DE1766781B1

DE1766781B1 - Verfahren zur digitalen quadrierung des quotienten aus einer unbekannten messfrequenz einer eieltrischen spannung und einem konstanten vorgewaehlten wert einer grundfrequenz und vorrich tung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE1766781B1
Application number: DE19681766781
Authority: DE
Inventors: Walter Wirth
Original assignee: August Sauter KG
Current assignee: August Sauter KG
Priority date: 1968-01-08
Filing date: 1968-07-18
Publication date: 1971-08-05
Also published as: AT293048B; FR2000062A1; GB1229240A; NL6900253A; CH464549A; US3565193A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen doch mit um den Faktor ¹J_n verminderter Folgefrequenz Quadrierung des Quotienten aus einer unbekannten zugeführt werden, wobei m eine der Zahl η mindestens Meßfrequenz f_x einer elektrischen Spannung und einem annähernd gleiche Zahl ist, und daß nach gleichzeitikonstanten vorgewählten Wert einer Grundfrequenz gem Zählbeginn mit allen drei Zählern beim dritten fx₀ mittels elektrischer Impulszähler und mit Hilfe 5 Zähler von dem ersten Zählzeitabschnitt auf den einer vorgewählten konstanten Bezugsfrequenz f₀ zweiten Zählzeitabschnitt geschaltet wird, wenn die einer elektrischen Spannung, wobei die Meßfrequenz Bezugsimpulse I₀ des zählenden zweiten Zählers einen innerhalb eines Bereichs zwischen Grundfrequenz f_xo vorgegebenen, dem «-fachen einer frei gewählten Kon- und dem Wert η · f_xo liegen kann. Die Erfindung be- stante K gleichen Zählwert Zz gezählt hat, und der die trifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung eines io Meßimpulse I_x zählende erste Zähler abgeschaltet solchen Verfahrens. wird, wenn der dritte Zähler einen dem (n — l)-fachen

Bei einer vergleichbaren bekannten Vorrichtung der gewählten Konstante K gleichen Zählwert Zst (britische Patentschrift 916 110) wird die Quadrierung gezählt hat, worauf der erste Zähler eine Impulszahl Zm eines Frequenzverhältnisses dadurch umgangen, daß anzeigt, welche mindestens annähernd gleich dem durch entsprechende Wahl der Belastung der die 15 Produkt aus der Konstanten K und dem Quadrat des Meßfrequenz liefernden Meßseite und der die Bezugs- Frequenzverhältnisses Q der Frequenzen F_x und Fx₀ frequenz liefernden Bezugsseite bzw. entsprechender ist, wobei die Genauigkeit um so größer ist, je kleiner Parameter auf Umwegen eine dem anzuzeigenden der Meßbereich und je größer die Übereinstimmung Gewicht entsprechende Zählanzeige erreicht wird. von η mit m ist.

Die praktische gerätemäßige Realisierung dieser 20 Zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfmdungs-Umweglösung ist recht kompliziert. gemäß eine Vorrichtung vorgesehen, die sich dadurch

Nun kommt es aber in der Meßtechnik häufig vor, auszeichnet, daß bei einer Anordnung von drei Zähdaß der Zahlenwert einer physikalischen Größe lern der Eingang eines durch einen Ausschaltimpuls indirekt über das Verhältnis zweier Frequenzwerte abstellbaren ersten Zählers (»Meßzähler«) an den Auseines Oszillators mit veränderlicher Schwingfrequenz as gang eines die Folge von Meßimpulsen I_x erzeugenden bestimmt, wobei der eine Frequenzwert, die Meß- Impulsgenerators angeschlossen ist, der Eingang eines frequenz, dem Zahlenwert der zu messenden Größe beim Erreichen eines voreingestellten Zählwerts einen und der andere Frequenzwert, die Grundfrequenz, der Steuerimpuls abgebenden zweiten Zählers (»Zeit-Einheit für diese Größe proportional ist. Der Oszillator zähler«) an den Ausgang eines die Folge von Bezugsist dabei eine Schwingungen erzeugende Einrichtung, 30 impulsen I₀ erzeugenden Impulsgenerators angeschlosderen Schwingungsfrequenz durch die zu messende sen ist und der Eingang eines beim Erreichen eines vorGröße beeinflußbar ist. Besonders günstig sind Ein- eingestellten Zählwerts den Ausschaltimpuls für den richtungen, bei denen das Frequenzverhältnis eine ersten Zähler abgebenden dritten Zählers (»Steuerlineare Funktion des Zahlenwertes der Größe ist. zähler«) nach Maßgabe einer durch den Steuerimpuls Häufig müssen jedoch Einrichtungen verwendet wer- 35 des zweiten Zählers gesteuerten Umschaltvorrichtung den, bei denen der Zahlenwert der Größe durch die entweder (erster Zählzeitabschnitt) mit den Ausgängen Quadratwurzel eines Frequenzverhältnisses gegeben der beiden Impulsgeneratoren über eine Mischstufe, ist. Das kann eine Folge der Tatsache sein, daß kein welche von den einlaufenden Impulsen nur die über anderer Oszillator zur Verfügung steht oder daß die Meßimpulse I_x überzähligen Bezugsimpulse zur gerade eine solche Einrichtung besondere Vorteile 40 Zählung durchläßt, oder (zweiter Zählzeitabschnitt) bietet. Eine solche Einrichtung ist beispielsweise eine mit dem Ausgang des die Bezugsimpulse erzeugenden schwingende Seite, bei der die Schwingungsfrequenz Generators über einen nur jeden m-ten der einlaufenbekanntlich zur Quadratwurzel der auf sie einwirkenden den Impulse zur Zählung durchlassenden Frequenz-Zugspannung proportional ist. Solche Verhältnisse teiler verbunden ist, wobei die Schaltung der Zähler treten beispielsweise bei Saitenwaagen auf, bei denen 45 und des Umschalters einen Einschaltkreis enthält, das Gewicht des zu wiegenden Gegenstandes aus dem durch welchen der Umschalter in eine Ausgangs-Verhältnis der Schwingungsfrequenz bei belasteter stellung bringbar und ein gleichzeitiger Zählbeginn an und unbelasteter Seite zu ermitteln ist. allen drei Zählern auslösbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es bei derartigen meß- Für die Meßtechnik und beispielsweise für die Antechnischen Problemen eine einfache und direkte 50 zeige bei Saitenwaagen erhält man auf diese Weise ein Auswertung durch digitale Quadrierung zu ermög- recht einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichlichen. tung zur digitalen Quadrierung des Quotienten der

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- beiden Frequenzen und damit das unmittelbare Erlöst, daß eine Folge elektrischer Meßimpulse I_x mit gebnis des Meßvorganges, der beispielsweise ein einer zur Meßfrequenz f_x proportionalen Meßimpuls- 55 Wägevorgang sein kann. Dabei ist es nicht erforderfrequenz F_x erzeugt wird und die Meßimpulse I_x lieh, für den Meßvorgang auf Parameter od. dgl. Einzwecks Zählung einem ersten Zähler (»Meßzähler«) fluß zu nehmen. Es ist vielmehr möglich, das Verfahzugeführt werden, daß daneben eine Folge elektrischer ren mit Hilfe der vorgeschlagenen elektronischen Vor-Bezugsimpulse I₀ erzeugt wird, deren Frequenz F₀ um richtung oder einer anderen Vorrichtung dieser Art das η-fache größer als die zur Frequenz f_xo gleicher- 60 selbsttätig durchzuführen. Dadurch wird der Bemaßen proportionale Grundfrequenz F_xo ist, und die dienungsaufwand vereinfacht und überdies das Er-Bezugsimpulse I₀ zwecks Zählung einem zweiten gebnis schon nach kurzer Zeit erhalten. Bei Anwen-Zähler (»Zeitzähler«) zugeführt werden, daß zur Zäh- dung auf Wägevorgänge ist für die Auswertung in der lung einem dritten Zähler (»Steuerzähler«) während elektronischen Vorrichtung erforderliche kurze Zeit eines ersten Zählzeitabschnitts jeweils die über die 65 von Vorteil, da damit die Arbeitszeit bei Reihen-Anzahl der Meßimpulse I_x überzähligen Bezugs- wägungen z. B. im Labor verkürzt wird und das impulse I₀ und während eines anschließenden zweiten Wägesystem beispielsweise auch für im Geschäfts-Zählzeitab Schnitts Impulse der Bezugsimpulsfolge, je- verkehr eingesetzte Waagen Verwendung finden kann,

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bei denen das Ergebnis der Wägung schon unmittelbar also ohne irgendeine Untersetzung über einen Waag-

nach dem Auflegen des Wiegegutes zur Verfügung hebel gewogen werden soll. Um die beiden Saiten zu

stehen muß. ungedämpften Schwingungen anzuregen, ist ihnen je-

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Aus- weils ein Erregerkopf 5 bzw. 6 zugeordnet. Die Erführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Messen von 5 regerköpfe 5 und 6 sind gleichzeitig als Frequenz-Kräften, insbesondere von Gewichten an Hand der fühler ausgebildet und werden von Verstärkern 7 und 8 Zeichnung erläutert. Die einzige Figur stellt sehe- durch Rückkopplung dauernd in der Frequenz der matisch eine Saitenwaage mit nachgeschalteter Vor- Saitenschwingungen erregt. Jeder Verstärker 7, 8 lierichtung zur digitalen Quadrierung des Quotienten fert an seinem Ausgang eine Wechselspannung, deren zweier Frequenzwerte dar. io Frequenz gleich der Frequenz der zugehörigen Saite

Bei einer Saitenwaage wird bekanntlich das Gewicht ist. Am Ausgang der Verstärker 7 und 8 sind z. B. Imeines zu wiegenden Gegenstandes aus der Frequenz pulsgeneratoren 9 bzw. 10 angeschlossen, die bei der durch den Gegenstand gespannten und zum jedem Nulldurchgang der an ihren Eingang gelegten Schwingen angeregten Saite ermittelt. Die Saite steht Wechselspannung einen kurzen Impuls großer Amhierbei unter einer Vorspannung P, welche durch den 15 plitude abgeben. Die positiven Impulse folgen dabei konstruktiven Aufbau der Waage gegeben und als mit der Frequenz der Wechselspannung aufeinander, praktisch konstant anzusehen ist. Die bei belasteter die negativen Impulse ebenso. Durch geeignete Schal-Waage durch das Gewicht des zu wiegenden Gegen- tungen kann hierbei erreicht werden, daß für jede Standes hervorgerufene Zusatzspannung L der Saite Periode der zugeführten Wechselspannung zwei z. B. wird zweckmäßig in Vielfachen von P (als Einheit) aus- 20 positive Impulse erhalten werden, daß also eine Fregedrückt, d. h. L — xP. Die Grundfrequenz der Saite quenzverdopplung auftritt. Eine solche Frequenzbei Vorspannung allein sei f_xo und die Meßfrequenz Verdopplung ermöglicht ein doppelt so feines Aufder zusätzlich durch das zu wiegende Gewicht be- lösungsvermögen der Meßeinrichtung oder, sofern lasteten Saite f_x. Für f_x erhält man darauf kein Wert gelegt wird, eine auf die Hälfte ver- i __ f i/T jT~ ²⁵ kürzte Meßzeit. Die Erregerköpfe 5, 6, Verstärker 7, 8 Jx — Jxo · y ι + x- _un(j Inipulsgeneratoren 9,10 können bekannter Bauart

Die Schwingungen der Saite können mittels Zähler sein und bedürfen deshalb keiner weiteren Erläute-

gezählt werden. Werden volle Schwingungen der be- rungen.

lasteten Saite gezählt, so zeigt der Zähler nach einer Am Ausgang des der Bezugssaite 3 zugeordneten

Zeit t den Zählwert 30 Impulsgenerators 9 erseheint demnach eine Bezugs-

₇ _ _f f _ , f -i/i , impulsfolge I₀, deren Frequenz F₀ der Frequnz /₀ der

■" — ί * J # —' * * J Xn I/ J- ~T~ «j ei · 1 * · λ · /λ · τ—ι

¹ Saitenschwingung proportional ist (bei Frequenz-

und X = LjP kann aus der Zähleranzeige errechnet Verdoppelung: F₀ = 2/₀). Am Ausgang des der Meßwerden. Vorzuziehen ist jedoch eine direkte Anzeige saite 2 zugeordneten Impulsgenerators 8 erscheint bei von x. Zu dieser direkten Anzeige gelangt man über 35 unbelasteter Waagschale 4 eine Folge von »Grund«- eine digitale Quadrierung des Frequenzverhältnisses Impulsen I_xo der Grundfrequenz F_xo und bei belasteter fxlfxoi denn Waagschale eine Meßimpulsfolge I_x der Meßfrequenz (fxlfxo)² — (1 + ^x) · F_x, wobei diese beiden Frequenzen F_x und F_xo wiederum den Frequenzen f_x und f_xo der Saitenschwin-

Die Zähleranzeige Zm wird proportional zu (1 + x), 40 gungen bei belasteter und unbelasteter Waagschale

wenn die Zählzeit um den Faktor proportional sind.

γ-ζ Die Bezugsimpulse/₀ werden einem Zeitzähler 11 I und gleichzeitig einem Tor zugeführt, das eine Umverlängert wird. Dann erhält man schaltvorrichtung 12 darstellt. Der Zeitzähler 11 kann 7 _ ΐ/ΤΤΊτ f — f (Λ -χ. λ 45 ein üblicher Zähler mit Voreinstellung sein, der beim Ati-i, |/ ι- ^Λ · Jx - t ■ /zo · U -r- x) ■ Erreichen der Voreinstellung einen Steuerimpuls ab-Da f_xo die Frequenz der Saite bei der Vorspannung P gibt.

und damit für die Waage eine Konstante und die Zähl- Die Umschaltvorrichtung 12 hat zwei Ausgänge »0«

zeit / beliebig wählbar ist, kann man dafür sorgen, daß und »1« und wird von einem vom Zeitzähler 11 ab-

t · f_xo eine einfache Zahl K, z. B. 10 000 ist, wobei der 50 gegebenen Steuerimpuls so gesteuert, daß die seinem

Überschuß des Zählwerts Zm über diese einfache kon- Eingang A zugeführten Bezugsimpulse I₀ normaler-

stante Zahl K, der durch einen elektronischen Zähler weise an den Ausgang »1« und beim Auftreten eines

od. dgl. zählbar ist, proportional χ wird: Steuerimpulses bis zum Ausschalten an den Ausgang»0«

X-(Z — K)IK gegeben werden. An den Ausgängen »0« und »1« der

55 Umschaltvorrichtung 12 sind eine als Mischstufe 13

Die Figur zeigt auf einem im Waagengehäuse be- bezeichnete Torschaltung bzw. ein Frequenzteiler 14

findlichen Träger 1 aufgehängt eine Meßsaite 2 und angeschlossen.

eine Bezugssaite 3. Die Bezugssaite ist durch ein Die Mischstufe 13 weist zwei Eingänge C und D auf. Spanngewicht 20 gespannt, so daß sie bei Erregung Am Eingang C liegt der Ausgang »1« der Umschaltmit einer konstanten Frequenz /₀ schwingt. Die Meß- 60 vorrichtung 12, und dem zweiten Eingang D sind die saite 2 trägt an ihrem unteren Ende ein Spanngewicht »Last«-Impulse / des Impulsgenerators 10 zugeführt. 19 mit einer Waagschale 4, auf die der zu wiegende Die Mischstufe 13 hat zwei Ausgänge »0« und »1«, wo-Gegenstand G aufzulegen ist. An Stelle der Waag- bei der Ausgang »0« an einem Steuerzähler 15 anschale kann an der Saite auch das Abtriebsende eines geschlossen ist.

Waagbalkens od. dgl. befestigt sein, der zu einer 65 Ein dem Eingang D der Mischstufe 13 zugeführter

Waage üblicher Bauart gehört. »Last«-Impuls I_x stellt die Torschaltung auf die Po-

Im folgenden soll der Einfachheit halber angenom- sition »1«, und jeder dem Eingang C zugeführte Be-

men sein, daß das Gewicht des Gegenstandes G direkt, zugsimpuls I₀ stellt die Mischstufe 13 auf Position »0«.

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Steht die Mischstufe 13 auf Position »0« und kommt sich eine ins einzelne gehende Beschreibung derselben ein weiterer Bezugsimpuls an, so wird dieser Bezugs- erübrigt.

Impuls an den Steuerzähler 15 weitergegeben. Die Frequenz /„ der Bezugssaite 3 bestimmt den

Auf diese Weise gibt die Mischstufe 13 von den Be- Meßbereich der Meßeinrichtung. Die unbelastete zugsimpulsen /„ nur die über die Impulse I_x der »Last«- 5 Meßsaite 2 schwingt in der Grundfrequenz f_xo und Impulsfolge überzähligen Bezugsimpulse weiter, d. h. die belastete Meßsaite in der größeren »Last«-Frean seinem Ausgang »0« erscheint eine Impulsfolge der quenz f_x. Die Meßfrequenz f_x liegt in einem Meß-Frequenz F₀ — F_x welche, wie bereits erwähnt, dem bereich
Steuerzähler 15 zugeführt ist. f_xo < f_x<n- f_xo,

Der Frequenzteiler 14 stellt eine Umsetzerstufe dar io

und ist eingangsseitig am »O«-Ausgang der Umschalt- wobei η eine positive Zahl ist, und die Vorspannung Vorrichtung 12 und ausgangsseitig am Steuerzähler 15 der Bezugssaite 3 wird so gewählt, daß ihre Frequenz angeschlossen und so ausgebildet, daß sie von den eingespeisten Bezugsimpulsen I₀ nur jeden m-ten, z. B. /o = « · fxo jeden zweiten oder dritten weitergibt, d. h., an seinem 15

Ausgang erscheint eine Impulsfolge der Frequenz ist. Der Impulsgenerator 9 der Bezugssaite liefert dann F₀Im, welche dem Steuerzähler 15 zugeführt ist. eine Bezugsimpulsfolge I₀ der Impulsfrequenz

Die Lastimpulse I_x des Impulsgenerators 10 werden

außer der Mischstufe 13 gleichzeitig auch einem Meß- F₀ = η· F_xo,

zähler 16 zugeführt. Der Meßzähler 16 zählt nach 20

Freigabe durch einen Einschaltimpuls die ankommen- wobei F_xo die Frequenz der vom Impulsgenerator 10 den Lastimpulse I_x, bis er durch einen Ausschaltimpuls der Meßsaite bei unbelasteter Meßsaite 2 abgegebenen abgestellt wird. Der Meßzähler 16 ist der Anzeigeteil Meßimpulsfolge I_xo ist.

der Meßeinrichtung und dementsprechend ausgebildet. Das Verfahren und die Funktionsweise der Meß-

Falls erwünscht, kann ein Zähler mit Drucker benutzt 25 einrichtung sei des leichteren Verständnisses wegen werden, der das Meßergebnis fortlaufend aufzeichnet nachfolgend an einigen Zahlenbeispielen dargelegt: oder für jeden Meßvorgang einzeln auswirft. Der Meßbereich der Saitenwaage soll 0 bis 3 kg be-

Der Steuerzähler 15 ist ein Zähler mit Voreinstellung. tragen. Die Meßsaite 2 sei beispielsweise durch das Die Zählung bis zur Voreinstellung Z st erfolgt in Gewicht von 1 kg vorgespannt und habe bei dieser zwei Zählzeitabschnitten, die durch die Stellung der 3° Vorspannung eine Frequenz f_xo = 5000 Hz. Entspre-Umschaltvorrichtung 12 bestimmt sind. Im ersten chend der Gleichung Zählzeitabschnitt (Stellung »1« der Umschaltvorrich- f = f l/T 4- r/p

tungl2) erhält der Steuerzähler 15 die Impulsfolge ^Jx -^o |/J--r /

F₀ — F_x vom Ausgang »0« der Mischstufe 13 und im beträgt die maximale Frequenz der Meßsaite bei zweiten Zählzeitabschnitt die Impulsfolge F₀Jm vom 35 Vollast f_x max = 10 000 Hz. Der Frequenzbereich Ausgang des Frequenzteilers 14. Beim Erreichen der π <* f <■ F

Voreinstellung Zst gibt der Steuerzähler 15 einen Aus- ^ΐχο — ^x — ' ^x°

schaltimpuls an den Meßzähler 16 und den Zeit- des Impulsgenerators 10 erstreckt sich von 10 000 bis zähler 11 ab. Das Ende des ersten Zählzeitabschnittes 20 000 Hz, wenn bei jedem Nulldurchgang der zu- bzw. der Anfang des zweiten Zählzeitabschnittes ist 40 geführten Wechselspannung ein z. B. positiver Impuls durch die Umstellung der Umschaltvorrichtung 12 erzeugt wird. Die Vorspannung der Bezugssaite 3 von seinem Ausgang »1« auf seinen Ausgang »0« be- wird so gewählt, daß der Impulsgenerator 9 eine Imstimmt und erfolgt, wie bereits erwähnt, wenn der pulsfolge der Frequenz F₀ = 20 000 Hz liefert. In die-Zeitzähler seine Voreinstellung Z_z erreicht hat. sem Fall ist demnach η = 2. Zur Bestimmung der Vor-

Zur Inbetriebnahme der Meßeinrichtung ist eine 45 einstellwerte für den Zeitzähler 11 und den Steuer-Drucktaste 17 vorhanden, durch die die Zähler auf zähler 15 wird nun eine Konstante K gewählt, welche Null und die Umschaltvorrichtung 12 auf Position »1« eine einfache ganze Zahl sein soll, beispielsweise gestellt und die Meßeinrichtung so vorbereitet wird, K=IQ 000. Die Voreinstellung für den Zeitzähler bedaß beim darauffolgenden Einlaufen eines Impulses trägt das «-fache der gewählten Konstante K, in diesem aus den Impulsgeneratoren die Zähler zu zählen be- 50 Beispiel also Zz = η · K — 20 000 (K = 10 000, ginnen. Neben der Drucktaste zur willkürlichen Einzel- _n = 2). Die Voreinstellung für den Steuerzähler 15 einschaltung kann auch eine Repetiervorrichtung vor- beträgt das (n — l)-fache der gewählten Konstante K, gesehen sein, die das Meßgerät in regelmäßigen Ab- hier also

ständen zur Durchführung einer Messung veranlaßt. „ _ , ₁^ _r___{1n nnn}

Solche Vorrichtungen, Drucktaste und Repetier- 55 ^st ~ ^" ~ ^}' ~ '

Vorrichtung, sind üblicherweise in käuflichen Zählern Es sei angenommen, daß das Gewicht des zu wie-

bereits vorhanden. Sie müssen hier nicht näher er- genden Gegenstandes 1,25 kg beträgt. Bei Belastung läutert werden. der Waagschale mit diesem Gewicht liefert der Impuls-

Schließlich ist es zweckmäßig, insbesondere bei generator 10 eine Impulsfolge der Frequenz

Meßeinrichtungen für Saitenwaagen, ein Frequenz- 60

Überwachungsgerät 18 vorzusehen, das bei einer F_x = F_xo]/1 +LjP = 10000 j/2,25 = 15 000 Hz.

während der Messung auftretenden Frequenzänderung

der Lastimpulsfolge I_x an die Zählwerke einen Rück- Der Zeitzähler 11 zählt die mit der Frequenz F₀ auf-

stellimpuls abgibt, so daß der Meß Vorgang abgebrochen einanderf olgenden Impulse der Bezugsimpulsf olge I₀, und neu begonnen wird. 65 der Meßzähler 16 die Impulse der Meßimpulsfolge I_x

Es sei hier nochmals erwähnt, daß alle Einzelteile der Frequenz F_x und der Steuerzähler 15 im ersten der vorstehend beschriebenen Einrichtung hinläng- Zählzeitabschnitt die Impulse der Impulsfolge I₀ — I_x, lieh bekannt und im Handel erhältlich sind, so daß die mit einer Frequenz F₀ — F_x in den Zähler einlauf en.

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Nach gleichzeitigem Zählbeginn an allen drei Zäh- Zum Erreichen der Voreinstellung Zst = 1000 muß

lern zeigt, wenn der Zeitzähler 11 seine Voreinstellung der Steuerzähler noch um 772 Einheiten weiterzählen

Zz — 20 000 erreicht hat, der Meßzähler 16 einen und schaltet dann den Meßzähler 16 ab. Während

Zählwert von 15 000 (da seit dem Zählbeginn gerade dieses zweiten Zählzeitabschnitts zählt der Meßzähler

eine Sekunde abgelaufen ist, denn t = ZzIF₀) und der 5 von 1772 mn 1368 Meßimpulse (2772 · 1772/2000)

Steuerzähler 15 einen Zählwert von 5000. Bei diesem weiter und zeigt einen Zählwert von 3140 an. Wegen

Zählstand wird der Steuerzähler durch den vom Zeit- K = 1000 beträgt das Gewicht des Gegenstandes dem-

zähler 11 beim Erreichen seiner Voreinstellung ab- nach 2,140 kg.

gegebenen Steuerimpuls auf den zweiten Zählzeit- Wird bei diesem Zahlenbeispiel der Meßbereich auf abschnitt umgeschaltet und zählt nun alle m-ten Im- io 1 bis 8 kg ausgedehnt, so ist η = m = 3. Die Bezugspulse der Impulsfolge /₀. Da m, wie bereits erwähnt, frequenz F₀ muß dann 6000 Hz betragen, und die Voreine ganze und dem η mindestens annähernd gleiche einstellzahlen sind Zz — 3000 und Zst = 2000.
Zahl sein soll, wäre in diesem Zahlenbeispiel demnach Beträgt die Meßfrequenz z. B. 5400 (entsprechend m = η — 2. In der zweiten Zählphase zählt der Steuer- einer Last von 6,29 kg), so zeigt am Ende des ersten zähler 15 folglich eine Impulsfolge der Frequenz F₀/2, 15 Zählzeitabschnitts
d.h. der Frequenz 10 000 Hz. Der Steuerzähler 15

zählt nun weiter bis zu seiner Voreinstellzahl von der Zeitzähler Zz = 3000,

Zst = 10 000, d. h., es muß noch 5000 Einheiten der Steuerzähler = 300,

weiterzählen, wozu es offensichtlich eine Zeit von der Meßzähler = 2700.

t' = 0,5 Sekunden benötigt. Während dieser Zeit von 20

0,5 Sekunden zählt der Meßzähler von 15 000 weiter Wenn dann der Steuerzähler im zweiten Zählzeitbis auf 22 500 und wird bei diesem Zählstand ab- abschnitt Zst = 2000 erreicht hat, weist der Meßgestellt, da der Steuerzähler 15 seine Voreinstellung zähler einen Stand von 2700 + 4590 auf, der wiederum erreicht hat. Dieser Zählwert Zm ist dem Produkt das Gewicht von 6,29 kg genau angibt.
K · ß² gleich, so daß in diesem Falle ß² = 2,25 ist. Nun as Bei unbelasteter Waage (F_x = F_xo) zählt der Zeitist zähler 11 bis zum Einstellwert Zz und der Steuerzähler Q² — (FxIFx₀)¹ = (1 + L/P), 15 bereits im ersten Zählzeitabschnitt bis zu seinem

Voreinstellwert Zst· Der Meßzähler zeigt dann (am

damit wirdL/P=2,25 —1=1,25, und davoraussetzungs- Ende des ersten Zählzeitabschnittes des Steuerzählers) gemäß P = 1 kg ist, erhält man für das Gewicht des 30 einen Zählwert, welcher der gewählten Konstante K Gegenstandes L = 1,25 kg. Hier wird die Bedeutung gleich ist. Ein zweiter Zählzeitabschnitt wird nicht mehr des Zahlenwertes für die Konstante K besonders deut- durchgeführt. Eine solche Null-Wägung kann zur lieh erkennbar. Die Wahl von 10 000 für K macht es Kontrolle der Waageneinstellung benutzt werden, da besonders einfach, von der Zähleranzeige Zm auf das die gewählte Konstante in der Praxis eine Apparate-Gewicht des zu wiegenden Gegenstandes zu kommen. 35 konstante ist. Entspricht bei der Null-Wägung die Es ist leicht möglich, eine direkte Gewichtsanzeige zu Anzeige am Meßzähler nicht dieser Apparatekonerhalten. So kann man beispielsweise als Meßimpuls- stante, so kann durch Änderung der Vorspannung an zähler zwei hintereinandergeschaltete Zähler verwen- der Bezugssaite 3 und/oder der Meßsaite 2 die Waage den, von welchen der erste wieder ein Zähler mit Vor- tariert werden.

einstellung ist und beim Erreichen seiner Voreinstel- 40 Bei Vollbelastung der Waagschale entsprechend dem

lung den zweiten Zähler auslöst, so daß letzterer von für die Waage vorgesehenen Meßbereich wird
der Voreinstellung des ersten Zählers ab weiterzählt.

Ist der erste Zähler auf die Konstante K voreingestellt, F = π · F_xo = F₀.
so zählt der zweite Zähler lediglich die über diese Konstante K überschießenden Impulse, in diesem Fall 45 Wenn unter diesen Bedingungen der Zeitzähler 11 also lediglich bis 12 500, und durch eine einfache seine Voreinstellung Zz erreicht hat, steht der Steuer-Kommasetzung wird der richtige Zahlenwert für L an- zähler 15 auf Null und der Meßzähler auf Zz. Ein gezeigt. Statt dessen kann natürlich auch eine Zähler- zweiter Zählzeitabschnitt wird eingeleitet, der dann schaltung benutzt werden, welche beispielsweise von so lange dauert, bis der Steuerzähler 15 auf seine Eineiner Voreinstellung (K) zurück zu Null und dann 50 stellzahl Zst gezählt hat.

wieder vorwärts zählt. Offensichtlich sind verschiedene Bei den vorstehend aufgeführten Zahlenbeispielen

Varianten möglich, welche jedoch das Wesentliche der war η eine positive ganze Zahl und m = n, und es hat

vorliegenden Erfindung nicht betreffen. sich gezeigt, daß unter dieser Voraussetzung eine ge-

Für den gleichen Meßbereich 0 bis 3 kg und η = m naue Quadrierung des Frequenzverhältnisses erzielt

= 2 sei ein weiteres Zahlenbeispiel angegeben. 55 wird. Durch den Faktor η sind die Bezugsfrequenz

Die Grundfrequenz F_xo = 2000 Hz. F₀ = π · Fr₀

Die Meßfrequenz Jj* = 3544 Hz. _und die Voreinstellzahlen

Die Bezugsfrequenz F_o = n-F_xo — 4000 Hz.

60 Zz = nK, Zst = (n -I)K

Für K sei 1000 gewählt, so daß Zz = 2000 und

Zst = 1000 ist. Wenn der Steuerzähler 15 vom ersten bestimmt. Die Bezugsfrequenz F₀ kann nur so gewählt

auf den zweiten Zählabschnitt umschaltet, beträgt der werden, daß η eine Dezimalzahl ist, ζ. Β. η = 2,5.

Zählerstand am Zeitzähler 2000 Für m, welches das Untersetzungsverhältnis im Fre-

65 quenzteiler 14 bestimmt, wird aus technischen Grün-

am Meßzähler 1772, den normalerweise eine ganze Zahl gewählt, weiche in

/_ 1 \ diesem Falle 2 oder 3 betragen kann. Das nun folgende

am Steuerzahler 228 \— γ (t₀ - t_x)j. Zahlenbeispiel ist in seinen Voraussetzungen dem vor-

stehenden zweiten Beispiel angepaßt, um einen leichteren Vergleich zu ermöglichen:

Meßbereich	1 bis 2,5 kg « = 2,5
Grundfrequenz	Fz₀ = 2000Hz
Meßfrequenz	F_x = 3544Hz
	(entspricht Last
	= 2,140 kg)
Bezugsfrequenz	F₀ = 5000Hz
Konstante	K = 1000
Voreinstellung	Zz = 2500
Voreinstellung	Zst = 1500

m = 2

Am Ende des ersten Zählzeitabschnitts am Steuerzähler 15 zeigt

der Zeitzähler = 2500, der Steuerzähler = 728,

der Meßzähler = 1772.

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Bis zu seiner Voreinstellung muß der Steuerzähler noch 772 Impulse weiterzählen, was am Meßzähler einer Zählung von 1772 auf 2865 entspricht, so daß der Meßzähler ein Gewicht von 1,865 kg anzeigt.

Mit m = 3 würde die Abzählung der noch bis zum Voreinstellwert von 1500 fehlenden 772 Impulsen am Meßzähler einer Zählung von 1642 zusätzlichen Impulsen entsprechen, so daß der Meßzähler am Ende der Zählung insgesamt 3414, d. h. ein Gewicht von 2,414 kg anzeigen würde. Lediglich mit m = 2,5 wäre die Anzeige 3140 wieder genau. Offensichtlich erhält man in einem gegebenen Meßbereich eine genaue Quadrierung des Verhältnisses zweier Frequenzen, wenn N — m ist, für η < m ist das Ergebnis überquadratisch und für n> m unterquadratisch. Für m selbst wird, wie bereits erwähnt, aus praktischen Gründen immer eine ganze Zahl gewählt, da m die Untersetzung im Frequenzteiler 14 bestimmt und Schaltungen mit ganzzahliger Untersetzung wesentlich einfacher herzustellen sind. Prinzipiell könnte natürlich auch für m eine geeignete Bruchzahl gewählt werden, η bestimmt die Frequenz der Bezugssaite 3 und die Voreinstellungen. Die Frequenz F₀ . der Bezugssaite 3 kann durch Änderung der Vorspannung leicht variiert werden. Ferner bestimmt η die Voreinstellungen für Zeitzähler 11 und Steuerzähler 15. Da diese Voreinstellungen die Gesamtzähldauer bestimmen, sind sie für das Meßresultat von größerer Bedeutung als eine Frequenzänderung der Bezugssaite. Bei vorgegebenem m hat man die Möglichkeit, durch geringe Änderung der Bezugsfrequenz und/oder der Voreinstellwerte Kennlinien für die Meßeinrichtung zu erhalten, welche von der genauen Quadrierung mehr oder weniger nach oben oder unten abweichen. Dies kann man dazu benutzen, um im Meßsystem vorhandene systematische Fehler zu kompensieren. Solche systematischen Fehler treten bei einer Saitenwaage insbesondere dann auf, wenn z. B. an beiden Enden eingespannte, sehr kurze und biegesteife Saiten benutzt werden. Eine bei Belastung auftretende elastische Deformation der Saite sowie der Verschiebung der Schwingungsknotenpunkte bei zunehmender Belastung bewirkt ein über den Meßbereich der Waage zunehmendes Zurückbleiben der Meßfrequenz unter dem genauen Wert. Die Waage zeigt zu wenig an und dieser systematische Fehler kann kompensiert werden, wenn die Meßeinrichtung entsprechend zu viel anzeigt, d. h. überquadratische Zählresultate liefert.

Als Zahlenwert für die Konstante K wird zweckmäßigerweise der Zehnerpotenzfaktor des Frequenzgrundwertes F_xo der Meßimpulsfolge I_x gewählt, bei einer Grundfrequenz von F_xo — 2,4 · 10³ also 1 · 10³ = 1000. Ist K kleiner als dieser Zahlenwert, z. B. 100, so wird bei verkürzter Meßzeit das Meßresultat ungenauer.

Statt Gewichten können mit der vorstehend beschriebenen Einrichtung auch Kräfte gemessen werden, wobei die zu messenden Kräfte an der Meßsaite angreifen und diese spannen. Darüber hinaus sind das Verfahren und die Meßvorrichtung überall dort mit Vorteil anwendbar, wo bei einer Messung das Quadrat eines Frequenzverhältnisses in digitaler Form direkt angezeigt werden soll. Wie aus dem vorstehend beschriebenen Anwendungs- und Ausführungsbeispiel ersichtlich, liefert das Verfahren genaue Ergebnisse, und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist einfach im Aufbau und praktisch nicht störanfällig und trotzdem leistungsfähig.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur digitalen Quadrierung des Quotienten aus einer unbekannten Meßfrequenz f_x einer elektrischen Spannung und einem konstanten vorgewählten Wert einer Grundfrequenz f_xo mittels elektrischer Impulszähler und mit Hilfe einer vorgewählten konstanten Bezugsfrequenz f₀ einer elektrischen Spannung, wobei die Meßfrequenz innerhalb eines Bereichs zwischen Grundfrequenz f_xo und dem Wert η · f_xo liegen kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folge elektrischer Meßimpulse I_x mit einer zur Meßfrequenz f_x proportionalen Meßimpulsfrequenz F_x erzeugt wird und die Meßimpulse I_x zwecks Zählung einem ersten Zähler (16) [»Meßzähler«] zugeführt werden, daß daneben eine Folge elektrischer Bezugsimpulse I₀ erzeugt wird, deren Frequenz F₀ um das «-fache größer als die zur Frequenz f_xo gleichermaßen proportionale Grundfrequenz F_xo ist, und die Bezugsimpulse I₀ zwecks Zählung einem zweiten Zähler (11) [»Zeitzähler«] zugeführt werden, daß zur Zählung einem dritten Zähler (15) [»Steuerzähler«] während eines ersten Zählzeitabschnitts jeweils die über die Anzahl der Meßimpulse I_x überzähligen Bezugsimpulse I₀ und während eines anschließenden zweiten Zählzeitabschnitts Impulse der Bezugsimpulsfolge, jedoch mit um den Faktor ¹Im verminderter Folgefrequenz zugeführt werden, wobei m eine der Zahl η mindestens annähernd gleiche Zahl ist, und daß nach gleichzeitigem Zählbeginn mit allen drei Zählern beim dritten Zähler (15) von dem ersten Zählzeitabschnitt auf den zweiten Zählzeitabschnitt geschaltet wird, wenn die Bezugsimpulse I₀ des zählenden zweiten Zählers (11) einen vorgegebenen, dem η-fachen einer frei gewählten Konstanten .K gleichen Zählwert Zz gezählt hat, und der die Meßimpulse I_x zählende erste Zähler (16) abgeschaltet wird, wenn der dritte Zähler (15) einen dem (n — l)-fachen der gewählten Konstante K gleichen Zählwert Zst gezählt hat, worauf der erste Zähler (16) eine Impulszahl Ζ«· anzeigt, welche mindestens angenähert gleich dem Produkt aus der Konstanten K und dem Quadrat des Frequenzverhältnisses Q der Fre-

quenzen F_x und F_xo ist, wobei die Genauigkeit um so größer ist, je kleiner der Meßbereich und je größer die Übereinstimmung von η mit m ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für m = η eine positive ganze Zahl gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Kompensationszwecken m ungleich η gewählt wird, wobei für m > η ein überquadratisches und für m < η ein unterquadratisches Ergebnis erhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für m eine positive ganze Zahl gewählt und entsprechend η § m gewählt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eliminierung der vorgewählten Konstanten K aus dem Meßergebnis die Zählung der Meßimpulse I_x im ersten Zähler (16) in zwei aufeinanderfolgenden Zählzeitabschnitten durchgeführt wird, wobei im ersten ao Zählzeitabschnitt bis zum Zahlenwert der vorgewählten Konstanten K und im zweiten Zählzeitabschnitt mit Eins beginnend vom Zahlenwert der Konstanten K bis zum Zählende gezählt und nur der Endzählwert des zweiten Zählzeitabschnittes angezeigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahlenwert für die Konstante K gleich dem in der Grundfrequenz F_xo enthaltenen Zehnerpotenzfaktor ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anordnung von drei Zählern der Eingang eines durch einen Ausschaltimpuls abstellbaren ersten Zählers (16) [»Meßzähler«] an den Ausgang eines die Folge von Meßimpulsen I_x erzeugenden Impulsgenerators (10) angeschlossen ist, der Eingang eines beim Erreichen eines voreingestellten Zählwerts einen Steuerimpuls abgebenden zweiten Zählers (11) [»Zeitzähler«] an den Ausgang eines die Folge von Bezugsimpulsen I₀ erzeugenden Impulsgenerators (9) angeschlossen ist und der Eingang eines beim Erreichen eines voreingestellten Zählwerts den Ausschaltimpuls für den ersten Zähler (16) abgebenden dritten Zählers (15) [»Steuerzähler«] nach Maßgabe einer durch den Steuerimpuls des zweiten Zählers (11) gesteuerten Umschaltvorrichtung (12) entweder (erster Zählzeitabschnitt) mit den Ausgängen der beiden Impulsgeneratoren (9, 10) über eine Mischstufe (13), welche von den einlaufenden Impulsen nur die über die Meßimpulse I_x überzähligen Bezugsimpulse zur Zählung durchläßt, oder (zweiter Zählzeitabschnitt) mit dem Ausgang des die Bezugsimpulse erzeugenden Generators (9) über einen nur jeden m-ten der einlaufenden Impulse zur Zählung durchlassenden Frequenzteiler (14) verbunden ist, wobei die Schaltung der Zähler (11, 15,16) und des Umschalters (12) einen Einschaltkreis enthält, durch walchen der Umschalter (12) in eine Ausgangsstellung bringbar und ein gleichzeitiger Zählbeginn an allen drei Zählern auslösbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschaltkreis zum Einschalten der Meßvorrichtung eine von Hand zu bedienende Drucktaste (17) enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschaltkreis eine Repetiervorrichtung enthält, welche letztere in regelmäßig aufeinanderfolgenden Zeitintervallen einschaltet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des die Meßimpulse I_x erzeugenden Impulsgenerators (10) ein Frequenzüberwachungsgerät (18) angeschlossen ist, welches einen Rückstellimpuls an die Zähleranordnung abgibt, wenn während der Messung eine Frequenzänderung eintritt.

11. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Messen von Kräften, insbesondere Gewichten, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfrequenz F_x der Folge elektrischer Meßimpulse I_x durch die Schwingungen einer durch die Krafteinheit vorgespannten und durch die zu messende Kraft spannbaren Meßsaite gesteuert und die Frequenz F₀ der Folge elektrischer Bezugsimpulse I₀ durch die Schwingungen einer vorgespannten Bezugssaite bestimmt wird.

12. Anwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsaite (2) und die Bezugssaite (3) durch je einen Erregerkopf (6 bzw. 5) zum Schwingen erregt werden, wobei die Erregerköpfe gleichzeitig als Frequenzfühler ausgebildet sind und von je einem Verstärker (8 bzw. 7) gespeist werden, an dessen Ausgang ein Impulstransformator (10 bzw. 9) angeschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen