen,
wobei das Wägeresultat als Frequenz eines Oszillators gespeichert wird. Die Einwägung
selbst erfolgt in einer zweiten Wägevorrichtung, die mit steigendem Gewicht die
Frequenz eines weiteren Oszillators so lange verändert, bis Frequenzgleichheit mit
dem Speicherwert der Tarawägung vorherrscht.
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Eine andere Vorrichtung beispielsweise zur Messung von Drücken verwendet
ein kapazitives Meßorgan, in welchem Druckänderungen in Kapazitätsänderungen umgeformt
werden. Diese Kapazitätsänderungen beeinflussen die Frequenz eines Multivibrators.
Eine Zählvorrichtung zählt nun die Schwingungen dieses Multivibrators und öffnet
bzw. sperrt jeweils nach einer bestimmten Zahl von Schwingungen eine Torschaltung,
durch welche die Schwingungen eines zweiten Multivibrators mit konstanter Frequenz
während dieser zeitlich nicht konstanten Toröffnung in einem weiteren Zählwerk registriert
werden. Eine durch das erste Zählwerk gesteuerte Ablese- und Rückstellphase vervollständigt
jeden der fortlaufend sich wiederholenden Meßzyklen.
Alle diese
Meßvorrichtungen verwenden aber ein relativ großes Zeitintervall, über welchem die
Bestimmung der gewünschten Größe erfolgt; sie geben also nur den zeitlichen Mittelwert
der Meßgröße über ein großes Zeitintervall ab. Außerdem sind die Meßergebnisse von
einer genauen Nullage bei Meßbeginn abhängig. Zudem ist meist die in bestimmten
Fällen vorteilhafte Umkehrung der Meßreihenfolge - nämlich zuerst die Messung
der gesuchten Größe und erst anschließend die Messung des Ausgangszustandes
- nicht realisierbar.
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Bei der Prüfung von Materialien, deren Prüfresultate eine große Streuung
aufweisen, ist es bekanntlich notwendig, eine größere Zahl von Prüfungen durchzuführen.
Es lassen sich dann z. B. der Mittelwert und die Streuung der erhaltenen Prüfresultate
nach den bekannten Methoden der Statistik berechnen.
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Sollen diese statistischen Berechnungen elektronisch durchgeführt
werden, so können beispielsweise die obenerwähnten elektrischen Größen an den Eingang
eines Analog-Rechenwerkes gegeben werden. Sofern für derartige Rechenoperationen
jedoch Digital-Rechenwerke benutzt werden (was sehr vorteilhaft ist), muß das Meßresultat
vorerst in eine digitale Größe umgeformt werden. Diese Umformung erfordert wiederum
einen ziemlich großen Aufwand, wenn eine angemessene Genauigkeit verlangt wird.
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Die vorliegende Erfindung überwindet diese Nachteile und betrifft
ein Verfahren zur mechanischelektrischen Bestimmung von Kräften mit direktem Digitalresultat,
insbesondere für die Materialprüfung, wobei die am Prüfling angreifende Kraft mindestens
ein Federorgan elastisch deformiert, welche Deformation die Frequenz mindestens
eines Oszillators verändert, und zeichnet sich dadurch aus, daß während mindestens
zwei aufeinanderfolgenden, im Verhältnis zur Dauer der Krafteinwirkung kurzen Zeitintervallen
die Anzahl der Schwingungen in an sich bekannten Zählvorrichtungen jeweils bestimmt
wird, wobei die erhaltenen Zählwerte unter Berücksichtigung der Zeitintervalle als
Maß für die Kraft ausgewertet werden.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens und umfaßt Zählvorrichtungen zur Zählung von Schwingungen während
eines vorgegebenen Zeitilltervalls durch eine Schalteranordnung zur Abgrenzung unter
sich gleicher Zeitintervalle sowie durch Mittel, wie Differenzzählwerke, zur Auswertung
der während mindestens zweier Zeitintervalle erhaltenen Zählwerte.
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An Hand der nachfolgenden Beschreibung und der Figuren wird die Erfindung
näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 schematisch ein Federorgan mit Spule,
deren Induktivität sich bei Deformationen des Federorgans ändert, F i
g. 2 schematisch einen Oszillator, in welchem eine Spule mit veränderlicher
Induktivität Frequenzänderungen hervorruft, F i g. 3 schematisch
- als Blockschema - eine Anordnung zur Gewinnung eines Digitalresultates
aus einer Oszillatorfrequenz, F i g. 4a und 4b das Prinzip und ein Schaltungsbeispiel
eines elektronischen EIN-AUS-Schalters, F i g. 5 a und 5 b das Prinzip
und ein Schaltungsbeispiel eines elektronischen Umschalters, F i g. 6 schematisch
eine Zählröhre, F i g. 7 eine Multivibratorstufe (Impulsuntersetzer), F i
g. 8 a eine Anzahl Schwingungen S, während eines Zeitintervallsr, F i
g. 8b eine Anzahl Schwingungen S2 während eines Zeitintervalls -r,
F i g. 8c die Differenz der Schwingungen S2-SI während eines Zeitintervalls
r,
F i g. 9 schematisch ein Federorgan mit veränderlichem Kondensator,
F i g. 10 schematisch ein Federorgan mit gleichzeitig veränderlicher Spule
und Kondensator, Fig. 11 schematisch ein Federorgan mit zwei Spulen, deren
veränderliche Induktivitäten auf verschiedene Oszillatoren wirken, F i
g. 12 schematisch - als Blockschema - zwei auf eine Mischstufe
wirkende Oszillatoren, F i g. 13 ein Schaltungsbeispiel einer Mischstufe,
F i g. 14 schematisch ein Federorgan mit Spule und Kondensator, die auf verschiedene
Oszillatoren wirken, F i g. 15, 16 und 17 als Diagramme drei
Fälle von Oszillatorfrequenzen in Funktion der Kraft mit verschiedenen Einstellungen
der Anfangsfrequenzen S, und NI, F i g. 18 schematisch eine Frequenzverdopplerstufe,
F i g. 19 schematisch ein Federorgan mit veränderlichem Widerstand, F i
g. 20 ein Schaltungsbeispiel eines Oszillators, dessen Frequenz durch Widerstandsänderungen
variabel ist, F i g. 21 schematisch ein Federorgan mit entgegengesetzt veränderlichen
Widerständen.
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F i g. 1 zeigt schematisch ein mechanisch-elektrisches Meßorgan.
Als Federorgan wirkt beispielsweise ein einseitig eingespannter Federstab
1, an welchem die zu messende Kraft P angreift. Ein weiterer, unbelasteter
Stab 2 steht demgegenüber im Raum still. Eine Spule 3, mit Eisenkern
X, deren Induktivitätswert im wesentlichen vom LuftspaltAL bestimmt wird,
ist fest auf dem Federstab 1 angebracht. Die Induktivität der Spule
3 ist frequenzbestimmend für einen elektronischen Oszillator 10. Bei
Einwirkung einer Kraft P auf das freie Ende des Federstabes 1
wird sich der
letztere durchbiegen und somit den LuftspaltAL verändern. Dadurch ändert sich der
Wert der Induktivität der Spule 3 und damit auch die Frequenz des Oszillators
10.
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Ein Schaltungsbeispiel eines solchen Oszillators ist in F i
g. 2 gezeigt. Im Gitterkreis einer Oszillatorröhre 7 liegt ein Schwingkreis
mit der Spule 3 und den Kondensatoren 4, 6 und 9. Eine solche
Schaltung ist als Schwingungserzeuger allgemein bekannt. Für die meßtechnische Erfassung
der durch eine bestimmte Kraft P bewirkten Auslenkung des Federstabes
1
dient nun eine Anordnung, wie sie im Blockschema gemäß F i g. 3 dargestellt
ist: Unmittelbar bevor die zu messende Kraft P am Federstab 1 angreift, wird
während eines bestimmten Zeitintervalls -v die Zahl S" der Perioden der vom
Oszillator 10 erzeugten Wechselspannung mit der Frequenz f, in einem
Zähler 23
gezählt und daselbst gespeichert. Das Zeitintervall -r wird vorteilhaft
mit elektronischen Schaltmitteln abgegrenzt, indem z. B. von einer konstanten Oszillatorfrequenz
f, welche in einem Oszillator 21 erzeugt wird, ein an sich bekannter Vorwahlzähler
22 während der Zählung der bestimmten Zahl von Perioden der Frequenz f3 einen
elektronischen Schalter 11 schließt. Bei konstanter Frequenz f, und
gleichbleibender
Periodenzahl, während welcher der Schalter
11 geschlossen ist, ist das Zeitint#rvall -c stets konstant. Dem Schalter
11 folgt ein Umschalter 12, der die Anzahl der Perioden der Frequenz
f, die vom Schalter 11
durchgelassen worden sind, zunächst auf einen
Zähler 23 leitet. In einem späteren Zeitpunkt, in welchem die Kraft P am
Federstab 1 wirksam ist, betrage die Frequenz des Oszillators 10f,
Es erfolgt nun auch eine Zählung der Anzahl der Perioden S,
der Wechselspannung
f, über ein gleich langes Zeitintervall -v sowie eine Speicherung
des Wertes S,
Dabei ist der Umschalter 12 so gestellt, daß die Zählwerte der
Anzahl Perioden S, in einem zweiten Zähler24 gespeichert und registriert
werden. Die Differenz der Werte der Zählimpulse S.-S, ist nun ein Maß, das in direkter
und genau deflnierter Beziehung zur Kraft P bzw. zu der durch dieselbe bewirkten
Durchbiegung des Federstabes 1 steht. Die Größe des Zeitintervalls
-c bestimmt den für die absolute Größe der Zählimpulse S2-S1 vorteilhaftesten
Wert. Das Zeitintervall T muß aber so kurz gewählt werden, daß Kraftänderungen innerhalb
dieser Zeitspanne vernachlässigbar klein bleiben.
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Die Zählung der Perioden S, im unbelasteten Zustand kann
- als Variante - zeitlich auch nach der Prüfung der Periodenzahl
S, im belasteten Zustand vorgenommen werden. Unter Umständen wird dadurch
die Zeit für eine eventuelle Veränderung des Nullpunktes zwischen den beiden Zählungen
kleiner und die Meßgenauigkeit entsprechend besser. Bestimmte verbindliche Normvorschriften
für die Materialprüfung schreiben nämlich eine verhältnismäßig lange Prüfdauer vor.
Wird nun die Periodenzählung im kraftlosen Zustand zeitlich vor der Zählung im belasteten
Zustand durchgeführt, so liegt zwischen diesen beiden Zählungen die für die Kraftwirkung
vorgeschriebene Zeit, während welcher sich unter Umständen verschiedene Umgebungsbedingungen
ändern können. Beispielsweise kann eine Nullpunktverschiebung auftreten, und eine
solche würde als Fehler in die Zählung eingehen. Wird aber die Periodenzählung im
unbelasteten Zustand zeitlich nach der *Periodenzählung im belasteten Zustand durchgeführt,
so kann die dazwischenliegende Zeitspanne sehr kurz sein, da für die Aufhebung der
Kraftwirkung und für die Rückkehr des elastischen Systems in seine Ausgangslage
keine Zeitbedingungen erfüllt werden müssen. Die beiden Zählungen können daher zeitlich
unmittelbar nacheinander erfolgen, so daß die Möglichkeit für eine in dieser Zeitspanne
auftretende Verschiebung des Nullpunktes wesentlich geringer ist.
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Ausführungsbeispiele der einzelnen Schalteinheiten, aus denen sich
die Anordnung der F i g. 3 zusammensetzt, sind in den F i g. 4 bis
7 gezeigt.
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Der Oszillator 21, welcher eine feste Frequenz f,
abgibt, kann
beispielsweise gleich aufgebaut sein wie der Oszillator 10. Jedoch besitzt
seine Spule 3 einen festen Induktivitätswert.
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Für den elektronischen Schalter 11, dessen Funktion in F i
g. 4a gezeigt ist, ist eine Torschaltung gemäß Fig. 4bmöglich.DasEingangssignalanderKlemmea
geht durch ein Ventil 14 nach der Klemme b, wenn am Widerstand
13 (Klemme v) ein gegenüber der Klemmeo positives Potential liegt;
d. h., Schalter 11 ist in diesem Fall geschlossen. Sobald an der Klemme
v - in bezug auf die Klemme 0 - ein negatives Potential vorhanden
ist, wirkt Ventil 14 als Sperre, der Schalter 11
ist somit geöffnet. Die erforderlichen
positiven und negativen Steuerpotentiale für die Klemme v werden im vorliegenden
Falle vom Zähler 22 abgegeben. Der elektronische Umschalter 12 arbeitet funktionell
gemäß F i g. 5a. Er leitet ein an die Klemme a' angelegtes Eingangssignal
entweder an die Klemme c oder d weiter. Je nachdem, ob eine Zählung im belasteten
oder im unbelasteten Zustand des Federstabes 1 erfolgt, ist der Schalter
12 entweder auf die Klemme c oder d gelegt. In F i g. 5
b ist eine entsprechende Torschaltung detailliert gezeichnet. Eine Steuerspannung
an der Klemme v' führt über den Widerstand 13 in bezug auf die Klemme
0 entweder ein positives oder ein negatives Potential zu den Ventilen 14
und 16. Ist dieses Potential positiv, so gelangt das Eingangssignal von der
Klemme a' über das Ventil 14 zu der Klemme e; ist es hingegen negativ, so ist das
Ventil 14 gesperrt, jedoch das Ventil 16 geöffnet, und das Eingangssignal
gelangt an die Klemme d. Die Funktion des Schalters 11 und des Umschalters
12 kann auch durch eine doppelte Ausführung des Schalters 11 übernommen werden.
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Die Zähler22, 23 und 24, welche gleichzeitig als Speicher für
die Zählwerte»S« dienen, können beispielsweise in bekannter Weise als elektromagnetische
Impulszähler mit Schrittschaltwerken und Zählwerken, welch letztere die Zählwerte
als ablesbare Ziffern darstellen, ausgebildet sein. Derartige Impulszähler sind
jedoch nur für relativ niedrige Zählfrequenzen vorteilhaft.
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Elektronische Zählröhren 26 gemäß F i g. 6 als Variante
bewältigen in ebenfalls bekannter Weise wesentlich höhere Impulsfrequenzen. Sie
enthalten eine Anode 27 und ein Gitter 28, welche einer Anzahl Kathoden
29 gemeinsam sind. Jede Kathode 29 liegt über einen eigenen Widerstand
30 am negativen Pol einer Spannungsquelle. Zählimpulse A werden auf
das Gitter 28 gegeben. Jeder Impuls veranlaßt, daß die Stromführung zwischen
Kathode und Anode auf die nächstfolgende Kathode übergeht. Sobald die letzte Kathode
an die Reihe kommt, entsteht ein Impuls B, welcher beispielsweise an eine nachfolgende
weitere Zählröhre abgegeben wird und daselbst eine weitere Ziffernstelle darstellt.
Gleichzeitig veranlaßt der Impuls B, daß die Zählröhre 26 wieder von vorn
zu zählen beginnt.
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Eine weitere bekannte Variante für Zählschaltungen 22, 23,
24 bildet ein bistabiler Multivibrator (oft gebräuchliche Kurzbezeichnung BMN) gemäß
F i g. 7.
Er enthält Transistoren 15, 16, Spannungsteiler
17, 18
und einen Koppelkondensator 25. Jeder Impuls an der Eingangsklemme
e (gegenüber der Masseklemmeg) kippt den bistabilen Multivibrator von einer elektrisch
stabilen Lage in die andere elektrisch stabile Lage. Durch Hintereinanderschalten
von z. B. n bistabilen Multivibratoren kann nun in bekannter Weise jede Zahl bis
maximal n Dualziffern gespeichert werden. Das Hintereinanderschalten geschieht beispielsweise
von der Ausgangsklemme 1 des ersten bistabilen Multivibrators BMV an die
Eingangsklemme e' des nachfolgenden bistabilen Multivibrators BMV'; von diesem zweiten
bistabilen Multivibrator BMV' von der Ausgangsklemme l' an die Eingangsklemme e"
des dritten bistabilen Multivibrators BMV" usw. Der elektrische Zustand der Multivibratoren
BMV, BMV', BMV" zeigt in bekannter Weise eine Zahl im Dualsystem an.
Eine
Zusammenlegung der Zähler 23 und 24 zu einem Vor- und Rückwärtszähler ist
besonders vorteilhaft. In diesem Fall wird beispielsweise, wie oben erläutert, die
Zählung der Anzahl Perioden S, der Oszillatorfrequenz fl im unbelasteten Zustand
des Federstabes 1 in Vorwärtsrichtung, d. h. mit steigenden Zählwerten,
gezählt. Für die Zählung der Anzahl Perioden S, der Oszillatorfrequenz
f, im belasteten Zustand (durch die Kraft P) des Federstabes 1 werden
nun die Impulse in bekannter Weise statt an den Ausgangsklemmen !, !', l"
. . . in analoger Weise an den Ausgangsklemmen h, h', Y' abgenommen,
wodurch der zuerst erreichte Zählwert S, um den neuen Zählwert
S2 vermindert wird. Als Resultat ist somit die Differenz der Zählwerte
S, und S, als Zählwert S2-S1 im Zähler gespeichert. Umschalter 12
entfällt somit.
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F i g. 8 a zeigt nun als Diagramm die Periodenzahl Sl, F i
g. 8b die Periodenzahl S, und F i g. 8c deren Differenz S2-S1,
die über gleich lange Zeitintervalle -r ermittelt wurden. Damit soll veranschaulicht
werden, wie die Größe der am Federstab 1
angreifenden Kraft P aus der Differenz
der Schwingungszahlen S2-S1 abgeleitet und damit ein digital direkt verwertbares
Resultat erhalten wird.
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An Stelle der Veränderung des LuftspaltesdL kann die Deformation des
Federstabes 1 auch den AbstandAc der Elektroden eines Kondensators verändern
und damit Kapazitätsänderungen hervorrufen. F i g. 9 zeigt eine solche Ausführung.
In Oszillator 10
ist demnach die Induktivität 3 konstant, aber der
Kondensator 9 variabel.
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Weiter stellt F i g. 10 noch eine mögliche Anordnung eines
Oszillators 10 dar, bei welchem sowohl die Induktivität der Spule
3 als auch die Kapazität des Kondensators 9 des gleichen Oszillators
10 durch den Federstab 1 beeinflußt werden.
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Währenddem bei den Anordnungen nach F i g. 1
und 9 die
Frequenzen annähernd reziprok zum LuftspaltAL bzw. zum ElektrodenabstandAc stehen,
ergibt sich bei einer Anordnung nach F i g. 10 genaue Proportionalität zwischen
den Änderungen der Oszillatorfrequenz des Oszillators 10 und zwischen Kraftänderungen
der Kraft P.
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Allerdings ist die Anordnung nach F i g. 10 konstruktiv derart
zu gestalten, daß der LuftspaltAL und der ElektrodenabstandAc sich mit der Deformation
des Federstabesl gleich, oder zum mindesten im gleichen Verhältnis ändern. Diese
Forderungen sind erfüllt, wenn bei einer bestimmten Kraft P der Luftspalt AL und
der Elektrodenabstand Ac gleichzeitig Null werden.
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Der variable Oszillator 10 war bisher so aufgebaut, daß entweder
die Spule 3 oder der Kondensator 9
oder beide die Formänderung des
Federstabes 1 in Induktivitäts- bzw. Kapazitätsänderungen und damit in Frequenzänderungen
verwandelt haben. Besondere Vorteile für die Gewinnung von Frequenzänderungen werden
dadurch erzielt, daß zwei variable Oszillatoren 20 und 36 verwendet werden,
von denen jeder eine durch die Deformation veränderliche Induktivität oder Kapazität
oder Induktivität und Kapazität enthält. Schematisch zeigt F i g. 11 eine
solche Anordnung mit je einer veränderlichen Induktivität (Spule
3 und 5). Beide Oszillatoren 20 und 36 können gleich wie der
Oszillator 10 aufgebaut sein.
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Der Federstab 1 befindet sich hierbei zwischen zwei starren
Stäben 2 und 8, so daß die Induktivität der Spule 3 beispielsweise -zunimmt
und die Induktivität der Spule 5 gleichzeitig abnimmt. Es folgt daraus, daß
die Frequenz des Oszillators 20 sinkt und die Frequenz des Oszillators
36 steigt. Die Frequenzdifferenz ist somit doppelt so groß wie bei einem
Oszillator allein. Für den unbelasteten Zustand erhält man vom Oszillator 20 die
Frequenz fl und vom Oszillator 36 die Frequenz fL', aus denen während des
Zeitintervalls -cl die Periodenzahl S, (vom Oszillator 20) und N, (vom Oszillator
36) resultieren, Für den Fall der Belastung des Federstabes 1 durch
eine Kraft P weist der Oszillator 20 eine Frequenz f, und der Oszillator
36 eine Frequenz f,' auf. Über das Zeitintervall -c, - das
gleich groß wie -c,. sein muß - werden die Periodenzahlen S,
und N, in analoger Weise wie S, und N, gezählt. Der
Differenzwert 1 SI-S2 J - 1 NI-N21 stellt in diesem Fall das
Maß für die Größe der Kraft P dar.
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An Stelle der Zählung der Periodenzahlen der einzelnen Oszillatoren
20 und 36 können auch die Perioden der Differenzfrequenzen 1 S"-NI
1 bzw. 1 S2-N21 gezählt werden. Diese Differenzfrequenzen werden
in einer Mischstufe 31 (F i g. 12) gebildet und analog einer Anordnung
gemäß F i g. 3 ausgewertet, wobei in diesem Fall der Oszillator
10 durch die gesamte Kombination aus Oszillator 20, Oszillator
36 und Mischstufe 31 zu ersetzen ist. Durch die Zählung der Perioden
der Differenzfrequenzen ist eine Einsparung an Zähl- und Speicherwerken gegenüber
dem Verfahren der Zählungjeder einzelnen Oszillatorfrequenz möglich.
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F i g. 13 zeigt in bekannter Weise ein Schaltungsbeispiel einer
Mischstufe 31, die zur Mischung der von den Oszillatoren 20 und
36 erzeugten Frequenzen geeignet ist. Die Oszillatoren sind an die Eingangsklemmen
k und o bzw. 1 und o angeschlossen. Die Mischstufe enthält die Widerstände
32, 33 und ein Ventil 34. Die Differenzfrequenz ist am Ausgang m und o abzunehmen.
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Der Oszillator 20 kann aber auch in seiner Frequenz durch die Anordnung
nach F i g. 1, 9 und 10 bestimmt sein, währenddem der Oszillator
36 weder veränderliche Induktivität noch Kapazität enthält. Die Frequenz
von Oszillator 36 ist demnach konstant. In diesem Fall sind somit nur frequenzbestimmende
Teile des Oszillators20 mit dem Federstab 1 in Verbindung. Der Mischstufe
gemäß F i g. 13 werden hierbei eine variable Frequenz vom Oszillator 20 und
eine feste Frequenz vom Oszillator 36 zugeführt. Vorteile einer solchen Anordnung
liegen darin, daß die Oszillatoren bei Anordnung nach F i g. 1, 9 oder
10 mit relativ hohen Frequenzen arbeiten können und die Differenzfrequenz
trotzdem in einen Bereich verlegt werden kann, der für die Verarbeitung der Zählwerte
besonders geeignet ist.
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An Stelle der beiden Induktivitäten der F i g. 11
können auch
in analoger Weise wie in F i g. 9 die Kapazitäten von zwei Kondensatoren
durch die Deformation verändert werden. Es können aber auch in analoger Weise wie
in F i g. 10 sowohl die Induktivität der Spule 3 als auch die Kapazität
des Kondensators 9
gleichzeitig verändert werden. Schließlich kann auch von
einem Oszillator, beispielsweise Oszillator 20, die lnduktivität der Spule
3 und vom anderen Oszillator 36
die Kapazität des Kondensators
9 verändert werden, wie dies beispielsweise F i g. 14 zeigt.
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Die Differenzfrequenz f,-fl' als Anfangsfrequenz im unbelasteten Zustand
des Federstabes 1 kann nun in weiten Grenzen gewählt werden, und es bestehen
dafür folgende Möglichkeiten (wobei im folgenden an
Stelle der Frequenzen
die entsprechenden Periodenzahlen S und N eingesetzt werden):
1. S, größer als Nl, wobei angenommen wird, daß beispielsweise
S bei zunehmender Durchbiegung des Federstabes 1 größer und
N kleiner wird; dieser Fall ist in F i g. 15 zeichnerisch dargestellt.
Dabei sind - dies gilt auch für die F i g. 16
und 17 - beim
Abszissenwert o die Ordinaten der Periodenzahlen S, und NI aufgetragen, beim
Abszissenwert P als Ordinaten die Periodenzahlen S, und N,
Die algebraische Summe 1 Sl-N, J - 1 S,-N, J wird nun
dadurch erhalten, daß der kleinere Zählwert 1 SI-NI 1 vom größeren
Zählwert 1 S,-N, 1 subtrahiert wird. Dies erfordert als Zähl-
und Speicherwerk einen Vor-und Rückwärtszähler, in welchem während der ersten Messung
der Zählwert 1 S,-N, 1 gespeichert und dieser Zählwert IS,-Ni bei
der zweiten Messung um den Zählwert IS,-N,1 vermindert wird.
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2. S, kleiner als N, und dieselbe Annahme wie unter
1, daß S bei zunehmender Durchbiegung des Federstabesl größer
und N kleiner wird. Diesen Fall zeigt F i g. 16. Die Differenzfrequenz
J S-N 1 durchläuft dabei den Wert Null, wenn bei einem bestimmten Wert der
Durchbiegung des Federstabes 1 S und N gleich groß sind. Dieser Fall
ist deshalb vorteilhaft, weil die Zählwerte 1 S,-NI 1
und J S2-N, 1 nicht subtrahiert werden müssen, sondern addiert werden können,
wofür ein Summenzähler als Zählwerk genügt.
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3. Ein Sonderfall für die Einstellung der Anfangsfrequenzen
S, und N, liegt dann vor, wenn S., gleich N, gewählt wird (F
i g. 17). Die Zählung reduziert sich hierbei auf die Bestimmung des Wertes
IS2-N2 J, dadieDifferenzfrequenz 1 Sl-N, 1
gemäß obiger Voraussetzung
den Wert Null aufweist. Auch für diesen Fall ist ein Summenzähler ausreichend. Mit
den beschriebenen Zählwerken können nur ganze Periodenzahlen und keine Bruchteile
hiervon gezählt werden. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist es daher von Vorteil,
wenn die Periodenzahlen groß sind, damit ein nicht gezählter Bruchteil der ersten
oder letzten Periode die Genauigkeit der Messung relativ wenig beeinflußt. Bei kleinen
Periodenzahlen kann jedoch die Genauigkeit dadurch erhöht werden, daß die Differenzfrequenzen
vervielfacht werden, bevor sie auf die Zähl- und Speicherwerke einwirken. Eine Schaltungsanordnung35zurFrequenzvervielfachungin
diesem Falle eine Frequenzverdoppelung - die den Zählern 23 und 24
vorgeschaltet werden kann, zeigt F i g. 18. Das Eingangssignal liegt an den
Klemmen p
und q. Die Ausgangsklemmen sind r und s, wobei s
mit
der Potentialmitte des Eingangspotentials an den Klemmen p, q verbunden
ist. Es findet also eine Zweiwegegleichrichtung statt, und die Ausgangsimpulse weisen
die doppelte Grundfrequenz der Eingangsimpulse auf.
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Die Spule 3 in der Anordnung gemäß F i g. 1 bzw. die
Spulen 3 und 5 in einer Anordnung gemäß F i g. 11,
welche
als am Federstab 1 befestigt gezeigt sind, können selbstverständlich auch
an den starren Stäben 2 bzw. 2 und 8 angebracht sein. Die Wirkung ist dieselbe,
da ja nur die Größe der Luftspalte für die Induktivität der Spule 3 bzw.
3 und 5 maßgebend ist. Dies hat zudem den Vorteil, daß die elektrischen
Zuleitungen zu den Spulen fest verlegt werden können, während bei einer Anordnung
gemäß F i g. 1 bzw. 11
zwischen Oszillator und Spule 3 bzw.
3 und 5 schwach bewegliche elektrische Verbindungen notwendig sind.
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Die Oszillatoren 10, 20 bzw. 36 sind in den bisherigen
Ausführungsbeispielen durchweg als Generatoren mit LC-Schwingkreisen dargestellt
worden. Als Variante ist aber auch ein RC-Generator in an sich bekannter Schaltung
(z. B. wie in der später erläuterten F i g. 20) verwendbar. Durch die Deformation
des Federstabes 1 können nämlich auch Widerstände verändert werden. Solche
veränderliche Widerstände stellen beispielsweise die bekannten Dehnungsmeßstreifen
dar. Eine für diese Art der Kraftmessung geeignete Anordnung zeigt F i
g. 19, wobei die Schaltung dieses Oszillators 10 in F i
g. 20 wiedergegeben ist. Der Federstab 1 trägt den Dehnungsmeßstreifen
41. Die Deformation des Federstabes 1 wird auf den Meßwiderstand 41 übertragen,
wobei beispielsweise der Wert des Meßwiderstandes 41 vergrößert wird, wenn Federstab
1 nach unten durchbiegt. Der Meßwiderstand 41 ist frequenzbestimmendes Glied
im Oszillator 10. Zusammen mit den festen Kondensatoren 43, 44 und den Arbeitswiderständen
42, 46 und 47 bilden sie eine Wiensche Brücke, an der die Röhre 45 liegt. Zusammen
mit der Röhre 50, dem Anodenwiderstand 49 und dem Rückkopplungskondensator
48 ist diese Schaltung zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von Schwingungen befähigt,
deren Frequenz f durch die Produkte RC der Werte des Widerstandes 41 und
des Kondensators 43 bzw. des Widerstandes 42 und des Kondensators 44 bestimmt ist.
Jede Änderung der Werte des Meßwiderstandes 41 wird daher ebenfalls entsprechende
Frequenzänderungen verursachen, welche in gleicher Weise für die Gewinnung von Digitalresultaten
verwendet werden können, wie dies weiter vorn beschrieben worden ist.
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Es können aber auch zwei veränderliche Widerstände 41', 41" durch
die Deformation des Federstabes 1 im entgegengesetzten Sinn verändert werden,
wie dies die Anordnung der F i g. 21 zeigt. Die Oszillatoren 20 und
36 sind hierbei als RC-Generatoren entsprechend F i g. 20 auszubilden.
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Durch die Deformation des Federstabes 1 können aber auch beide
frequenzbestimmenden Widerstände 41 und 42 der Wienschen Brücke gleichsinnig verändert
werden, wodurch die Frequenzänderungen verdoppelt werden.