DE19800870A1

DE19800870A1 - Rauscharmer elektromechanischer Schwingungsaufnehmer mit nachgeschaltetem Verstärker und elektronisch einstellbarer Dämpfung

Info

Publication number: DE19800870A1
Application number: DE19800870A
Authority: DE
Inventors: Erich Lippmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-01-22
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2018-01-14
Also published as: DE19800870C2; DE19701997A1

Description

Die Erfindung betrifft beliebige elektromechanische Schwingungsaufnehmer.

Obwohl die Erfindung auf elektromechanische Schwingungsaufnehmer mit elektrodynamischen und piezoelektrischen Umformern angewendet werden kann, sollen im folgenden zur Verdeutlichung nur Schwingungsaufnehmer mit Umwandlern vom elektrodynamischen Prinzip besprochen werden. Weiterhin soll im folgenden nur von Widerständen die Rede sein, obwohl auch kapazitive und induktive Elemente durch die beschriebene Anordnung als bedämpfende Elemente am Ausgang des elektromechanischen Umformers erzeugt werden können.

Elektromechanische Schwingungsaufnehmer haben die Aufgabe, mechanische Bewegungen, wie z. B. Schwingungen des Erdbodens, die durch Erdbeben verursacht werden, oder Druckschankungen in Wasser, die von künstlichen Schallquellen herrühren, mit hoher Empfindlichkeit in elektrische Spannungen umzuwandeln. Nun besteht ein solcher Schwingungsaufnehmer in der Regel aus einem resonanzfähigen Feder-Masse-System, an das eine in einem Magnetfeld schwingende Spule (bewegte Spule) bzw. ein in einer Spule schwingender Magnet (bewegter Magnet) angekoppelt sind. Dieses System muß zur Erzielung einer resonanzfreien Übertragungsfunktion bedämpft werden. Die Bedämpfung kann zum einen mechanisch erfolgen, indem viskose Medien wie Öl oder Luft das System bedämpfen. Zum andern ist es auch möglich, die notwendige Bedämpfung nach Fig. 2 über einen an den Ausgang des Schwingungsaufnehmers geschalteten Widerstand einzustellen.

Beide oben geschilderte Methoden der Bedämpfung haben den Nachteil, daß insbesondere in der Nähe der Resonanzfrequenz des Schwingungsaufnehmers die Empfindlichkeit - das Verhältnis von Ausgangsspannung zu mechanischer Bewegung - gegenüber dem unbedämpften Schwingungs aufnehmer wesentlich vermindert ist. Dies führt dazu, daß das auf die Eingangsgröße bezogene Rauschen des Systems Vorverstärker-Schwingungsaufnehmer gegenüber der unbedämpften Konfi guration stark erhöht ist.

Bei der Bedämpfung mittels eines passiven Widerstandes wird auch in großem Abstand von der Resonanzfrequenz die Empfindlichkeit reduziert, da über dem Innenwiderstand R_I des Schwingungsaufnehmers bei Belastung durch den Dämpfungswiderstand Z_D ein Teil der induzierten Spannung abfällt und somit der Messung durch nachgeschaltete Verstärker nicht mehr zugänglich ist.

Die mechanische Bedämpfung durch viskose Medien hat weiterhin den Nachteil, daß das thermische Eigenrauschen des Schwingungsaufnehmers gegenüber dem unbedämpften Aufnehmer erhöht wird. Zudem ist eine Veränderung der Bedämpfung des Schwingungsaufnehmers nur durch einen Eingriff in die Mechanik desselben möglich.

Nach dem Stand der Technik sind nun zwar Methoden bekannt, elektrodynamische Schwingungsaufnehmer bei günstigen Rauscheigenschaften aktiv zu bedämpfen (siehe z. B. Patentschrift DE 43 13 523 C2 oder DE 33 07 575 C2). Ziel dieser Methoden ist es jedoch, Eingangswiderstände der elektronischen Verstärkerschaltung zu realisieren, die gleich oder kleiner 0 sind und die Schwingungsaufnehmer somit in der Regel weit stärker als kritisch zu bedämpfen. Zwar ist es im Prinzip möglich, nach der in der Druckschrift DE 34 13 523 C2, Fig. 2 oder Fig. 3 beschriebenen Schaltung auch positive Eingangswiderstände zu realisieren, indem der Widerstand R3 gleich 0 gesetzt wird. Tatsächlich müßte dann jedoch z. B. bei einem geforderten Eingangswiderstand von 1000 Ohm und einer Verstärkung des Verstärkers A1 von 10⁵ (ein typischer Wert für Operationsverstärker) der Widerstand R1 einen Wert von 10⁸ Ohm annehmen. Dies wieder würde eine sehr hohe Systemverstärkung mit sich bringen mit den bekannten Folgen hinsichtlich schlechter Linearität und und sehr geringem Dynamik-Umfangs. Weiterhin ist die Verstärkung eines Operationsverstärkers ohne Gegenkopplung nur sehr ungenau definiert und wenig stabil gegenüber Temperaturschwankungen und Versorgungsspannungsänderungen.

Aus der Patentschrift 108803 der Deutschen Demokratischen Republik vom 5.10.1974 ist weiterhin eine Schaltung bekannt, die die nötige Bedämpfung des Seismometers realisiert durch einen in Reihe mit dem Ausgang des Seismometers geschalteten Widerstand R_a, einen Operationsverstärker und weitere Widerstände (siehe Fig. 4). Diese Beschaltung hat jedoch in Bezug auf die Rauscheigen schaften des Seismometers wesentliche Nachteile. Bei handelsüblichen Seismometern sind häufig Dämpfungswiderstände R_a erforderlich, deren Wert um ein Vielfaches höher liegt als der Widerstand R_I der Induktionsspule des Seismometers. Hierdurch addiert sich zum Spannungs rauschen des benützten Operationsverstärkers nicht nur das thermische Rauschen des Widerstands der Seismometer-Spule, sondern auch auch das thermische Rauschen des Widerstandes R_a und das durch das Stromrauschen des benützten Verstärkers als Spannungsabfall über R_a generierte Rauschen. Diese Nachteile führen dazu, daß das auf Bodenbewegung bezogene Rauschen des Systems aus Seismometer und nachgeschaltetem Verstärker nach Fig. 4 gegenüber dem unbedämpften Seismometer (Z_D unendlich in Fig. 2) bei identischen Rauscheigenschaften der benutzten Verstärker um den Faktor 1,5 . . . 5 höher ist.

Es sind somit bisher keine Methoden bekannt, elektrodynamische Schwingungsaufnehmer mit einem gut definierten, positiven Widerstand Z_D zu bedämpfen, ohne eine deutliche Verschlechterung des Auflösungsvermögens gegenüber dem unbedämpften Fall hinnehmen zu müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Möglichkeit der Bedämpfung des Schwingungsaufnehmers bereitzustellen, ohne die angeführten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild der Erfindung

Fig. 2 konventionelle Schaltungstechnik

Fig. 3 vorteilhaftes Ausführungsbeispiel mit integrierten Operationsverstärkern

Fig. 4 Ausführung der Patentschrift 108 803 der DDR vom 5.10.1974.

Indem wie in Fig. 1 gezeigt die zu messende Spannung zunächst durch den Verstärker A um den Faktor G verstärkt, invertiert und mit der Impedanz Z auf den Eingang des Verstärkers A gegengekoppelt wird, errechnet sich die durch diese Beschaltung resultierende Dämpfungs-Impedanz Z_D zu:

Z_D = Z/(G+1), (1)

wobei unter resultierender Dämpfungsimpedanz diejenige Impedanz zu verstehen ist, die nach Fig. 2 an den Ausgang des Schwingungsaufnehmers geschaltet, dieselbe Bedämpfung des Schwin gungsaufnehmers bewirkt wie die Beschaltung nach Fig. 1.

In den Fig. 1-4 wird anstelle des elektromechanischen Schwingungsaufnehmers dessen Ersatzschaltbild dargestellt. Es läßt sich nun leicht erkennen, daß bei der Resonanzfrequenz des Schwingungsaufnehmers dieser eine hohe elektrische Impedanz besitzt. Bei einer Beschaltung des Schwingungsaufnehmers nach dem Anspruch der Erfindung ergibt sich, daß Störspannungen, wie z. B. das Eigenrauschen des Verstärkers A, bei der Resonanzfrequenz stark gegengekoppelt und somit niedriger verstärkt werden als bei konventioneller Beschaltung des Schwingungsaufnehmers nach Fig. 2. Im Ergebnis liefert das nach dem Anspruch der Erfindung beschaltete System aus Verstärker A, Impedanz Z und Schwingungsaufnehmer ähnliche Auflösung - d. h. auf Schwingungsamplitude umgerechnetes Rauschen am Ausgang des Verstärkers A - wie das System nach Fig. 2 mit unendlich hoher Impedanz Z_D, wobei letzteres jedoch eine starke Resonanzüberhöhung mit daraus resultierender Verfälschung der Signalform der Meßsignale in Kauf nehmen muß.

Bei der Beschaltung handelsüblicher Seismometer nach dem Anspruch der Erfindung ergibt sich bei der Resonanzfrequenz der Seismometer (üblicherweise 1-2 Hz) ein um bis zu 5-fach niedrigeres Rauschen gegenüber konventioneller Beschaltung bei ansonsten identischen Eigenschaften des Verstärkers. Auch in großem Abstand von der Resonanzfrequenz kann das Rauschen bis um den Faktor 2 verringert sein.

Es läßt sich aus Gleichung (1) auch leicht erkennen, daß ein nach Anspruch 2 ausgeführter Verstärker mit frequenzabhängiger Verstärkung G = G(f) eine frequenzabhängige Impedanz Z_D(f) erzeugt. Es können also z. B. induktive oder kapazitive Impedanzen erzeugt werden. Zusammen mit dem Ersatzschaltbild des Schwingungsaufnehmers läßt sich erkennen, daß hiermit der Frequenzgang des Systems, z. B. dessen Resonanzfrequenz, verändert werden kann. Dies ist möglich, ohne die Auflösung des Schwingungsaufnehmers gegenüber dem unbedämpften System wesentlich zu verschlechtern.

Fig. 3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit integrierten Operations verstärkern. Ein invertierender Verstärker mit hohem Eingangswiderstand kann durch die Aufteilung in zwei Funktionsblöcke realisiert werden. Im ersten Block wird ein nicht invertierender Verstärker B mit der Verstärkung V, im zweiten Block ein invertierender Verstärker C mit der Verstärkung W aufgebaut. Der Widerstand R wird vom Ausgang des invertierenden Verstärkers B auf den Eingang des Verstärkers A geführt.

Eine vorteilhafte Dimensionierung des Verstärkers von Fig. 3 für einen geforderten Eingangswiderstand von z. B. 3000 Ohm, wie er für die kritische Bedämpfung eines handelsüblichen Seismometers nötig ist, wäre:

R1 = 100 Ohm, R2 = 3900 Ohm, R3 = R4 = 10 000 Ohm, R = 123 000 Ohm.

Claims

1. Rauscharmer elektromechanischer Schwingungsaufnehmer mit nachgeschaltetem Verstärker und elektronisch einstellbarer Dämpfung, bestehend aus einem schwingungsfähigen Feder-Masse-System und einem daran gekoppelten Meßumformer zur Umwandlung von Relativbewegungen zwischen schwingungsfähiger Masse und dem Gehäuse des Schwingungs aufnehmers in entsprechende elektrische Ausgangsgrößen wie Spannung, Strom oder Ladung, wobei der Meßumformer als elektrodynamischer Umformer, bestehend aus einem Permanentmagneten und einer im Feld dieses Permanentmagneten beweglichen Spule oder aber als piezoelektrischer Umformer ausgebildet sein kann, zur Umwandlung von linearen oder rotatorischen mechanischen Bewegungen des Schwingungsaufnehmers oder Druckschwankungen des umgebenden Mediums, z. B. Gasen oder Flüssigkeiten in entsprechende elektrische Ausgangssignale, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Bedämpfung des Schwingungsaufnehmers nötige Impedanz Z_D am Ausgang des Schwingungsaufnehmers erzeugt wird durch eine elektronische Schaltung, bestehend aus einem direkt am Ausgang des Schwingungsaufnehmers liegenden, invertierenden Verstärker A mit hohem Eingangswiderstand und genau definierter, von Umgebungseinflüssen wie Temperatur und Versorgungsspannung unabhängiger Verstärkung und einer vom Ausgang dieses Verstärkers auf den Eingang des Verstärkers zurückgeführten Impedanz Z.

2. Elektromechanischer Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ausführung des invertierenden Verstärkers A als Verstärker mit frequenzabhängiger Übertragungsfunktion die Übertragungsfunktion des Systems aus Schwingungsaufnehmer und nachgeschaltetem Verstärker, insbesondere dessen Resonanzfrequenz, verändert werden kann.