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Vorrichtung zum Befestigern einer schwingenden Saite an eie 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 Dynamomieters oder eines Dehnungsmessers, mittels mindestens
einem Bes chwerungs -körper und elastischen Halteorganen.
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Mes 5 apparate bei welchen schwingende Saiten als Frequenzgeber verwendet
werden sind bekannt. Se ist zum Beispiel i.m Schweizer Patent 447 653 ein Massen-
und Kraftmesser beschrieben, bei welchem die Saiten mittels pilzförrnigen 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 schwingungstechiische
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 richtungsabhängig 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
zu verfügen, die die Energieabgabe der Saite an das Gestell eines Messapparates
im Bereich der Nutzfrequenzen auf einen genügend kleinen Wert zu bringen vermag
oder mit anderen Worten, diese Befestigungsvorriehtung für alle Freiheitsgrade als
Tiefpassfilter zu gestalten. Dieser Tiefpassfilter soll auch in imgekehrter Richtung
wirken, damit etwaige im Messapparat oder in der Umgebung vorhandene im Bereich
der Saitenfrequenz liegenden Störschwingungen die Saitenfrequenz nicht stören.
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Aus dem DDR Patent.99 249 ist eine Befestigungsvorrichtung bekannt,
die im wesentlichen diese Bedingungen erfüllt. Sie weist einen mittels mindestens
eines biege- und torsionselastischen Verbindungsteils mit einem Teil des Messapparates
verbundenen Befestigungskopf auf, welcher Verbindungsteil sich mindestens
teilweise
ausserhalb der seinen Befestigungspunkt an diesem Teil mit dem Schwerpunkt des Befestigungskopfes
verbindenden Geraden erstreckt. Diese Vorrichtung hat allerdings den Nachteil, dass
der erwähnte biege- und torsionselastlsche Teil eine erhebliche Masse haben kann.
Dies erfordert vom Fachmann eine sehr genaue Berechnung der Dimensionen dieses Elementes,
um eine Anpassung an die Geräte für welche sie vorgesehen sind, zu gewährleisten.
Ferner-ist es verhältnismässig schwierig, ihre Längs- und Querschwingungen zu begrenzen.
Die Fertigung dieser Elemente kann, je nach der gewählten AusfUhrung, hohe Kosten
erfordern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Befestigungsvorrichtung
mit einer in drei orthogonalen Richtungen weichelastischen Halterungen zu schaffen,
die die erwähnten Bedingungen hinsichtlich der Wirkung als Tiefpassfilter erfüllt
und gleichzeitig eine leichte Dimensionierung der verschiedenen Elemente erlaubt.
Ferner sollen diese Elemente keine besondere Fertigungsgenauigkeit erfordern und
somit wirtschaftlich vorteilhaft sein.
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Die erfindungsgemEsse Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass mindestens
zwei Zugorgane zwischen Beschwerungskörper und dem genannten Teil des Messapparates
angeordnet sind, wobei die Resonantrrequenzen des aus der Saite, den Zugorganen
und dem Beschwerungskdrper bestehenden Schwlngungssystems in allen Richtungen um
den für die Filterwirkung erforderlichen Frequenzabstaiid
tiefer
liegen als die tiefste Nutzfrequenz der Saite, jedoch um den für die Filterwirkung
erforderlichen Frequenzabstand höher als die höchste von aussen auf das Gestell
wirkende Störfrequenz.
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Zugorgane sind vorzugsweise Organe, die Kräfte in der Grössenordnung
der Saitenkraft nur als Zugkraft aufnehmen können, wobei die Wirkungsgerade der
Zugkraft mindestens annähernd die Anschlussstellen durchquert. Dies gilt auch für
handförmige Zugorgane bezüglich der Breite des Bandes.
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In der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Schweremesser mit eingebauter Saite, Fig.
2 eine Variante zu Fig. 1, Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel, Fig. 4-9 Aus
führungsvarianten der Zugorgane, und Fig. 10-12 eine Ausführung der Saite und der
Zugorgane aus einem einzigen Stück.
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In Fig. 1 ist ein Schweremesser schematisch dargestellt. Er besteht
aus einem Gestell 1, an welchem eine Saite 2 mittels dreier Zugorganen 3 angebracht
ist. Zwischen der Saite 2 und den Zugorganen 3 ist ein Beschwerungskörper 4 vorgesehen.
Am unteren Ende der Saite 2 ist ein Körper 5 befestigt, dessen Masse wesentlich
grösser, z.B. 20 Mal, als die Masse des Beschwerungskörpers 4 ist. Ein Erreger-
und Abnehmerkopf 6 ist
mit einem elektronischen Auswerteger-ät 7
verbunden. Bei bekannter Masse des Beschwerungskörpers 4, des Körpers 5 und bei
bekannten Saiteneigenschaften, ist die Querschwingungsfrequenz der Saite 2 -von
der Schwerkraft, bzw. von Breitengrad und Meereshöhe abhängig. Diese Frequenz wird
im Auswertegerät 7 verarbeitet und die gewünschte Messung digital in der Anzeigevorrichtung
8 angezeigt. An einem gegebenen Ort der Erde hingegen können aus der Frequenz der
Saite 2 Schlüsse auf die Grösse der Masse des Körpers 5 bzw. deren Veränderung gezogen
werden, d.h. die Anordnung ist dies falls ein geeichtesMassen-Messinstrument und
kann in diesem Sinne auch als Waage benützt werden.
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Die drei Zugorgane 3 sind drahtförmig, d.h. dass sie in keiner Richtung
biegesteif sind. Sie können zweckmässig mindestens annähernd in der Lage der Kanten
eines Tetraeders oder eines anderen regelmässigen Polyeders angeordnet werden. Die
Achsen der Zugorgane schneiden sich annähernd in einem Schnittpunkt, der annähernd
auf der Achse der Saite 2 liegt. Der genannte Schnittpunkt kann zweckmässig mindestens
annähernd rnit dem Schwerpunkt des Beschwerungskörpers 4 zusammenfallen. Sind die
drei Zugorgane mit einem kleinen Winkel rotationssymmetrisch zur Saitenachse angeordnet
und haben sie je eine Querschnittsfläche von Y3 der Querschnittsfläche der Saite-
und gleiche Länge wie diese, so sind - bei gleichem Material - die Querschwingfrequenzen
praktisch gleich. Die Frequenz der Zugorgane 3 könnte die Frequenz der Saite 2 stören.
Deshalb wird beispielsweise
die Länge und/oder der Querschnitt der
Zugorgane 3 leicht verändert, damit die Querschwingungen der Zugorgane 3 genügend
ausserhalb der Frequenz der Saite 2 liegen. Nimmt nun das Gewicht des Körpers 5
zu, so erhöhen sich die Querschwingfrequenzen der Saite 2 und der Zugorgane 3 relativ
zueinander gleich, so dass sich die Resonanzfrequenz der Zugorgane 3 immer mit dem
gleichen Frequenzabstand ausserhalb des Nutzfrequenzbandes der Saite 2 befindet.
Das System Saite 2 - Zugorgane 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 können die Zugorgane 3 entsprechend gekürzt
werden, wiederum bleiben Saite 2 und Zugorgane 3 über den ganzen Nutzbereich verstimmt.
Der Beschwerungskörper 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 Längselastizität der Saite 2
und der Zugorgane 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 gewelt,
dass die Frequenz dieser Schwingung genügend unterhalb der tiefsten Nutzfrequenz
der Messaite 1 liegt.
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Die rotationsSymmetrische Anordnung der Zugorgane 3 ist praktisch,
aber nicht notwendig. Fig. 2 zeigt schematisch eine nicht rotationssymmetrische
Anordnung. Am Gestell 1 sind drei Zugorgane 3a, 3b, 3c gleicher Länge befestigt.
Der Schnittpunkt ihrer Achsen fällt mit der Achse der Saite 2 und mindestens annähernd
mit dem Schwerpunkt des Beschwerungskörpers 4 zusammen.
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Die Querschnittsfläche der Zugorgane kann proportional zum vom Zugorgan
aufzunehmenden Anteil an der Saitenkraft sein, jedoch so, dass die Frequenz der
Zugorgane gegenüber der Saitenfrequenz oder deren Oktaven verstimmt ist. Die Anordnung
der drei Zugorgane 3 als Kanten einer Pyramide hat immer zur Folge, dass die Lage
der Spitze, und damit die Lage des Beschwerungskörpers 4 geometrisch bestimmt ist,
und dies unabhängig von der Saitenspannung. Mit verschiedener Spreizung der Zugorgane
3 bzw.
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3b, 3c kann die Stabilität in allen Richtungen quer zur Saitenachse
verschieden gewählt bzw. angepasst werden. Die drei Zugorgane sind auf Zug beansprucht,
das Zugorgan 3a nimmt den grössten Teil des Saitenzuges auf.
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Fig. 3 zeigt eine in einem Teil eines Kraft- oder Dehnungsmessers
montierten Saite. In einer Aussparung 11 eines Stabes 10, der auf Druck und/oder
Zug beansprucht werden kann, sind auf den Flächen 12 der Aussparung 11 zwei Paare
von Zugorganen 13, 13a angeordnet. Am Schnittpunkt je eines Paares sind die Enden
einer vorgespannten Saite 2 befestigt und dort befindet sich je ein Beschwerungskörper
4. Jedes Paar von Zugorganen
besteht aus einem drahtförmigen Zugorgan
13 und einem bandförmigen Zugorgan 13a. Letzteres hat zweckmässig die gleiche Querschnittsfläche
wie das drahtförmige Zugorgan 13. Die geometrische Lage des Schnittpunktes der Achsen
der Zugorgane 13, 13a, und der Saite 2 in der z-Richtung ist durch die Biegesteifigkeit
mindestens des einen Zugorganes, 13a, bestimmt. Das Verhältnis von Breite und Dicke
wird nach den Erfordernissen der Nachgiebigkeit in Richtung der z-Achse gewählt,
während die Spreizung der Zugorgane die Nachgiebigkeit in Richtung der x-Achse bestimmt.
Es ist auch möglich, statt eines Paares von drahtförmigen und eines bandförmigen
Zugorganen zwei bandförmige zu verwenden.
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Das Schwingungssystem bestehend aus dem Beschwerungskörper 4, der
Saite 2 und den Zugorganen 3 zeichnet sich somit dadurch aus, dass infolge der Längselastizität
der Saite 2 und der Zugorgane 3 die Resonanzfrequenz in der Richtung der Saitenachse
um den erforderlichen Frequenzabstand tiefer liegt, als die tiefste Nutzfrequenz
der Saite, wobei ausserdem die Resonanzfrequenz in allen zur Saitenachse orthogonalen
Richtungen im gleichen Sinne tief genug liegt. Die Resonanzfrequenzen in allen Richtungen
liegen jedoch um den für die Filterwirkung erforderlichen Frequenabstand höher als
die höchste von aussen auf das Gestell wirkende Störfrequenz. Die Resonanzfrequenzen
bezüglich drehung des Beschwerungskörpers 4 um die Saitenachse und um alle Achsen
orthogonal zur Saitenachse liegen im allgemeinen
für eine Entkopplung
schon tief genug. Gegebenenfalls könnte sie, durch Verlagerung eines Teiles der
Masse des Beschwerungskörpers 4 nach aussen, tiefer gelegt werden.
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Zu Anfang der Beschreibung wurde erklärt, dass die Resonanzrrequenzen
der Zugorgane gegenüber der Saitenfrequenz dauernd verstimmt ist; somit ist dargelegt,
dass sowohl die Resonanzfrequenz des ganzen Schwingungssystems, als auch einzelner
Teile in allen möglichen Schwingungsmodi in einem nichtstörenden Bereich liegt.
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Wie bereits erwähnt, können die Zugorgane drahtförmigoder bandförmig
sein. Fig. 4-5 und 7-8 zeigen Zugorgane, die zur Erhöhung ihrer Längselastizität
einen wellenförmigen Mittelteil aufweisen.
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Fig. 6 und 9 zeigen Zugorgane mit ringförmigem Mittelteil, ebenfalls
zur Erhöhung der Längselastizität. Die Herstellung aus Bleck oder Band kann zB.
erfolgen durch Stanzen oder Trennen durch Setzen, Funkenerodieren oder elektrolytisches
Abt ragen.
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Fig. 10, 11, 12 zeigen in Auf- Seiten- und Grundriss eine Saite 2
mit drei Zugorganen 3, die aus einem Stück in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt
wurde, z.B. durch Stanzen. Ein mittleres, ringförmiges Stück 14 ist zur Befestigung
eines Beschwerungskörpers 4 bestimmt. An einem Ende jedes Zugorganes 3 befinden
sich zur Befestigung am Gestell 1 bestimmte Scheiben 15.
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Dicht am mittleren ringförmigen Stück 14 ist das mlttlere Zugorgan
3 aus der Saitenebcne heraus nach der einen, die zwei
Susseren
Zugorgane 3 nach der anderen Seite leicht abgebogen, so dass sie annähernd wie die
Kanten einer dreiseitigen Pyramide liegen. Die Scheiben 15 sind wieder in eine zur
Saitenebene parallele Ebene gebogen, damit sie am Gestell 1 flach anliegen und z.B.
angeschraubt werden können.
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Die Zugorgane 3, bzw. 3a, 3b, 3c und die Saite 2 wirken immer nach
Art eines Fachwerks zusammen, so dass die Lage des Beschwerungskörpers, - weichelastis
ch-geometriscli bestimmt - und die Saitenkraft in bestimmter Verteilung auf die
Zugorgane über tragen wird. Im Falle mindestens eines bandförmigen Zugorganes bestimmt
die beschränkte Steifigkeit über die Breite des Zugorganes zur geometrisch -weichelastischen
Lagebestlmmung des Beschwerungskörpers 4.