DE1270603B

DE1270603B - Converter for analog pressure values into electrical analog values

Info

Publication number: DE1270603B
Application number: DEP1270A
Authority: DE
Inventors: Robert Edward Mahoney
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1963-12-31
Filing date: 1964-12-28
Publication date: 1968-06-20
Also published as: FR1419205A

Description

Wandler für analoge Druckwerte in elektrische Analogwerte Die Erfindung betrifft einen Wandler für analoge Druckwerte in elektrische Analogwerte mit einem als kreisförmige dünne Scheibe geschnittenen piezoelektrischen, in einer Vorrichtung eingespannten Kristall, der vorzugsweise aus Quarz besteht und nach der geometrischen Y-Achse und der Elastizitätsachse A orientiert ist und mittels einer Hebelanordnung in Durchmesserrichtung unter einem vorbestimmten Winkel zur Kristallachse X mit einer Kraft beaufschlagt wird und radiale Streifenelektroden trägt.Converter for analog pressure values into electrical analog values The invention relates to a converter for analog pressure values into electrical analog values with a Piezoelectric cut as a circular thin disk, in a device clamped crystal, which preferably consists of quartz and according to the geometric Y-axis and the elasticity axis A is oriented and by means of a lever arrangement in the diameter direction at a predetermined angle to the crystal axis X with a force is applied and carries radial strip electrodes.

In der Technik ist häufig die Aufgabe zu- lösen, eine analoge mechanische Kraft in die für eine Auswertung bzw. Weiterverarbeitung durch elektronische Einrichtungen geeignete Form eines entsprechenden elektrischen Signals umzuwandeln. Für diesen Zweck ist der bekannte piezoelektrische Effekt besonders geeignet. Bestimmte Kristalle haben nämlich die Fähigkeit, bei äußerer mechanischer Beanspruchung des Kristalls ein dieser entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen. Andere bekannte Methoden der Kraftmessung ermitteln die durch die mechanische Kraft hervorgerufene Änderung von magnetischen Eigenschaften. In technology, the task to be solved is often an analog mechanical Power in for an evaluation or further processing by electronic devices to convert appropriate form of a corresponding electrical signal. For this The known piezoelectric effect is particularly suitable for this purpose. Certain crystals namely have the ability to withstand external mechanical stress on the crystal to generate an electrical signal corresponding to this. Other known methods the force measurement determine the change caused by the mechanical force of magnetic properties.

So sind Druck- bzw. Kraftmeßeinrichtungen bekannt, bei denen der Druck bzw. die Kraft auf einen Piezokristall übertragen wird, der abhängig von den ihn beeinflussenden Größen seine Eigenschwingung ändert. Diese Eigenschwingung wird in einer Mischstufe mit einer von einem Frequenznormal erzeugten konstanten Frequenz überlagert und die kraftproportionale Änderung der Differenzfrequenz gemessen. So pressure or force measuring devices are known in which the Pressure or the force is transmitted to a piezo crystal, which depends on the its natural oscillation changes. This natural oscillation will in a mixer with a constant frequency generated by a frequency standard superimposed and the force-proportional change in the difference frequency is measured.

Diese bekannten Einrichtungen sind für Beschlennigungsmesser und für die Druckmessung von Flüssigkeiten ausgebildet, so daß deren analoge Druckwerte in elektrische Analogwerte umsetzende Wandler demnach einen auf den ganz speziellen Verwendungszweck abgestimmten Aufbau aufweisen. These known devices are for fog gauges and designed for the pressure measurement of liquids, so that their analog pressure values converters that convert electrical analog values into something very special Have a structure that is compatible with the intended use.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wandler für analoge Druckwerte in elektrische Analogwerte zu schaffen, dessen Aufbau nicht von einem speziellen Anwendungszweck her bestimmt ist und einen relativ einfachen und somit auch sehr funktionssicheren Aufbau aufweist, der darüber hinaus Gewähr für eine besondere Genauigkeit der Umwandlung bietet. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß die Hebel anordnung einen an seinen beiden Enden schneidengelagerten Hebel mit einer auf dem Kristall aufliegenden Schneide besitzt, dessen ein Ende in einem festen Lagerpunkt und dessen anderes Ende an dem Anker eines Elektromagneten gelagert ist, so daß die Analoggröße entweder als mechanische Kraft direkt dem Anker oder als Strom der Wicklung des Elektromagneten eingebbar ist. It is the object of the invention to provide a converter for analog pressure values in creating electrical analog values, the structure of which is not of a special one Purpose of use is determined and a relatively simple and therefore very has a functionally reliable structure, which also guarantees a special Conversion accuracy. The invention solves this problem in that the lever arrangement has a lever with a knife-edge mounted at both ends has an edge resting on the crystal, one end of which is in a solid Bearing point and the other end of which is mounted on the armature of an electromagnet, so that the analog quantity either as a mechanical force directly the anchor or as a current the winding of the electromagnet can be entered.

Es ist zwar eine Vorrichtung bekannt, bei der das eine Ende eines doppelarmigen Hebels als Anker eines Elektromagneten wirkt und das andere Ende einen Griffel trägt, der auf einem Halbleiterblock, der als Druckumformer dient, aufliegt. Abgesehen davon, daß die bekannte Vorrichtung keinen piezoelektrischen Kristall als Druckumformer vorsieht, ist der erfindungsgemäße Wandler genauer in seiner Wirkungsweise, da er mit einem schneidengelagerten Hebel ausgerüstet ist, der auch nur mit einer Schneide auf dem Druckumformer, d. h. auf dem Kristall aufliegt. Ferner erfordert die Hebelanordnung der bekannten Vorrichtung bei einem Auflagedruck ihres Griffels auf dem Druckumformer, der gleich ist dem Auflagedruck der Schneide des erfindungsgemäßen Wandlers auf dem Kristall, eine größere Magnetkraft bzw. eine größere Gesamthebellänge als der erfindungsgemäße Wandler. Dadurch ist der erfindungsgemäße Wandler räumlich kleiner bzw. kommt mit geringerem Erregerstrom für seinen Elektromagneten aus, was für viele Verwendungszwecke besonders vorteilhaft sein kann. Although there is a device known in which one end of a double-armed lever acts as an armature of an electromagnet and the other end one Carrying stylus, which rests on a semiconductor block that serves as a pressure transducer. Apart from the fact that the known device does not have a piezoelectric crystal provides as a pressure transducer, the converter according to the invention is more precise in its mode of operation, because it is equipped with a lever mounted on the cutting edge, which also only has one Cutting edge on the pressure transducer, d. H. rests on the crystal. Also requires the lever arrangement of the known device at a contact pressure of its stylus on the pressure transducer, which is equal to the contact pressure of the cutting edge of the invention Converter on the crystal, a greater magnetic force or a greater total lever length than the converter of the invention. As a result, the transducer according to the invention is spatial smaller or comes out with a lower excitation current for its electromagnet, what can be particularly advantageous for many uses.

Nach einer besonderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die Gebrauch macht von der bekannten Lehre, eine Differenzfrequenz in Digitalwerte durch laufende kurzzeitige Zählungen der Perioden umzuwandeln, sind die Streifenelektroden mit einem Oszillator verbunden, dessen Ausgangsfrequenz in einer Mischstufe mit einer von einem Frequenznormal erzeugten konstanten Frequenz überlagerbar ist, wobei die Kraft- bzw. stromproportionale Ende rung der Differenzfrequenz durch laufende kurzzeitige Zählungen der Perioden in Digitalwerte umwandelbar ist. Durch diese Ausführungsform der Erfindung ist der Wandler für die Umsetzung von Analog- in Digitalwerte verwendbar. According to a particularly advantageous embodiment of the invention, which makes use of the known teaching, a difference frequency in digital values The strip electrodes are to be converted by running short-term counts of the periods with a Oscillator connected, its output frequency in a Mixer stage with a constant frequency generated by a frequency standard can be superimposed is, the power or current proportional end tion of the difference frequency through current short-term counts of the periods can be converted into digital values. By this embodiment of the invention is the converter for the implementation of analog usable in digital values.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Streifenelektroden zum Zweck der Lieferung einer Bezugsfrequenz an einen Oszillator angeschlossen sind, dessen Ausgang mit einem Phasendetektor verbunden ist, an dessen zweitem Eingang die umzuwandelnden Digitalsignale mit einer gegebenen Eingangsfrequenz auftreten, dessen Ausgang der Größe und dem Vorzeichen der Frequenzdifferenz entsprechende Signale führt und an einen Gleichstromverstärker angeschlossen ist, dessen Ausgangsgleichstrom der Wicklung des Elektromagneten zugeführt wird, wobei bei einem Angeglichensein der Bezugsfrequenz an die Eingangsfrequenz dieser Strom den Analogwert darstellt. Diese Ausführungsform ermöglicht den Einsatz des erfindungsgemäßen Wandlers für die Umsetzung von Digital- in Analogwerte. Another embodiment of the invention provides that the strip electrodes are connected to an oscillator for the purpose of supplying a reference frequency, the output of which is connected to a phase detector at the second input the digital signals to be converted occur with a given input frequency, whose output corresponds to the size and sign of the frequency difference Signals and is connected to a DC amplifier whose output DC is fed to the coil of the electromagnet, being matched at one the reference frequency to the input frequency, this current represents the analog value. This embodiment enables the converter according to the invention to be used for the conversion of digital to analog values.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Ansprüchen zu entnehmen. Further features of the invention can be found in the claims.

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend an Hand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt F i g. 1 eine Vorderansicht des Wandlers, Fig.2 eine Draufsicht des in Fig.3. gezeigter Wandlers, F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1, F i g. 4 einen gegenüber F i g. 1 stark vergrößerten Schnitt des in dem Wandler nach F i g. 1 verwendeten Krafterzeugers, F i g. 5 ein Blockschaltbild eines mit dem Wandler nach F i g. 1 gebildeten Oszillators, F i g. 6 ein Blockschaltbild eines Analog- in Digitalwerte umsetzenden Wandlers und-Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Digital- in Analogwerte umsetzenden Wandlers. Details of the invention are given below with reference to in the figures illustrated embodiments described. It shows F i g. 1 is a front view of the transducer, Fig.2 is a plan view of the in Fig.3. shown converter, F i g. 3 one Section along the line 3-3 in Fig. 1, F i g. 4 one opposite FIG. 1 strong enlarged section of the in the transducer of FIG. 1 used power generator, F i g. 5 is a block diagram of one with the converter according to FIG. 1 formed oscillator, F i g. 6 shows a block diagram of a converter which converts analog values into digital values and-Fig. 7 shows a block diagram of a converter which converts digital into analog values.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wandlers zur Umsetzung der Analog- in Digitalwerte besteht aus einem durch die zu-messende mechanische Kraft beanspruchten piezoelektrischen Druckumformer, einer Oszillatorschaltung mit letzterem als kraftproportional frequenzbestimmenden Bestandteil und einer digitalen Auswerteschaltung für die druckportionale Oszillatorfrequenz. An embodiment of the converter according to the invention for implementation The analog to digital values consist of a mechanical value to be measured Force claimed piezoelectric pressure transducer, an oscillator circuit with the latter as a force-proportional frequency-determining component and a digital one Evaluation circuit for the pressure-proportional oscillator frequency.

Der Piezoumformer enthält einen -Spezialschwingkristall mit vollkommen linearer Kraft-Frequenz-Charakteristik. Es wurde festgestellt, daß eine Anzahl verschiedener Kristalltypen dann eine besonders gut lineare Abhängigkeit der Schwingfrequenz von der mechanischen Kraftbeanspruchung aufweisen, wenn die Abmessungen des Kristalls derart sind, daß angenähert die Schwingung einer unendlich großen Kristallplatte sich ergibt Diese Eigenschaft kreisscheibenförmiger Kristalle wurde bereits zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit.der Schwingungsfrequenz ausgenutzt, indem der Kristall einer temperaturproportionalen Kraft der genannten Art quer zu einer der Kristallachsen ausgesetzt wurde: Die Größe der Frequenz änderung des Kristalls in Abhängigkeit von der beanspruchenden Kraft ist stark von der Kraftrichtung im Verhältnis zur Kristallachse X abhängig. Die besten Ergebnisse liefern Quarzkristalle, die parallel zur geometrischen Y-Achse geschnitten und entweder zur A- oder B-Elastizitätsachse orientiert sind. Dabei sind gewisse Kompromisse zu schließen, denn obwohl andere Schnitte eine annähernd 2,5fache Frequenzänderung mit der Kraft aufweisen, ist ihnen der sogenannte A-Schnitt hinsichtlich der Unabhängigkeit von Temperaturschwankungen weit überlegen. Beispielsweise wurde mit letzterem bei Quarzsteuerungen von Sendern eine Frequenzkonstanz von 1 10-9 pro Tag und bei Quarzuhren eine solchevon 1 10-11 pro Tag erreicht. The piezo converter contains a special oscillating crystal with completely linear force-frequency characteristic. It has been found that a number of different Crystal types then have a particularly good linear dependence of the oscillation frequency on the mechanical stress when the dimensions of the crystal are such that approximately the vibration of an infinitely large crystal plate This property of circular disk-shaped crystals has already been used Compensation of the temperature dependence. Of the oscillation frequency exploited by the crystal of a temperature proportional force of the type mentioned transversely to a exposed to crystal axes: The size of the frequency change of the crystal depending on the applied force is strongly dependent on the direction of force im Relationship to the crystal axis X depends. Quartz crystals give the best results, which cut parallel to the geometric Y axis and to either the A or B elastic axis are oriented. Certain compromises have to be made, because although others Sections have an approximately 2.5-fold change in frequency with force is theirs the so-called A-section with regard to the independence from temperature fluctuations far superior. For example, the latter was used for quartz controls for transmitters a frequency constancy of 1 10-9 per day and for quartz watches a frequency of 1 10-11 reached per day.

Nach Fig. 1 bis 3 besteht der insgesamt mit 10 bezeichnete piezoelektrische Druckumformer aus einer rechteckigen Grundplatte 11, an deren einem Ende ein Ständer 12 befestigt ist. Letzterer hat zwei parallele, jochartig angeordnete Arme 13 und 14. According to FIGS. 1 to 3, the piezoelectric, designated as a whole by 10, consists Pressure transducer from a rectangular base plate 11, at one end of which a stand 12 is attached. The latter has two parallel, yoke-like arranged arms 13 and 14th

Die unteren, der Grundplatte zugekehrten Teile beider Arme bilden eine leicht gewölbte Auflagefläche 15 für einen geraden Hebel 16.Form the lower parts of both arms facing the base plate a slightly curved support surface 15 for a straight lever 16.

Dieser Hebel 16 hat rechteckigen Querschnitt und weist auf seiner Unterseite zwischen seinen Enden einen Teil 17 mit keil- oder schneidenförmigem Querschnitt auf. An einem Ende des Hebelsl6 ragen aus seinen beiden Seitenflächen zwei Schneidenlagerzapfenl8 und 19 vor, deren fluchtende Schneiden nach oben ragen und sich gegen die Auflageflächen 15 der beiden Arme 13 und 14 des Ständers 12 abstützen. Am anderen Ende hat der Hebel 16 auf der Oberseite eine gewölbte Vertiefung 20 quer zu seiner Längsrichtung, die als Auflagefläche für das nach unten drückende Schneidenpaar 33 eines Krafterzeugers 31 dient. An derselben Stelle hat der Hebel 16 außerdem eine senkrechte rechteckige Öffnung 21, durch welche ein die Kraft auf die Schneiden 33 übertragender Anker 32 frei hindurchragt. This lever 16 has a rectangular cross-section and has on its Underside between its ends a part 17 with a wedge-shaped or blade-shaped Cross-section on. At one end of the lever 16 protrude from its two side surfaces two cutting-edge bearing journals 8 and 19, whose aligned cutting edges protrude upwards and are supported against the bearing surfaces 15 of the two arms 13 and 14 of the stand 12. At the other end, the lever 16 has a curved recess 20 transversely on the top to its longitudinal direction, which acts as a support surface for the pair of cutting edges that press down 33 of a force generator 31 is used. In the same place, the lever 16 also has a perpendicular rectangular opening 21 through which the force on the cutting edge 33 transmitting armature 32 protrudes freely.

Der Wandler 10 weist, wie weiter oben ausgeführt wurde, einen kreisförmigen Quarzkristall 22 mit einer konzentrischen kreisförmigen Öffnung23 auf. Das Verhältnis Durchmesser zu Dicke dieses Kristalls übersteigt den Wert 60. Dünne bandförmige Elektroden 24 und 25, die vom äußeren bis zum inneren Rand reichen, sind auf jeder Seite der Kristallscheibe 22 radial befestigt. Von ihnen führen Zuleitungen 26 und 27 zu äußeren Anschlußklemmen 28 und 29 auf der Grundplatte 11. Ein Halteblock30 ist auf der Grundplatte unterhalb des Schneidenteils 17 des Hebels 16 befestigt und weist quer zur Grundplatte einen Schlitz auf, der den unteren Rand der Kristallscheibe 22 umfaßt und diese in senkrechter Lage so festhält, daß ihre Achse parallel zu den Mittellinien der Grundplatte und des Hebels und mit diesen in einer senkrechten Ebene liegt (s. Fig.2). Die Schneide 17 des Hebels 16 übt dann auf den oberen Rand der Kristallscheibe 22 eine senkrechte Druckkraft in Durchmesserrichtung aus, die um das Hebelverhältnis des Hebels größer ist als die vom Krafterzeuger31 auf das Ende des Hebels 16 ausgeübte. As explained above, the transducer 10 has a circular shape Quartz crystal 22 with a concentric circular opening 23. The relationship Diameter to thickness of this crystal exceeds 60. Thin ribbon-shaped Electrodes 24 and 25 extending from the outer to the inner edge are on each Side of the crystal disk 22 attached radially. From them lead leads 26 and 27 to external terminals 28 and 29 on the base plate 11. A holding block30 is attached to the base plate below the cutting part 17 of the lever 16 and has a slot transversely to the base plate which forms the lower edge of the crystal disc 22 includes and holds this in a vertical position so that its axis is parallel to the center lines of the base plate and the lever and with them in a vertical line Level (see Fig. 2). The cutting edge 17 of the lever 16 then exercises on the upper edge of the crystal disk 22 from a perpendicular compressive force in the diameter direction, the by the lever ratio of the lever is greater than that of the force generator31 on the End of the lever 16 exerted.

Zu den für eine gute Wirksamkeit des Kristalls 22 einzuhaltenden genannten Bedingungen hinsichtlich der Lage der Kristallachsen und der Dicke der Kristallscheibe kommt noch eine weitere bezüglich der Richtung der von der Schneide 17 ausgeübten Kraft im Verhältnis zur Kristallachse X. In der genannten Art optimal geschnittene Quarzkristallscheiben 22 liefern bei einem bestimmten Winkel os zwischen Kraftrichtung und X-Achse nach F i g. 3 eine maximale positive Frequenzänderung in Abhängigkeit von der Kraft und bei einem anderen Winkel ov' eine maximale negative Frequenzänderung, während bei einem zwischen beiden Werten liegenden Winkel keine kraftabhängige Frequenzänderung auftritt. Unter positiver Frequenz änderung wird dabei eine Frequenzzunahme mit wachsender Druckkraft verstanden, unter negativer Frequenzänderung eine dementsprechende Frequenzabnahme. Bei den genannten Kristallorientierungen zu den Elastizitätsachsen A und B haben Quarzscheiben eine größere positive als negative maximale Frequenzänderung. To those to be observed for a good effectiveness of the crystal 22 mentioned conditions with regard to the position of the crystal axes and the thickness of the Crystal disk comes another one regarding the direction of the from the cutting edge 17 exerted force in relation to the crystal axis X. In the above Art Optimally cut quartz crystal disks 22 provide at a certain angle os between the direction of force and the X-axis according to FIG. 3 a maximum positive frequency change depending on the force and at a different angle ov 'a maximum negative Frequency change, while at an angle lying between the two values none force-dependent frequency change occurs. Under positive frequency change will an increase in frequency with increasing compressive force is understood as a negative one Frequency change means a corresponding decrease in frequency. With the mentioned crystal orientations Quartz disks have a greater positive than for the elasticity axes A and B negative maximum frequency change.

Der optimale Winkel beträgt dann etwa 200.The optimal angle is then about 200.

Der Krafterzeuger 31 besteht nach F i g. 1 und 4 beispielsweise aus einem zylindrischen Anker 32 aus magnetisierbarem Material mit einem konischen unteren Ende und dem schon erwähnten T-förmig nach beiden Seiten vorspringenden Schneidenpaar 33 am oberen Ende. Wie in der Schnittzeichnung F i g. 4 deutlich sichtbar ist, wird der Anker 32 von einem Elektromagneten 34 nach unten gezogen, der seinerseits in einem Spulenkörper 36 mit einer Wicklung35 und Zuleitungen43 einen Spulenkern enthält, dessen konische Bohrung 37 am oberen Ende dem unteren konischen Ankerende entspricht und dieses bei Erregung der Wicklung anzieht. Ein Halter 38 verbindet den Elektromagneten 34 so mit der Grundplatte 11, daß zwischen dem Anker 32 und dem Spulenkern 37 ein kleiner Luftspalt verbleibt, wenn der Hebel 16, der ein einarmiger ist, sich an den Armen 13, 14 des Ständers 12 abstützend durch die Feder 39 mit der Schneide 17 den Kristall 22 belastet. The force generator 31 consists according to FIG. 1 and 4, for example a cylindrical armature 32 made of magnetizable material with a conical bottom End and the already mentioned T-shaped pair of blades protruding on both sides 33 at the top. As in the sectional drawing F i g. 4 is clearly visible the armature 32 is pulled down by an electromagnet 34, which in turn is in a bobbin 36 with a winding35 and leads43 contains a bobbin, whose conical bore 37 at the upper end corresponds to the lower conical anchor end and this attracts when the winding is excited. A holder 38 connects the electromagnet 34 so with the base plate 11 that between the armature 32 and the coil core 37 a small air gap remains when the lever 16, which is a one-armed, is on the arms 13, 14 of the stand 12 supported by the spring 39 with the cutting edge 17 loaded the crystal 22.

Durch die Feder 39 wird dem Kristall eine solche Vorbelastung erteilt, daß er auch dann im linearen Teil seiner Charakteristik arbeitet, d. h. seine Belastung ihre Richtung beibehält und nur ihre Größe ändert, wenn die vom Krafterzeuger 31 auf den Hebel 16 ausgeübte Kraft zu Null wird, oder - bei entsprechend abgewandelter Konstruktion - ihre Richtung umkehrt. Dementsprechend rufen bei Verwendung des Kristalls 22 als frequenzbestimmendes Schaltelement eines Oszillators auch durch einen geeigneten Krafterzeuger 31 auf den Hebel 16 wirkende Kräfte verschiedenen Vorzeichens äquivalente Frequenzänderungen um eine mittlere, der Kraft Null zugeordnete Bezugsfrequenz hervor. The spring 39 gives the crystal such a preload, that it also works in the linear part of its characteristic, d. H. his burden maintains its direction and only changes its size when the force generator 31 The force exerted on the lever 16 becomes zero, or - with a correspondingly modified one Construction - reversing its direction. Call accordingly when using the crystal 22 as a frequency-determining switching element of an oscillator also by a suitable one Force generator 31 acting on the lever 16 forces of different signs are equivalent Frequency changes around a mean reference frequency assigned to the force zero.

Nach F i g. 5 gehören zur Erzeugung von Frequenzänderungen proportional zu Belastungsänderungen des Quarzkristalls des beschriebenen Druckumformers 10 ein von letzterem frequenzgesteuerter Oszillator 40, ein Trennverstärker 41 und eine automatische Regelschaltung42 für die Ausgangsspannung. Obwohl der Oszillator beliebige Form haben kann, erscheint ein mit der Kristall-Serienresonanz arbeitender Halbleiterkreis am günstigsten. Durch den Trennversärker, die Ausgangsregelung und auch durch eine genaue Temperaturregelung werden Meßbereich und Empfindlichkeit der Anordnung vergrößert. According to FIG. 5 are proportional to the generation of frequency changes to load changes on the quartz crystal of the pressure transducer 10 described of the latter frequency-controlled oscillator 40, an isolation amplifier 41 and a automatic control circuit42 for the output voltage. Although the oscillator is arbitrary Can have shape, appears a semiconductor circuit working with the crystal series resonance the cheapest. By the isolating amplifier, the output regulation and also by a precise temperature control, the measuring range and sensitivity of the arrangement are increased.

In denjenigen Fällen, wo die in proportionale Frequenzen bzw. Digitalform umzusetzende veränderliche analoge Größe bereits in Form elektrischer Signale vorliegt oder aus anderen Gründen in solche umgewandelt wurde, wird das elektrische Signal über die Leitungen 43 der Wicklung 35 des Krafterzeugers 31 zugeführt. Das Signal erzeugt dann eine entsprechende magnetische Anziehungskraft auf den Anker 32 und über den Hebel 16 eine proportionale Druckkraft auf den Schwingkristall 22. In those cases where the in proportional frequencies or digital form The variable analog variable to be converted is already available in the form of electrical signals or otherwise converted into such, the electrical signal The winding 35 of the force generator 31 is supplied via the lines 43. The signal then generates a corresponding magnetic attraction force on the armature 32 and A proportional pressure force is exerted on the oscillating crystal 22 via the lever 16.

Die ganze Kraft-Umsetzer-Anordnung arbeitet dann im wesentlichen als Meßeinrichtung für kleine elektrische Ströme.The whole force converter arrangement then works essentially as a Measuring device for small electrical currents.

Der Druckumformer 10 kann in ähnlicher Form wenn z. B. die Feder 39 nicht am Hebel 16, sondem durch eine Bohrung des Spulenkerns hindurch am unteren Ende des Ankers 32 angreift - auch unmittelbar zur Messung mechanischer Kräfte oder Beschleunigungen dienen, die längs der Ankerachse wirken. The pressure transducer 10 can in a similar form if, for. B. the spring 39 not on the lever 16, but through a hole in the coil core at the bottom Attacks the end of the armature 32 - also directly to measure mechanical forces or Serve accelerations that act along the armature axis.

Wenn die Vorspannung der Feder 39 so eingestellt ist, daß der auf den Kristall 22 im Ruhezustand wirkende Druck eine mittlere Oszillatorfrequenz 1o hervorruft, so wird durch eine am Anker 32 in dessen Achsrichtung wirkende Kraft bzw. Beschleunigung eine Oszillatorfrequenz 1o + df erzeugt, wobei df die der Kraft bzw. Beschleunigung entsprechende Frequenzänderung ist. When the bias of the spring 39 is set so that the on the pressure acting on the crystal 22 in the state of rest has a mean oscillator frequency 1o is caused by a force acting on the armature 32 in its axial direction or acceleration generates an oscillator frequency 1o + df, where df is that of the force or acceleration is corresponding frequency change.

Für letztere gilt die Beziehung A f = k a, wenn a die wirksame Kraft (bzw. Beschleunigung ma bei m = Ankermasse) und k ein Proportionalitätsfaktor ist. Die Richtung der Kraft bzw. Beschleunigung entspricht dann der Richtung der Frequenzänderung 1 d f gegenüber der mittleren Frequenz f0. For the latter, the relationship A f = k a applies, if a is the effective force (or acceleration ma with m = anchor mass) and k is a proportionality factor. The direction of the force or acceleration then corresponds to the direction of the frequency change 1 d f compared to the mean frequency f0.

Fig.6 zeigt das Blockschaltbild eines Wandlers für die Umsetzung von Analog- in Digitalwerte. Die laufend in ein elektrisches Digitalsignal umzuwandelnde analoge mechanische Kraft oder das einer solchen oder einer anderen umzuwandelnden physikalischen Größe entsprechende elektrische Analogsignal wird der vorstehend beschriebenen Anordnung nach F i g. 5 zugeführt, die als Block 48 in Fig. 6 rechts dargestellt ist. Sie erzeugt ein amplitudengeregeltes Oszillator-Ausgangssignal mit der Frequenz fl + df, wo fi die mittlere Frequenz ist. Die Ausgangsfrequenz wird in einem Mischer 44 mit einer zweiten Frequenz f2 überlagert, die von einem geeigneten Frequenznormal 45 geliefert wird. 6 shows the block diagram of a converter for the implementation from analog to digital values. The current to be converted into an electrical digital signal analog mechanical force or that of such or another to be converted analog electrical signal corresponding to the physical quantity is the above described arrangement according to FIG. 5 supplied as block 48 in FIG. 6 on the right is shown. It generates an amplitude-controlled oscillator output signal with the frequency fl + df, where fi is the mean frequency. The output frequency is superimposed in a mixer 44 with a second frequency f2 that of a suitable frequency standard 45 is supplied.

Dadurch entsteht am Mischerausgang ein Signal (!i - J2) t d f, dessen prozentuale Frequenzänderung sehr viel größer gemacht werden kann als die des Eingangssignals und daher zur laufenden Umwandlung in Ziffernwerte besser geeignet ist. Diese Umwandlung erfolgt in bekannter Weise durch zu beliebigen Zeitpunkten wiederholte Frequenzzählung mittels elektronischen Zählwerks während gleicher kurzer Zeiträume, die z. B. jeweils durch eine bestimmte, elektronisch gezählte Anzahl von Perioden des Frequenznormals 45 festgelegt werden, und ist daher in F i g. 6 nicht mehr dargestellt.This creates a signal (! I - J2) t d f at the mixer output, whose percentage frequency change can be made much larger than that of the input signal and is therefore more suitable for ongoing conversion into numerical values. This transformation takes place in a known manner by frequency counting repeated at any time by means of electronic counter during the same short periods of time, the z. B. each by a certain, electronically counted number of periods of the frequency standard 45, and is therefore shown in FIG. 6 no longer shown.

Die Anordnung nach F i g. 5 mit dem Druckumformer 10 ist auch umgekehrt für die Umsetzung von Digital- in Analogwerte verwendbar in einer Schaltung, deren Blockschaltbild Fig.7 zeigt. Die als Impulszug entsprechender Frequenz gegebenen und in ein analoges Gleichstromsignal umzuwandelnden Digitalsignale werden in einem Phasendetektor46 bekannter Art mit einer variablen Bezugsfrequenz J0 verglichen, die von der beschriebenen Anordnung 48 nach Fig. 5 geliefert wird. Der Phasendetektor 46 erzeugt ein hinsichtlich Größe und Vorzeichen der Phasendifferenz f - 1o entsprechendes Gleichstromsignal, das einen Gleichstromverstärker 47 steuert. Dessen Ausgangsgleichstrom wird der Elektromagnetwicklung 35 der Anordnung 48 derart zugeführt, daß seine Frequenz, der Eingangsfrequenzf angeglichen, also die durch den Phasendetektor 46 ermittelte Phasendifferenz selbsttätig auf Null verkleinert wird. Wenn die Bezugsfrequenz 1o derart auf den augenblicklichen Wert 1 des Digitalsignals eingeregelt ist, stellt dann der Gleichgewichtswert des der Anordnung48 zugeführten Erregergleichstroms i für die Wicklung 35 den gesuchten äquivalenten Analogwert dar. The arrangement according to FIG. 5 with the pressure transducer 10 is also reversed Can be used for converting digital to analog values in a circuit whose Block diagram Fig.7 shows. The given frequency as a train of pulses and digital signals to be converted into an analog DC signal are integrated into a Phase detector46 of a known type compared with a variable reference frequency J0, which is supplied by the described arrangement 48 of FIG. The phase detector 46 generates a phase difference f − 1o corresponding to the magnitude and sign of the phase difference f − 1o DC signal, which controls a DC amplifier 47. Its output direct current becomes the Electromagnet winding 35 of the arrangement 48 supplied in such a way that its frequency, adjusted to the input frequency f, that is to say the one determined by the phase detector 46 Phase difference is automatically reduced to zero. If the reference frequency is 1o is adjusted to the instantaneous value 1 of the digital signal in this way then the equilibrium value of the direct excitation current supplied to the arrangement 48 i represents the equivalent analog value sought for winding 35.

Claims

Claims: 1. Converter for analog pressure values into electrical ones Analog values with a piezoelectric, cut as a circular thin disk, in a device clamped crystal, which is preferably made of quartz and is oriented according to the geometrical Y-axis and the elasticity axis A and by means of a lever arrangement in the diameter direction at a predetermined angle a force is applied to the crystal axis X and radial strip electrodes carries, thereby gekeunz ei c h ne t that the lever arrangement (12, 14, 10, 32) one at both ends of the knife-bearing lever (10) with one on the crystal (22) has the cutting edge (17) resting on it, one end of which is in a fixed bearing point (14) and its other end mounted on the armature (32) of an electromagnet (34) is so that the analog variable either directly to the armature or as a mechanical force can be entered as the current of the winding (35) of the electromagnet (34).

2. Converter according to claim 1 for the conversion of analog into digital values, characterized in that the strip electrodes (24, 25) with an oscillator (40) are connected, the output frequency of which in a mixer (44) with a from a frequency standard (45) generated constant frequency can be superimposed and the Force or current proportional change in the differential frequency through ongoing short-term Counts of the periods can be converted into digital values.

3. Converter according to claim 1 for the conversion of digital to analog values, characterized in that the strip electrodes (24, 25) are for delivery purposes a reference frequency (fo) are connected to an oscillator (40), the output of which is connected to a phase detector (46), at the second input of which is to be converted Digital signals with a given input frequency (f) occur, its output the size and the sign of the frequency difference leads corresponding signals and is connected to a direct current amplifier (47) whose output direct current is fed to the winding (35) of the electromagnet (34), being matched the reference frequency (fo) to the input frequency (f) this current the analog value represents.

4. Converter according to claim 1, characterized in that on the with the end of the lever (10) connected to the electromagnet (34) one in the direction of the tensile force of the electromagnet (34) acting spring (39) for the purpose of generating a pretensioning force attacks.

5. Converter according to claim 2 or 3, characterized in that the Frequency of the oscillator (40) is amplitude stabilized.

6. Converter according to claim 1, characterized in that the angle between the cutting edge (17) resting on the crystal (22) and the crystal axis X 200 is.

Documents considered: French patent specification No. 1,341,902; British Patent No. 861,325; U.S. Patent No. 2,669,877; SEG-Nachrichten, 1958, Issue 1, pp. 1 to 63.