DE2109175C3 - Schwingsaiten-MeBwertgeber mit Kompensation des Temperaturfehlers - Google Patents

Description

40 als Anker gewickelt. Vom Empfangsgerät wird über das Verbindungskabel ein kurzer Gleichstromimpuls in die Spule gegeben, der eine Elongation der Meßsaite verursacht, die dadurch in gedämpfte mechanische Schwingungen ihrer Eigenfrequenz versetzt wird. Während des Ausschwingens schneidet die Saite das Magnetfeld und induziert in dieser Spule eine Wechselspannung der gleichen Frequenz. Diese Frequenz wird über dasselbe Kabel auf das Empfangsgerät zurückgegeben.

Der Arbeitsfrequenzbereich jeder Saite liegt im hörbaren Niederfrequenzbereich. Die Eigenfrequenz wird durch die effektive Masse der Saite und des Ankers und die Spannung, die proportional zur Dehnung der Saite ist, bestimmt. Die an beiden Enden fest eingespannte elastische Saite schwingt mit einem Schwingungsbauch in der Mitte. Besitzt diese Saite die Länge L, die effektive Masse »1 je Längeneinheit und dieSpannung T₀, so schwingt sie mit der Frequenz

d.h.

wobei b eine Konstante ist. Die Saite wird auf die Frequenz J₀ entsprechend der Ausgangsspannung 7;, eingestellt. Die mechanische Spannung darf nicht zu niedrig sein, da sonst der Anker auf die Polfiächen des Magneten gezogen wird. Hierdurch wird die niedrigste Frequenz bestimmt.

Wenn der Probekörper deformiert wird, erfährt das Meßelement eine Dehnung s. Die Spannung in der Saite erhöht sieb deshalb um T)-T₀ = EA s, wobei £ der Elektrizitätsmodul und A der Querschnitt der Saite sind. Diese zusätzliche Spannung erhöht die Eigenfrequenz der Saite auf einen Wert J₁. Wenn die Dehnung der Saite unterhalb ihrer Elastizitätsgrenze bleibt — hierdurch wird die maximale Betriebsfrequenz der Saite bestimmt — gilt für die Frequenzänderung

Zur Messung mechanischer Größen, wie Kraft, Druck, Dehnung, Neigung u. dgl., bestehen Meßwertgeber, die die Frequenzänderung einer schwingfähig gespannten Saite auswerten. Diese Meßwertgeber sind in geeigneter Weise mit dem Meßobjekt gekoppelt, um in Abhängigkeit von seiner geometrischen Formänderung infolge Belastung eine möglichst große Spannkraftänderung und daraus bedingte große Eigenfrequenzänderung der schwingenden Saite zu erhalten. Sie sind daher so konstruiert, daß sie der jeweiligen Meßaufgabe angepaßt werden können. Ihre Anwendung erfolgt in allen Bereichen der Bauwirtschaft.

Viele Meßaufgaben bedingten eine Fernübertragung der Meßwerte, da die eigentlichen Meßwertgeber an schwer bzw. später überhaupt nicht mehr zugänglichen Stellen angebracht werden müssen. Infolge der notwendigen Langzeitbeobachlungen sollen die Geber eine hohe mechanische Robustheit und trotzdem eine große Meßgenauigkeit mit gutem Auflösungsvermögen besitzen.

Die Dehnungsmeßsaite des Gebers schwingt in einem polarisierten Magnetkreis, bestehend aus Permanentmagnet und Spule. Um den mittleren Teil der Stahlsaite ist eine enge Spiiale aus Weicheisendraht /,²-/₀ ² = b (T₁ -T₀) =

es.

45 Die Konstante c muß für jedes Meßelement durch Eichen ermittelt werden. Aus der gemessenen Dehnung läßt sich die Deformation des Meßobjektes und daraus mit dem entsprechenden Eichfaktor die physikaiische Meßgröße, wie Kraft, Druck u. dgl., ermitteln. Die Größen L und »1 einer fest eingespannten Saite können sich nicht ändern. Der Eichfaktor muß daher praktisch über unbegrenzte Zeit konstant bleiben. Die Tatsache, daß die Frequenz quadratisch mit der Dehnung und damit der Meßgröße zusammenhängt, bewirkt das außerordentlich hohe Auflösungsvermögen des Verfahrens.

Die in mechanische Schwingungen umgewandelte Meßgröße wird wieder in elektrische Schwingungen umgeformt und über eine Leitung oder auch drahtlos auf beliebige Entfernungen übertragen. Somit bietet sich dieses Verfahren für Fernmessungen an. da die Frequenz nicht von Schwankungen der Kabel- oder Kontaktwiderstände beeinflußt wird.

Die Frequenzübertragung gewährleistet also eine sichere und unverfälschbare Fernübertragung der Meßwerte. Sie stellt keine besonderen Anforderungen an Leitungen, Schalte und Verbindungsstellen.

L·,

Zur Frequenzauswertung existieren Verfahren, die einen Frequenzvergleich mit einer Vergleichssaite im Empfangsgerät durchführen, deren physikalische Eigenschaften mit der jeweiligen Meßsait? übereinstimmt. Bei den üblichen Verfahren z. B. gemäß DT-PS 7 23 026, wird die Dehnung dieser Vergleichssaite durch eine geeichte Spindel verstellt, deren Position nach Frequenzabgleich die mechanische Spannung bzw. Dehnung der Meßsaite angibt. Es kann natürlich auch eine voll elektronische Auswertung der Frequenzen der Dehnungssaiten vorgenommen werden. Nach den in VDl-Zeitschrift, ?956. S. 1541 bis 1548, beschriebenen Verfahren werden die mechanischen Schwingungen nach Umsetzung in elektrische Impulsfolgen mit Digitalzählern ausgezählt, oder es wird die Zeitdauer für je 100 Schwingungen gemessen. Als Zeitgeber dient in beiden Fäl-Ten ^ein frequenzstabilisierter Quarz-Oszi"ator, der im ersicn Fall eine vorgegebene Anzahl Schwingungen auf eine elektronische Torschaltung zur Steuerung des Dieitalzählerj gibt oder dessen Schwingungen im zweiten Fall auf einen Anzeigespeicher laufen, der von einer festen Anzahl Saitenschwingungen gestartet und gestoppt wird. Somit wird entweder die Frequenz oderdie Periodendauer gemessen.

Die Frequenz jedes Meßelementes wird jedoch zusätzlich durch die Temperatur beeinflußt, da die Einspannvorrichtung und die Stahlsaite im allgemeinen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben. Dieser Unterschied bewirkt eine temperaturproportionale Spannungsänderung der Meßsaite und somit eine Verfälschung der Meßgröße. Da der Geber in verschiedenen Meßobjekten, z. B. Beton. Flüssigkeiten u. ä., eingesetzt wird und dabei erheblichen Temperaturänderungen ausgesetzt ist, kann der Temperuturfehler hohe Werte erreichen.

Diese Temperaturfehler werden durch die Erfindung beseitigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Elimination des Temperaturfehlers der Schwingsaite in Schwingsaiten-Meßwertgebern ist dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Frequenzänderungen einer zusätzlichen Schwingsaite (Referenzsaite), welche den mechanischen Belastungen durch die Meßgröße nicht ausgesetzt ist, zum Ausgleich des Temperaturfehlers der Meßsaite verwendet wird.

Das Verfahren zur Anwendung der Signalfrequenzen von Schwingsaiten-Meßwertgebern mit Meß- und Referenzsaite ist dadurch gekennzeichnet, daß als temperaturunabhängiger Meßwert der Quotient aus der Differenzfrequenz beider Dehnungsmeßsaiten und der Referenzfraquenz gebildet wird.

Die Erfindung betrifft auch ein Gerät, das eine additive Mischstufe zur Bildung der Differenzfrequenz beider Saitenschwingungen, einen Tiefpaßfilter zur Unterdrückung anderer Frequenzgemische als Impulsfolge und einen von dem Tiefpaßfilter betätigten Zähler, der von der Zeitbasis einer vorgegebenen Anzahl Referenzsailenschwingungeji gesteuert ist. umfaßt.

Dabei kann zur Steuerung des Zählers ein weiterer Zähler vorhanden sein, der nach Erreichen einer bestimmten Anzahl von Schwingungen ein Stoppsignal abgibt.

Ferner kann zur unmittelbaren Bildung der Differenz der beiden Saitenschwingungen in einem bestimmten Zeitintervall ein Vor-'Rückwärts-Zähler Diese Erfindung ist besonders für solche Geber von großer Bedeutung, die als Meßelement für Sicherheitsmeßvorrichtungen, z. B. zur Gewichtsbesehränkuiigen bei Kranlasten, oder für eichbare Geber, z. B. bei Waagen, eingesetzt werden.

Während die eigentliche Meßsaite hinsichtlich ihrer Einspannung den proportionalen Belastungsänderungen durch die Meßgröße ausgesetzt ist, wird die Referenzsaite konstruktiv so im Gebergehäuse angeordnet, daß auf sie nur die veränderlichen Spannungen bei Temperaturänderung der Umgebung einwirken.

Die Frequenzänderungen der Meßstrich- und Referenzsaite bei gleicher Temperaturänderung I T gegeben durch

+«.ιη

/, = /₀₂(l + η 17).

v/\ri»p«phpn «pin

Hierbei ist als Temperaturkoeffizient « der unterschiedliche Ausdehnungskoeffizient von Stahlsaite und Einspannvorrichtung eingesetzt, der im allgemeinen klein ist und daher die temperaturbedingte Frequenzbeeinfiussung linear angenommen werden kann.

Eine elektronische Auswertung der Frequenzen J\ und J₂ kann in Abwandlung des vorher beschriebenen Verfahrens auf folgende Weise geschehen. Zunächst wird dabei durch additive überlagerung der beiden harmonischen Saitenschwingungen die Differenzfrequenz /, — /₂ gebildet, wobei mittels eines Tiefpaßfilters alle anderen Frequenzgemische unterdrückt werden. Bezieht man diese Schwebungsfrequenz auf die Absolutfrequenz der Referenzsaite J₂. so erhält man eine von der Temperatur unabhängige Meßgröße

■ L_T ·'? _ -/oi_ ./02

da sich der temperaturabhängige Faktor herauskürzl. Die Frequenz J₂ bzw. deren Schwingungsdauer dient in einer entsprechenden Auswerteapparatur als temperaturvariable Zeitbasis an Stelle der bisher verwendeten konstanten Quarz-Oszillator-Frequenz. Nach Erreichen einer bestimmten Anzahl von Schwingungen, die zweckmäßigerweise als elektrische Impulse in einem Zähler gespeichert werden, wird ein gleichzeitiger Zählvorgang für die Schwebungsimpulse gestoppt. Die erreichte Anzahl stellt dann unmittelbar das gesuchte Meßergebnis dar.

An Stelle der Schwebungsfrequenz zur Differenz-Frequenzbildung läßt sich auch der jeweilige Zählwert eines Vor-'Rückwärts-Zählers für die Impulsfolgen /, und J₂ verwenden. An Stelle der additiven Mischung müssen dann beide Saitenschwingungen unmittelbar in Impulsfolgen umgesetzt werden. Die Erfindung zur Elimination des Temperaturfehlers erlaubt somit eine besonders einfache Eichung und Bewertung der Meßgrößen, da die Meßempfindlichkeit durch die vorwählbare Schwingungsanzahl der Frequenz J₂ als Eichfaktor in die Messung eingeht. Eine oft wünschenswerte Anfangsbereichsunterdrükkung zur Erhöhung der Meßwertauflösung kann leicht durch eine vorgegebene Zählwertunterdrükkun.u erreicht werden.

An den schematischen Zeichnungen wird die Erfindung noch weiter erläutert.

F i g. I zeigt einen Druckgeber mit Dehnungsmeßsaiten. Während die Frequenz/, der eigentlichen Meßsaite sich belastungsabhängig ändert. bleibt die Frequenz J₂ der Referenzsaite davon unbeeinflußt. Der auf beide Saiten gleichermaßen wirkende Temperatureffekt wird durch die besondere Auswerteelektronik eliminiert. Gemäß Fig. 2 wird in der Mischstufe mit Tiefpaßfilter die Differenzfrequenz /, — J₂ gebildet, deren Schwingungen nach Umformung in elektrische Impulsfolgen über eine Torschaltung von einem elektronischen Zähler aufsummiert und angezeigt werden. Die Zählung beginnt jeweils vom Nullpunkt nach einem Startsignal und endet automatisch,wenn ein vorgegebener Zählwert für die Schwingungen der Frequenz J₂ erreicht ist und der Vorgabezähler die Torstufe zum Hauptzähler sperrt. Damit wird im Hauptzähler die jeweilige Differenzfrequenz /, - J₂, bezogen auf Frequenz /₂, gespeichert, die angezeigt und registricrl werden kann.

Durch geeignete Auswahl der Vorgabewerte kam auf einfache Weise der entsprechende Meßwert ir einer bestimmten Dimension ziffernrichtig angegebci werden, da die vorgegebene Zahl die Dimensions basis bildet.

F i g. 3 zeigt die Frequenzauswertung mit reir digitalen elektronischen Baugruppen. Beide Saiten frequenzen /, und J₂ gelangen als Impulsfolgen übei eine Doppeltorstufe auf einen Vor-'Rückwärts-Zäh ler. der stets die jeweilige Differenzfrequcnz angibt Die Doppeltorstufc wird, wie im vorausgehender Beispiel, durch das Startsignal und das Stoppsigna des Vorgabezählers gesteuert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

2ϊ 09 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Elimination des Temperaturfehlers der Schwingsaite in Schwingsaiten-Meßwertgebern, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Frequenzänderungen einer zusätzlich im Meßwertgeber angeordneten Schwingsaite (Referenzsaite), welche den mechanischen Belastungen durch die Meßgröße ίο nicht ausgesetzt ist, zum Ausgleich des Temperaturfehlers der Meßsaite verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schwingsaiten-Meßwertgebern mit Meß- und Referenzsaite, als temperaturunabhängiger Meßwert der Quotient aus der Differenzfrequenz beider Dehnungsmeßsaiten und der Referenzfrequenz gebildet wird.

3. Gerät zur Auswertung der Signalfrequenzen von Schwingsaiten-Meßwertgebern mit Meß- und Referenzsaite nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine additive Mischstufe zur Bildung der Differenzfrequenz beider Saitenschwingungen, einen Tiefpaßfilter zur Unterdrükkung anderer Frequenzgemische als Impulsfolge und einen von dem Tiefpaßfilter betätigten Zähler, der von der Zeitbasis einer vorgegebenen Anzahl Referenzsaitenschwingungen gesteuert ist, umfaßt.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Zählers ein weiterer Zähler vorhanden ist, der nach Erreichen einer bestimmten Anzahl von Schwingungen ein Stoppsignal abgibt.

5. Gerät nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur unmittelbaren Bildung der Differenz der beiden Saitenschwingungen in einem bestimmten Zeitintervall ein Vor- Rückwärts-Zähler vorgesehen ist.