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Vorrichtung zum Befestigen einer schwingenden Saite an einem Teil
eines Messapparates Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zum Befestigen einer schwingenden Saite an einem Teil eines Messapparates, z.B.
einer Waage eines Dynamometers oder eines Dehnungsinesers mittels mindestens eines
BesBeschwerungskörpers und mindestens eines Zugorganes 5 das in zwei orthogonalen
Richtungen quer zur Saitenachse biegeweich ausgeführt ist.
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Nessapparate bei welchen schwingende Saiten als Frequenzgeber verwendet
werden, sind bekannt. So ist zum Beispiel im Schweizer Patent 447 653 ein Massen-
und Kraftmesser beschrieben, bei welchem die Saiten mittels-pilzförmiger Befestigungsvorrichtungen
mit runden Stielen am Gestell des Messers angebracht sind. Die Schwingungen einer
solchen Saite sind nicht nur von ihrer Masse, Länge und Spannkraft bestimmt, sondern
auch von der Art ihrer Verbindung mit dem Gestell, da Saite und Gestell schwingungstechnisch
gekoppelt sind. Die schwingungstechnische Isolierung mit dem Gestell ist infolge
der pilzförmigen Ausbildung der Befestigungsvorrichtung in den möglichen sechs Freiheitsgraden
verschieden und in der Richtung der Achsen der Stiele besonders schwach. Deshalb
ist auch
die Energieabsorption richtungsunabhängig und starken Schwankungen
unterworfen, je nachdem welche unbeabsichtigt mitschwingenden Teile des ganzen Gerätes
je Frequenz zum schwingenden System gehören. Die mitschwingenden Teile beeinflussen
nicht nur die Amplitude der Saite, sondern auch, in für genaue Messungen unzulässigem
Masse, deren Frequenz.
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Bei dieser Sachlage ist es erwünscht, über eine Befestigungsvorrichtung
für die schwingende Saite zu verfügen, die die Energieabgabe der Saite an das Gestell
eines Messapparates im Bereiche der Nutzfrequenzen auf einen genügend kleinen Wert
zu bringen vermag oder mit anderen Worten, diese Befestigungsvorrichtung für alle
Freiheitsgrade als Tiefpassfilter zu gestalten. Dieser Tiefpassfilter soll auch
in umgekerhter Richtung wirken: etwaige im Messapparat oder in der Umgebung vorhandene,
im Bereich der Saitenfrequenz liegenden Störschwingungen sollen die Saitenfrequenz
nicht stören. Eine solche Vorrichtung ist z.B. aus dem Schweizer Patent 533 299
bekannt, bei welcher Halteglieder vorgesehen sind, die in Saitenlängsrichtung als
B-iege-, vorzugsweise als Kreuzbiegegelenke gestaltet sind, so dass sie die Saite
an beiden Enden in wenigstens einer durch die Saitenachse gehenden Ebene von den
anschliessenden Teilen des Gerätes entkoppeln. In Längsrichtung bleibt jedoch die
Saite hartelastisch gekoppelt.
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Solche Vorrichtungen weisen jedoch in der Praxis zahlreiche Nachteile
auf. Sie verlangen eine sehr genaue Bearbeitung und somit hohe Fertigungskosten.
Ferner ist die Saite, da sie in Längsrichtung hartelastisch ist, parametrischen
Kopplungen, d.h. Kopplungen über die 2.Harmonische ausgesetzt.
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Solche Kopplungen sind wohl schwächer als in Richtungen quer zur Längsrichtung,
sie können jedoch nicht vernachlässigt werden, da über sie eine.unerwünsch-t-e Energieübertragung
stattfiri-den
könflte. Bei den bekannten Vorrichtungen könnte eine solche Kopplung nur dadurch
vermieden werden, dass Saite und Halteglieder sehr lang ausgeführt wären. Dies ist
bautechnisch misten-s unmöglich.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, eine
Vorrichtung zum Befestigen einer Saite an einem Teil eines Messinstrumentes zu schaffen,
die in bekannter Weise wohl in- zweizur Saitenachse orthogonalen Richtungen, aber-noch
zusätzlich in Richtung der Saitenachse weichelastisch wirkt und die somitdie erwünschte
Tiefpassfilterwirkung in drei zueinander orthogonalen Richtungen aufweist, ohne
jedoch die Nachteileder bekannten Vorrichtungen aufzuweisen.
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Die erfindu,flgsgemäs:se Lö-sung dieser Aufgabe besteht darin, dass
die höchste Schwingungsf;requenz des aus der Saite, dem Zugorgan und dem Be,scwerungskörper
gebildeten Schwingungssystems sowolle in Richtung der Saitenachse als auch allen
Richtungen quer dazu tiefer liegt, als die tiefste Nutzfrequenz der Saite. Gemäss
einer besonderen Ausführung der Erfindung können Saite und Zugorgan aus einem einzigen,
z.B. durch Stanzen, Aetzen oder elektrolytisches Abtragen hergestellten Stück bestehen.
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Dadurch wird- eine sehr genaue Bearbeitung beider Teile und somit
hohe Fertigungskosten vermieden.
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In der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch- dargestellt.
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Es ze-igen; -Fig. 1 einen Schweremesser mit eingebauter Saite, Fig.
2 und 3 eine Seiten- und eine Vorderansicht mit teilweisem Schnitt der Ausführung
nach Fig. 1 im Schweremesser eingebaut, Fig. 4 eine Ausführung de-r Saite und des
Zugorgans aus einem Stück, Fig. 5 und 6 eine Aus führungsvariante, und
Fig.
7-9 Ausführungsvarianten des Zugorgans.
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In Fig. 1 ist ein Schweremesser schematisch dargestellt. Er besteht
aus einem Gestell 1, an welchem eine Saite 2 mittels eines Zugorgans 3 angebracht
ist. Zwischen der Saite 2 und dem Zugorgan 3 ist ein Beschwerungskörper 4 vorgesehen.
Am unteren Ende der Saite 2 ist ein Körper 5 befestigt, dessen Masse wesentlich
grosser, z.B. 20 Mal, als die Masse des Beschwerungskörpers 4 ist. Ein Erreger-
und Abnehmerkopf 6 ist mit einem elektronischen Auswertegerät 7 verbunden. Bei bekannter
Masse des Beschwerungskörpers 4, des Körpers 5 und bei bekannten Saiteneigenschaften,
ist die Querschwingungsfrequenz der Saite 2 von der Schwerekraft bzw. vom Breitengrad
und Meereshöhe abhängig. Diese Frequenz wird im Auswertegerät verarbeitet und die
gewünschte Messung digital in der digitalen Anzeigevorrichtung 8 angezeigt. An einem
gegebenen Ort der Erde hingegen können aus der Frequenz der Saite 2 Schlüsse auf
die Grösse der Nasse des Körpers 5 bzw. deren Veränderung gezogen werden, d.h. die
Anordnung ist dies falles ein geeichtes Massen-Messinstrument und kann in diesem
Sinne auch als Waage für die unbekannte Masse 5 benützt werden.
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Würden Saite 2 und Zugorgan 3 einen gleichen Querschnitt und eine
gleiche Länge aufweisen, so wären - da das Gewicht des Körpers 5 in praktisch gleicher
Weise auf die Saite 2 und das Zugorgan 3 wirkt, gleiches Material vorausgesetzt
- die Querschwingungsfrequenzen des Zugorgans 3 und die der Messaite 2 praktisch
gleich, also störend. Deshalb wird beispielsweise die Länge und/oder der Querschnitt
des Zugorgans 3 leicht verändert, damit die Querschwingungen des Zugorgans 3 genügend
ausserhalb der Frequenz der Saite 2 liegt. Nimmt nun das Gewicht des Körpers 5 zu,
so erhöhen sich die Querschwingfre quenzen der Saite 2 und des Zugorgans 3 relativ
zueinander gleich, so dass sich die Resonanzfrequenz des Zugorgans 3
immer
mit dem gleichen Frequenzabstand ausserhalb des Nutzfrequenzbandes de-r Saite 2
befindet. Das System Saite 2 - Zugorgan 3 ist also immer in gleichem Masse verstimmt.
Bei den vorstehenden Ausführungen wird angenommen, dass die Saite 2 auf ihrer Grundfrequenz,
also auf ihrer ersten Ordnung schwingt. Eine höhere Ordnung, z.B. 2. oder 3. Ordnung,
ist oft im Gebrauch. In diesem Falle kann das Zugorgan 3 entsprechend gpkUrzt-werden,
wiederum bleiben Saite 2 und Zugorgan 3 über den ganzen Nutzbereich verstimmt.
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Der Béschwerungskörper 4 kann auch Schwingungen in der Längsrichtung
ausführen. Es wird vereinfachend vorausgesetzt, dass die Masse des Körpers 5 gegenüber
der Masse des Beschwerungskörpers 4 so gross ist, dass im Nutzfrequenzband der Saite
2 der Punkt 9 als fest betrachtet werden kann. Die Längselestizität der Saite 2
und des Zugorgans 3, die am Beschwerungskörper 4- zusammengekoppelt sind, bestimmt
die Frequenz des Beschwerungskörpers 4 in Längsrichtung. Die Frequenz dieser Schwingung
ist vom Gewicht des Körpers 5 praktisch unabhängig.
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Es wird deshalb die Masse des Beschwerungskörpers 4 so gross gewählt,
dass die Frequenz dieser Schwingung genügend unterhalh der -ciefsten Nutzfrequenz
der Messaite 1 liegt.
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Das ganze Schwingungssystem, bestehend aus dem Beschwerungskörper
4, Saite 2 und Zugorgan 3, zeichnet sich dadurch aus, dass seine Resonanzfrequenz
in Längsrichtung genügend unterhalb der tiefsten Nutzfrequenz, und dass seine Resonanzfrequenz
in den zwei zur Längsrichtung orthogonalen Richtungen erheblich tiefer als die Resonanzfrequenz
in Längsrichtung liegt. Die Resonanzfrequenz für Drehung des Beschwerungskörpers
um die Saitenachse liegt jedenfalls für eine Entkopplung tief genug. Die Resonanzfrequenz
um die Querachse kann z.B.
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durch Verlegung eines Teiles der Masse nach aussen ebenfalls
tief
genug gelegt werden.
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In Fig. 2, 3 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel schematisch dargesteilt.
Die Saite 2 und das Zugorgan 3 bestehen je aus einem Stück, das beispielsweise durch
einfaches Stanzen, Aetzen oder elektrolytisches Abtragen hergestellt werden kann.
Die Saite 2 und das Zugorgan 3 weisen je zwei Ringe 10, -10aund 11, lla auf. Der
Ring 11 ist mittels einer Scheibe 12 und einer-Schraube 13 am Gestell 1 befestigt.
In der Bohrung der Ringe lOa, lla steckt der erste Teil 14 des Beschwerungskörpers
4 somit dem Zapfen 15. Ueber diesen ist der zweite Teil, ein Hohlzylinderstück 16,
geschoben und durch Vernieten des Zapfens 15 befestigt. Die Masse des Teils 14,
des Zapfens 15, des Hohlzylinderstücks 16 und der Ringe 10a, lla hilden zusammen
somit die gesamte Masse des fleschwerungskörpers 4. Dieser könnte statt vernietet
auch auf andere Weise, z.B. durch Verschrauben, mit den Ringen 10a, lla fest verbunden
werden. Ferner ist ein am Gestell 1 angebrachter Schutzring 17 vorgesehen, der gegen
Schäden während Transport des Gerätes schützt. Der Körper 5 ist mittels einer Scheibe
18 und einer Schraube 19 an dem unteren Ring 10 der Saite 2 befestigt.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung gemäss welcher die Saite 2, ihr
unterer Ring 10, das Zugorgan 3 und seine Ringe 11, lla aus einem Stück bestehen.
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In der Ausführung nach Fig. 5, 6 besteht der Beschwerungskörper aus
zwei prismatischen Teilen 20, 21, die mittels Schrauben 22 verbunden sind.
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In den vorstehenden Ausflihrungsbcispielen (Fig. 4-6) bestehen die
Saite 2 und das Zugorgan 3 aus einem einzigen Stück. Diese beiden Elemente können
gemäss Fig. 2r3 einzeln ausgeführt und am Beschwerungskörper befestigt werden. Fig.
7-8 zeigen besondere Ausführungen des Zugorgans. Das Zugorgan 3 geroiss Fig. 7 kann
einen runden oder rechteckSgen Querschnitt haben und ist, mindestens im mittleren
Teil schrauben- oder wellenförmig. Die Endstücke können,
soweit
gerade, einen kleineren Querschnitt haben. Die Erhöhung der Längcelastizität erfolgt
durch Streckung der Wellen.
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Das Zugorgan 3 nach Fig. 8 weist einen bandförmigen Mittelteil auf,
der zur Erhöhung der Längselastizität ebenfalls wellenförmig -ausgebildet ist. -Im
Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 weist das Zugorgan 3 einen mittleren Ring 18 auf.
Die Erhöhung der Längselastizität erfolgt durch Streckung dieses ringförmigen Teiles.
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In allen Ausführungsbeispielen sind die verschiedenen Organe so gewählt,
(mit Bezug auf ihre Länge, Querschnitt, Masse und Weichheit) dass die höchste Schwingungsfrequenz
des aus der Saite 2, dem Zugorgan 3 und dem Beschwerungskörpers 4 bestehenden Schwingungssystems
tiefer liegt, als die tiefste Nutzfrequenz der Saite 2. Die praktische Verwirklichung
dieser Anleitung bietet für den Fachmann keine grosse Schwierigkeit.
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Die Zugorgane müssen natürlich mindestens auf einen Teil ihrer Länge,
zweckmässig an ihren Enden, in beiden Querrichtungen genügend biegeweich sein, dass
sie im wesentlichen nur Zugkräfte übertragen, deren Wirkungsgerade - an der Länge
des Zugorgans gemessen - annähernd mit der Verbindungsgeraden der zwei Anschlussstellen
des Zugorgans übereinstimmen. Die se Zugorgane sollen ferner so gewählt werden,
dass sie mit Bezug auf den Betriebsbereich der Saite verstimmt sind. Mit anderen
Worten, sollen sie stets mit einer Frequenz schwingen, die von derjenigen der Saite
verschieden ist.
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Die beschriebene Befes tigungs vorrichtung kann natürlich für Messgeräte
verschiedenster Art verwendet werden. Die Saite kann dabei z.B. beiderends an einem
Zugorgan befestigt werden.
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In diesem Falle wird an jedem Ende der Saite je ein Beschwerungskdrper
vorgesehen.