DE1798269B2 - Elektromechanlscher Oszillator - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Oszillator mit einer Schwingschaltung und einem mechanischen Schwingungssystem mit einem elektromechanischen Meßumformer und einer den elektromechanischen Meßumformer mit der Schwingschaltung verbindenden Zweidrahtleitung.

Oszillatoren dieser Art ν erden ' «besondere bei Saiten-Dehnungsmessern verwindet, bei denen das mechanische Schwingungssystem durct, eine Stahlsaite gebildet wird, die ein Bestandteil des Saiten-Meßgerätes ist. Diese Geräte, die als Saitendehnungsmesser, Thermometer, Dynamometer u. dgl. bekannt sind, sind zur Messung von nichtelektrischen Größen bestimmt

Bei bekannten elektromechanischen Oszillatoren dieser Art ist die Verbindung zwischen der Schwingschaltung und dem mechanischen Schwingsystem durch vier, drei oder zwei Drähte gebildet. Im Falle einer Vierdraht- und Dreidrahtverbindung besteht die Schwingschaltung aus einem Verstärker, in dessen Rückkopplungskreis ein mechanisches Schwingungssystern geschaltet ist In dieser Anordnung schwingt das mechanische Schwingungssystem ungedämpft, d. h. kontinuierlich. Die Vierdraht- bzw. Dreidraht-Verbindungsleitung führt zu hohen ökonomischen Kosten und verursacht eine beträchtliche Komplikation bei einer mehrfachen Messung unter Verwendung eines Umschalters. Das mechanische Schwingungssystem, beispielsweise ein Saitenmeßgerät, muß in diesem Falle mit zwei elektromechanischen Wandlern versehen werden, was eine Komplikation der Konstruktion sowie höhere Anschaffungskosten mit sich bringt

Elektromschanische Oszillatoren mit einer Zweidrahtverbindung arbeiten meistens nach dem Prinzip gedämpfter Schwingungen «sines mechanischen Sehwingungssystems, webet die Schwingungen von der Schwingschaltung durch in die Verbindungsleitung ausgesandte Impulse erzeugt werden. Dieses System ist dadurch nachteilig, daß die für die Messung zur Verfügung stehende Zeitspanne durch die Dämpfung der Saite begrenzt ist Da sieh mit sinkender Amplitude die Schwingungszahl der Saite ändert, ist eine dynamische Messung völlig ausgeschlossen. Die Messung mit einem Saitenmeßgertt mit gedampften Saitenschwingungen

ist deshalb begrenzt und ungenau.

In vereinzelten Fallen wird eine besondere Erregerkonstruktion verwendet, die die Aufrechterhaltung ungedämpften Schwingungen über eine Zweidrahtleitung ermöglicht. Es ist z. B. eine Verstärkerschaltung in einer Brocke mit einem Hilfszweig bekannt. Diese Schaltung ist iedoch bei längerem Verbmdungskabel oder bei einer veränderlichen, durch die Erzeugungsstreuung gegebenen elektrischen Impedanz des elektromechanischen Meßumformers nicht verwendbar. Die Schaltung des Erregers unter Ausnutzung des negativen Widerstandes um das mechanische System in Schwingungen zu versetzen, ist in denjenigen Fällen unverwendbar, in denen dei· elektromewhanische Meßumformer eine geringe Wirksamkeit aufweist, wie dieses beispielsweise bei Saitenmeßgeräten der Fall ist

Auch die Ausnützung des Prinzips eines gesteuerten Multivibrators bei der Konstruktion der Schwingschaltung insbesondere mit Synchronisier·:- |n Jeder Halbperiode, stößt in den oben angeführten rällen auf bedeutende Schwierigkeiten, abgesehen von der großen Kompliziertheit der Schwingschaltung. Bei allen diesen bekannten Ausführungen mit einer Zweidrahtleitung ist notwendige Voraussetzung eine sorgfältige Auswuchtung der elektrischen Impedanz des elektromechanischen Meßumformers von Fall zu Fall, da es sonst zu parasitären Schwk-gungen im ganzen elektromechanischen System kommt.

Die vorliegende Erfindung beseitigt die erwähnten Nachteile. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit einer sehr einfachen Schaltung bei Verwendung einer Zweidrahtleitung für den Anschluß des elektromechanischen Meßumformers den elektromechanischen Oszillator beliebig lange in ungedämpfter Schwingung zu erhalten.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß durch die Kombination der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale.

Der erfindungsgemäße elektromechanische Oszillator ermöglicht es, ein beliebiges mit einem elektromechanischen Wandler versehenes mechanisches Schwingsystem über zwei Drähte und auf eine große Entfernung in Schwingungen zu bringen und in ungedämpfter Schwingung zu erhalten.

Das Wesen der Erfindung ist an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschema des elektromechanischen Oszillators und

F i g. 2 ein Schaltschema.

Die Schwingschaltung 1 (Fig. 1) enthält ein nichtlinerares Schaltglied 11 und ein Impulsformerglied 12 und ist durch eine Zweidrahtleitung 3 mit einem elektromechanischen Meßumformer 21 verbunden, der z. B. aus einem Magneten und einer Spule besteht und einen Bestandteil eines elektromechanischen Schwingsystems

2 bildet, welches einen durch eine Me'allsaite gebildeten mechanischen Schwinger 22 enthält Zur Hervorrufung von Schwingungen in dem nichtlinearen Schaltglied ti, im Impulsformerglied 12 und im mechanischen Schwingsystem 2 dient ein Startimpulsgeber 4, der einen äußeren Impuls, beispielsweise einen von Hand ausgelösten Spannungsimpuls in die Zweidraht-Leitung

3 abgibt Der Startimpulsgeber 4 besteht z.B. aus einem Handschaber und einer elektrischen Batterie. Das nichtlineare Schaltglied 11 besteht aus einem durch Transistoren 71 und 71 gebildeten Vorverstärker und einem Schmittschen Kreis mit eine niedrige Hysteresis

aufweisenden Transistoren 75 und Ά. Das Impulsformerglied 12 besteht aus zwei Trennstufen. Diese sind durch Transistoren 7S und 76 mit durch Kondensatoren 12t und 122 und durch Widerstände 123,124,125 gebildeten Zwischenstufenkopplungen gebildet Der elek- s tromechanisehe Meßumformer 21 ist an den Emitter des Transistors Tf. angeschlossen. Das nichtlineare Schaltglied 11 und das Impulsformerglied 12 wirken in einer Richtung und bilden miteinander einen geschlossenen Rückkopplungskreis. An den Ausgang des nichtlinearen Schaltgliedes 11 ist ein Filterkreis 5 geschaltet, das aus einem Transistor 77 als Emitterfolger und einem Tiefpaßfilter in Form einer die Kondensatoren 53,54,55 und Spulen 51 und 52 enthaltenden doppelten Schaltung besteht

Die Saite des mechanischen Schwingers 22 wird durch einen in die Zweidrahtleitung 3 aus dem Startimpulsgeber 4 gesandten Impuls in Schwingungen versetzt Die Eigenschwingungen der Saite induzieren in dem elektromechanischen Meßumformer 21 eine Sinusspannung, die in das nichtlineare Schaltglied U geleitet wird, wo sie derart geformt wird, daß sie am Austritt desselben als Rechteckimpulsfolge erscheint. Die derart geformte Spannung gelangt in das eine Differentialwirkung aufweisende Impulsformerglied 12, an dessen Austritt Differentialspitzen entstehen, die exponential abklingen, und zwar genügend schnell im Vergleich mit der Periodenlänge der Eigenschwingungen des mechanischen Schwingers 22. Am Ende jeder Halbperiode der durch den elektromechanischen Meßumformer 21 induzierten Spannung ist daher die aus dem Impulsformerglied 12 austretenden Differentialspannung beiaits dem Nullniveau nahe. Es ist nämlich notwendig, daß die durch den elektromechanischen Meßumformer induzierte Spannung und die aus dem Impulsformerglied 12 austretende Spannung sich am Ende jeder Halbperiode in ihrer Größe einander nähern, denn nur auf diese Weise ist ihre wirksame Überlegung möglich. Unter diesen Bedingungen wird durch Zusammensetzung der Differentialspannung und der durch das Schwingen der Saite induzierten Spannung die Periodizität dieser zusammengesetzten Spannung gewährleistet. Durch die Differentialspitzen werden zugleich durch denselben elektromechanischen Meßumformer 21 die Schwingungen des mechanischen Schwingers 22 erregt. Zur BiI-dung des Nebenschlusses wird auch die zum Emitter des Transistors 7e parallelgeschaltete Induktivität des elektromechanischen Meßumformers 21 genützt Auf diese Weise wird durch die Überlagerung von zwei Signalen, d. h. der im elektromechanischen Meßumformer 21 unter Einfluß der mechanischen Schwingungen der Saite 22 induzierten Spannung und einer Spannung in derjenigen Form, die sie nach Durchtritt durch das Nebenschlußglied, d. h. durch das Impulsformerglied 12, erhalten hat, erreicht, daß der mechanische Schwinger 22 in ungedämpfter Schwingung gehalten wird. Mit anderen Worten — es kommt zur Selbstsynchronisierung der Schwingungen durch gegenseitige Einwirkung der mechanischen Schwingungen und der Erregerspannung.

Durch Anpassung der Stabilität der Kreise kann erreicht werden, daß bei stillstehendem mechanischem Schwingungssystem in der Schleife keine Spontananschwingungen entstehen, falls eine geeignete Übertragungscharakteristik des Impulsformergliedes 12 je nach der Type der gewählten Nichtlinearitftt im nichtlineeren Schaltglied 11 und je nach den elektrischen Parametern des elektromechanischen Meßumformers 21 und der Art seines Anschlusses an die Schwingschaltung 1 gewählt wird. So ist z. B. bei der Verwendung eines Schmittschen Kreises als nichtlinearen Schaltgliedes, falls die Impedanz des elektromechanischen Meßumformers einen realen Wert aufweist, die Art des Anschlusses des elektromechanischen Wandlers unwesentlich, und der Korrektionskreis kann durch ein einfaches ÄC-Nebenschlußglied gebildet werden. Erst wenn das mechanische Schwingungssystem durch einen äußeren Impuls, z. B. aus dem Anlaßkreis 4, in Schwingungen gebracht wird, entstehen in dem nichtlinearen Schaligüed 11 und dem Impulsformerglied 12 und im mechanischen Schwingsystem 2 Dauerschwingungen, deren Schwingungszahl ausschließlich durch die Eigenfrequenz des mechanischen Systems gegeben ist Die durch das Impulsformerglied 12 erzielte Übertragung kann auch derart entworfen werden, daß die Schaltung bei stillstehendem mechanise!- ..m Schwinger 22 nicht stabil ist. In diesem Falle, insbesondre wenn die Wirksamkeit des elektromechanischen Meßumformers 21 genügend groß ist, kann der Startimpulsgeber 4 ausgeschaltet werden, und der mechanische Schwinger 22 wird spontan in Schwingungen versetzt.

Die Austrittsspannung aus dem elektromechanischen Oszillator kann entweder eine rechteckige Form aufweisen, falls sie unmittelbar von dem Austritt des nichtlinearen Schaltgliedes 11 entnommen wird, oder eine Sinusform, falls sie nach Durchtritt durch den Filterkreis 5 entnommen wird. Die obere Grenzfrequenz des Filters deckt sich mit der höchsten Frequenz des abgestimmten mechanischen Schwingers 22.

Die Ausführung der Schwingschaltung sowie auch die Verteilung der die Rückkopplungsschaltung bildenden Glieder bietet die Möglichkeit zahlreicher weiterer Varianten, ohne daß das Wesen der Erfindung geändert wird. So ist es z. B. möglich, den elektromechanischen Meßumformer an den Eintritt des Impulsformergliedes und dem Austritt des nichtlinearen Schaltgliedes anzuschließen. Das Impulsformerglied sowie der nichtlineare Kreis können in eine größere Anzahl von Kreisen unterteilt werden, die zusammen die Funktion erfüllen, welche die Schaltglieder 11 und 12 in Fig.2 ausüben. Es ist gleichgültig, an welcher Stelle der elektromechanische Meßumformer angeschlossen ist. Die Schwingschaltung 1 in der Schaltung nach F i g. 1 und 2 kann an den elektromechanischen Meßumformer angeschlossen werden, der selbst einen Zweig oder einen Teil des Zweiges einer Brücke bildet, deren übrige Zweige von geeignet gewählten Impedanzen gebildet werden. Das nichtlineare Schaltglied kann ?ußer durch einen Schmittschen Kreis, z. B. von einem Begrenzer, einem Begrenzer mit Hysteresis, einem Kreis mit einer Unempfiiidlichkeitszone u.dgl., gebildet werden. In die Rückkoppli-ngsschaltung können auch andere Elemente geschaltet werden, die der Wirkungsweise des Oszillators förderlich sind, beispielsweise ein Separator der Spitzen. Stets wird jedoch die Schaltung zumindest ein nichtlineares Schaltglied und feinen Kreis enthalten, in dem die Spannung in geeigneter Weise derart geformt wird, um eine Selbstsynchronisierung zu ermöglicheiu

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Π 98

   Patentanspruch;

   Elektromechanischer Oszillator mit einer Scpwingschaltung und einem mechanischen s Schwingungssystem mit einem elektromechanischen Meßumformer und einer den elektromechanifchen Meßumformer mit der Schwingschaltung verbindenden Zweidrahtleitung, gekennzeichnet d u r c h die Kombination folgender Merkmale: to

   a) die Schwingschaltung (1) enthält in Parallelschaltung mindestens ein nichtlineares Schaltglied (11) und mindestens ein Impulsumformerglied (12), die über eine Zweidrabtleitung (3) an das mechanische Schwingsystem (2) angekoppelt sind;

   b) an den Ausgang des mechanischen Schwingsystems (2) ist ein Startimpulsgeber (4) angeschlossen;

   c) an den Ausgang des nichtlinearen Schaltgliedes (11) ist ein Tiefpaß-Filter geschaltet.