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Verfahren zur automatischen digitalen Auswertung der Frequenzen von
Dehnungsmeßsaiten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Auswertung
der Frequenzen von Dehnungsmeßsaiten bei der Massebestimmung mit Waagen oder bei
der Drehmoment- bzw. Leistungsmessung an Antriebswellen.
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Zur Wägung und zur Messung der Kraft- und Drehmomentübertragung aus
der resultierenden Dehnung bzw. Torsion eines Körpers existieren Verfahren, die
die Frequenzänderung einer schwingfähig gespannten Saite auswerten. Die Saite ist
in geeigneter Weise mit dem Körper verbunden, um in Abhängigkeit von seiner geometriscien
Formänderung eine möglichst große Spannkraftänderung mlne e daraus bedingte große
Eigenfrequenzänderung zu erhalten.
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Dieses Verfahren wird am Beispiel einer Gewichtsmessung mit einer
Saitenwaage im folgenden ausführlicher erläutert.
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In Fig. 1 ist die grundsätzliche Anordnung eines Schwingsaitenmeßwertgebers
schematisch dargestellt. Zwischen einem festen Rahmen 1 und einem beweglichen Schalenträger
2 ist eine Saite 3, beispielsweise aus Stahl, schwingfähig gespannt. In der Nähe
der Saite 3 ist ein Elektromagnet 4 angeordnet. schickt man über die Leitungen 5,
6 einen Gleichstrom, so übt der Elektromagnet 4 eine magnetische Kraft auf die Saite
3 aus und lenkt sie aus ihrer Ruhelage aus.
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Nach Abschalten des Stromes schnellt die Saite 3 zurück und schwingt
gedämpft in ihrer Eigenfrequenz aus. Dabei induziert sie in der Wicklung des Magnetkörpers
4 eine
Spannung gleicher Frequenz, die an den Enden der Leitungen
5, 6 gemessen werden kann.
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Die Eigenfrequenz wird durch die effektive Masse der Saite und die
Spannung der Saite, die der Dehnung proportional ist, bestimmt. Bei einer an beiden
Enden fest eingespannten Saite der Länge L, der Dichte s des Saitenmaterials, der
Querschnittsfläche F und der Spannung SO beträgt die Eigenfrequenz
wobei b eine Saitenkonstante ist. Der Arbeitsfrequenzbereich der Saite liegt im
hörbaren Niederfrequenzbereich, d. h.
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die Eigenfrequenz f0 wird über die Spannung SO auf einen Wert zwischen
etwa 700 und 1000 Hz eingestellt. Die Spannung darf nicht zu klein sein, da sonst
die Saite auf die Polflächen des Magneten gezogen wird. Hierdurch ist die niedrigste
Frequenz festgelegt.
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Es ist auch üblich und bekannt, die Saite zu Dauerschwingungen anzuregen.
Dazu ist die Saite, tnlderen mittleren Teil eine enge Spirale aus Weicheisendraht
als Anker gewickelt sein kann, mit zwei Magnetkreisen versehen. Dauerschwingungen
der Saite mit ihrer Eigenfrequenz werden über eine elektronische Rückkopplung mit
den Magnetkreisen erreicht.
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Durch die Wirkung einer aufgelegten Masse M wird die Spannkraft der
Saite von SO auf S1 erhöht. Das Meßelement erfährt eine Dehnung S, die gegeben ist
durch S1 ~ S = E F 5 {2) Hier ist E /cm3 der Elastizitätsmodul des Saitenmaterials.
Durch
die zusätzliche Spannkraft wird die Eigenfrequenz der Saite auf den Wert f1 erhöht.
Wenn die Dehnung der Saite unterhalb ihrer Elastizitätsgrenze verbleibt (hierdurch
wird die maximale Betriebsfrequenz bestimmt), gilt für die Frequenzänderung
wobei c wiederum eine Saitenkonstante ist, die für jedes Meßelement durch Eichung
ermittelt werden muß.
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Durch Frequenzmessung läßt sich somit die Spannung der Saite und somit
die Masse des Körpers ermitteln.
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Es wurde ein Verfahren zur digitalen Quadratur des Verhältnisses einer
variablen Meßfrequenz zu einer konstanten Grundfrequenz vorgeschlagen, wobei die
inkrementale Berechnung eines Polynoms zweiten Grades aus dem Verhältnis zweier
Frequenzen f und f0 mit zwei aufeinanderfolgenden Zählintervallen (T1 und T2) erfolgt.
Während der Zeit T1 werden einem Grundzähler Zählimpulse der Vergleichsfrequenz
f0 auf den Abwärtszähleingang, einem Steuerzähler Impulse der Frequenz f auf den
Aufwärtszähleingang, wobei der Abwärtszähleingang gesperrt bleibt, und einem Meßzähler
Zählimpulse der Frequenz fx auf den Aufwärtszähleingang zugeführt. Das Zählintervall
T1 wird beendet, wenn der Grundzähler den Nulldurchgang erreicht. Damit wird das
zweite Zählintervall T2 eingeleitet, in dem dem Meßzähler Impulse der Frequenz fx
und dem Steuerzähler Impulse der Frequenz f0 auf den Abwärtseingang zugeführt werden,
bis der Steuerzähler den Nulldurchgang erreicht und dadurch das zweite Zählintervall
T2 beendet wird. Das Ergebnis der Rechnung steht dann im Meßzähler.
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Die Genauigkeit dieses Meßergebnisses wird maßgeblich dadurch bestimmt,
wie konstant die Vergleichsfrequenz f0 ist.
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Das bekannte Verfahren hat den erheblichen Nachteil, daß
als
Vergleichsfrequenz f die Eigenfrequenz einer zweiten Saite mit konstanter Vorlast
dient. Die Eigenfrequenz dieser Saite mit fester Vorlast ist jedoch keineswegs konstant,
da die Umweltbedingungen die Frequenz einer Saite beeinflussen. Solche Umweltbedingungen
können z. B. Temperatur, Beschleunigung, Feuchte und Druck sein. Die Temperaturänderung
beispielsweise führt zu einer Dehnung und damit zu einer Frequenzänderung. Mit'der
bekannten Anordnung, bei der die Frequenz der Vergleichssaite konstant ist, werden
die dadurch'entstehenden Fehler nicht kompensiert. Ähnlich wirken die übrigen Störgrößen
Beschleunigung, Feuchte und Druck.
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Es ist dagegen bekannt, die aus obigen Störgrößen resul-Gierenden
Fehler bei praktischen Anordnungen dadurch zu vermeiden, daß das System mit einer
zweiten Meßsaite (Kompensationssaite) für eine entgegengesetzte Frequenzänderung
versehen wird, wobei durch die Wirkung der aufgelegten Masse diese zweite Saite
eine entgegengesetzte Frequenzänderung erfährt (s. Fig. 2). Die Eigenschaften der
beiden Meßsaiten bzgl. Ausdehnungskoeffizient und Eichkonstante sind so aufeinander
abgestimmt, daß Temperaturschwankungen die Frequenzquadrate der beiden Saiten um
den gleichen Betrag ändern. Da die beiden Saiten gegeneinander wirken, werden die
Temperaturfehler kompensiert, ebenso die Fliehkraft- und Schwerkrafteinflüsse, die
nur auf die Gleichgewichtslage wirken und die Frequenzquadrate dadurch gleichsinnig
verändern. Wenn keine Masse wirkt, schwingen die beiden Saiten in den Grundfrequenzen,
die vorzugsweise gleich groß gewählt werden, um systematische Fehler weitgehend
zu eliminieren. Man erhält dann die Spannungsänderung aus der Differenz der Frequenzquadrate
der Saiten:
oder, falls f01 = f02
Da die Spannkraftänderung der Saiten dem Quadrat der Eigenfrequenz proportional
ist, also kein linearer Zusammenhang besteht, kann keine unmittelbare Auswertung
der Frequenzsignale durchgeführt werden.
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In der Literatur wurde eine Reihe von Vorschlägen zur Auswertung der
Gleichung (5) gemacht. So wurde z. B. gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 20
37 385 vorgeschlagen, entweder die elektrischen Schwingungen der Meß- und Kompensationssaite
in einer additiven Mischstufe analog zu überlagern und die ausgefilterten Summen-
und Differenzfrequenzen miteinander zu multiplizieren oder die elektrischen Saitenschwingungen
in Impuisfolgen umzusetzen und die nach Koinzidenzauflösung in digitalen Zählstufen
gebildeten Summen- und Differenzfrequenzen miteinander zu multiplizieren.
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Dieses Verfahren beruht somit auf der bekannten mathematischen Umformung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für eine genaue und sichere
digitale Auswertung der Frequenzsignale von Dehnungsmeßsaiten nach Gl. (6) mit vergleichsweise
geringem elektronischen Aufwand und geringem Leistungsverbrauch anzugeben. Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß während einer festen Zeit t1, die
z. B.
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von einem Zähler Z1 mit einer Zeitfrequenz ft 2. B. eines Quarzoszillators
vorgegeben werden kann, die Summenfrequenz (f1 + f2) auf einen Zähler Z2 geführt
wird. Für ein variables längeres Zeitintervall t2 wird eine feste Zeitfrequenz 9
auf einen Zähler Z3 gegeben, bis die Zählrinha1te von Z2 und Z3 fibereinstimmen.
Die Zählung der Differen2frequenz (fl « 12, auf einem Zähler Z4 wird nach Ablauf
des Zeitintervalls t2 beendet; der Inhalt von Z4 ist dann proportional der Differenz
der Quadrate der bei;M^- Dehnungsmeßsaiten (f21 - f22).
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In einer besonderen Ausführung des Verfahrens kann die Frequenz 2
der zweiten Dehnungsmeßsaite Null sein.
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In den Zeichnungen soll die Erfindung beispielsweise noch näher erläutert
werden. Es zeigt - Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Gewichtsmessung
mit einer Dehnungsmeßsaite - Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
zur Gewichtsmessung mit zwei Dehnungsmeßsaiten - Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel
zum Verfahren gemäß der Erfindung Die Fig. 1 und 2 stellen die bereits als Stand
der Technik beschriebenen bekannten Vorrichtungen zur Gewichtsmessung mit Dehnungsmeßsaiten
dar.
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In Fig. 3 bezeichnet ft die feste Frequenz eines Zeitgebers, z. B.
eines Quarzoszillators; f1 und f2 sind die Frequenzen der beiden Saiten.
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Die Zeitfrequenz ft wird vom Zeitpunkt t = O an auf einen Zähler Z1
gegeben, der bei einem voreingestellten Inhalt stoppt. Damit wird eine feste Zeit
t1 vorgegeben, z. B. Is.
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Gleichzeitig werden die Frequenzen f1 und f2 über eine Summierstufe
32 auf einen Zähler Z2 geleitet, der somit das Ergebnis (f1 + f2) registriert. Nach
der vom Zähler Z1 vorgegebenen Zeit t1 wird der Zähler Z2 ebenfalls gestoppt; Z2
hat zum Zeitpunkt t1 den Inhalt (f1 + 2); t1. Dieser Inhalt wird auf eine Komparatorstufe
35 gegeben. Ebenfalls von t = O an wird die Zeitfrequenz ft auf einen weiteren Zähler
Z3 geführt, dessen Inhalt ebenfalls in die Komparatorstufe 35 geleitet wird. Falls
die Inhalte von Z2 und Z3 gleich sind, liefert die Komparatorstufe 35 ein Ausgangssignal.
Dies ist zum Zeitpunkt t2 = (f1 + f2). t1/ft er reicht.
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Die Frequenzen f1 und f2 werden außer auf die Summierstufe 32 auch
auf eine Differenzstufe 36 geleitet; der Zähler Z4 zählt somit die Größe (f1- f2).
. Der Komparator 35 stoppt die Zählung von Z4 zum Zeitpunkt t2. Z4 hat dann den
Inhalt
Der Zähler Z4 liefert somit nach dem Zeitintervall t2 einen Wert, der der Spannungsänderung
der Saiten gemäß Gleichung (5) direkt proportional ist. Mit diesem Verfahren werden
somit die Nachteile der bekannten Nachweismethoden vermieden.
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Das Verfahren enthält natürlich den Spezialfall, daß nur mit einer
Saite gearbeitet wird. In diesem Fall ist f2 = 0 und somit liefert der Zähler Z4
ein Ergebnis proportional f2.
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Der Block 38 bezeichnet eine Stufe, in der zu dem Ergebnis von Z4
die Nullwerte f 2 und f 2 gemäß Gl. (4) hinzuo2 gefügt werden können und das Resultat
mit Eichfaktoren multipliziert wird, um direkt das Ergebnis für beispielsweise die
Masse oder das Gewicht etc. zu erhalten. 39 stellt eine Digitalanzeige dar. Das
Ergebnis kann jedoch über einen Digital-Analog-Wandler 40 und ein Instrument oder
Schreiber 41 in üblicher Weise auch analog dargestellt werden.
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In Fig. 3 sind die Elemente zur Steuerung und Nulleinstellung der
Zähler Z1 bis Z4 der Ubersichtlichkeit halber weggelassen worden.
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Eine Vereinfachung des Verfahrens ergibt sich, wenn die Zähler Z1
und Z3 für die Zeitfrequenz ft zu einem einzigen Zähler zusammengefaßt werden.