DE2534219C3

DE2534219C3 - Schaltungsanordnung zur digitalen Auswertung der in Form elektrischer Signale vorliegenden Frequenzen von Dehnungsmeßsaiten

Info

Publication number: DE2534219C3
Application number: DE19752534219
Authority: DE
Inventors: Otto Dipl.-Phys. Dr. 2000 Hamburg Blunck
Original assignee: H MAIHAK AG 2000 HAMBURG
Current assignee: H Maihak AG
Priority date: 1975-07-31
Filing date: 1975-07-31
Publication date: 1979-12-06
Also published as: JPS5218376A; DE2534219B2; DE2534219A1

Description

(Fi+F₂)- (Fi-Fi)=Ff-Fi¹-,

mit Schaltungen zum Erhalten der Summen- und der Differenzfrequenz, mit einem Taktgeber sowie mit elektronischen Zählern, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltung (32) zum Erhalten der Summenfrequenz ff + Fi) ein erster Zähler (Zi) ι -> nachgeordnet ist, dessen Zählbereitschaft für eine feste Zeit (t\) vom Taktgeber steuerbar ist, daß die den Takt des Taktgebers bestimmende Frequenz (F₁) einen zweiten Zähler (Zj) beaufschlagt, daß der Ausgang des. ersten Zählers (Zi) und der Ausgang 2» dss zweiten Zählers (Zj) an einen Komparator (35) gelegt sind, welcher dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Inhalte des ersten und zweiten Zählers gleich sind und daß der Schaltung (3(5) zur Bildung der Differenzfrequenz (Fi-Fi) ein dritter r, Zähler (Zt) nachgeordnet ist, dessen Zählbereitschaft durch das Ausgangssignal des Komparators (35) unterbindbar ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber aus einem die jo Frequenz (F) erzeugenden Quarzoszillator' und einem vierten Zähler (Z\) besteht

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zähler (Zj) und der vierte Zähler (Zi) zu einem Zähkr zusammengefaßt η sind.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur digitalen Auswertung der in Form elektrischer Signale vorliegenden Frequenzen von Dehnungsmeßsaiten nach dem Oberbegriff von Anspruch I.

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 Abhängigkei'l von seiner geometrischen Formänderung eine möglichst große Spannkraftänderung und eine daraus bedingte große Eigenfrequenzänderung zu erhalten.

Dieses Verfahren wird am Beispiel einer Gewichtsmessung mit einer Saitenwaage im folgenden ausführlicher erläutert.

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 Said; 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 1 aus und lenkt sie aus ihrer Ruhelage aus. Nach Abschalten des Stromes schnellt die Saite 3 zurück und schwingt gedämpft in ihrer Eigenfrequenz aus. Dabei induziert sie in der Wicklung des Magnelkörpers A eine Spannung gleicher Frequenz, die an den Enden der Leitungen 5,6 gemessen werden kann.

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 L₁ der Dichte ρ des Saitenmaterials, der Querschnittsfläche F und der Spannung So beträgt die Eigenfrequenz

f - -L

^/n - 2 L

fn —

wobei b eine Saitenkonstante ist Der Arbeitsfrequenzbereich der Saite liegt im hörbaren Niederfrequienzbereich, d. h. die Eigenfrequenz Fo wird über die Spannung Sa 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 dis niedrigste Frequenz festgelegt

Es ist auch üblich und bekannt, die Saite zu Dauerschwingungen anzuregen. Dazu ist die Saite, um deren 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 Magne.tkreisen erreicht

Durch die Wirkung einer aufgelegten Masse M wird die Spannkraft der Saite von 5b auf 5, erhöht Das Meßelement erfährt eine Dehnung n, die gegeben ist durch

5, - .Sb = E ■ F ■ ι.

Hier ist £[N/cm²] der Elastizitätsmodul des Sailenmaterials.

Durch die zusätzliche Spannkraft wird die Eigenfrequenz der Saite auf den Wert /Ί erhöht. Wenn die Dehnung der Saite unterhalb ihrer Elastizitätsgrenze verbleibt (hierdurch wird die maximale Betriebsfrequenz bestimmt), gilt für die Frequenzänderung

/ι² - ./.? = h (S₁ - S_n) = c·

wobei c wiederum eine Saitenkonstantc ist, die für jedes Meßelement durch Eichung ermittelt werden muß.

Durch Frequenzmessung läßt sich somit die Spannung der Saite und somit die Masse des Körpers ermitteln.

Es wurde ein Verfahren zur digitalen Quadratur des Verhältnisses einer variablen Meßfrequenz zu einer konstanten Grundfrequenz vorgeschlagen, wobei die inkremental Berechnung eines Polynoms zweiten Grades aus dem Verhältnis zweier Frequenzen F_x und Fo mit zwei aufeinanderfolgenden Zählintcrvallen (Ti und Ti) erfolgt. Während der Zeit 7Ί werden einem Grundzähler Zählimpulse der Vergleiehsl'requenz F₀ auf den Abwärtszähleingang, einem Steuerzahler Impulse der Frequenz F, auf den Aufwärtszähleingiing, wobei der Abwärtszähleingang gesperrt bleibt, und einem Meßzähler Zählimpulse der Frequenz F, auf den Aufwärlszähleingang zugeführt. Das Zählintervall 71 wird beendet, wenn der Gnindzähler den Nulldurchgang erreicht. Damit wird das /weite Zählintervall Ti eingeleitet, in dem dem Mcß/ählcr Impulse der

Frequenz Λ unU dem Steuerzähler Impulse der Frequenz f₀ auf den Abwärlseingang zugeführt werden, bis der Steuerzähler den Nulldurchgang erreicht und dadurch das zweite Zählintervall 7a beendet wird. Das Ergebnis der Rechnung steht dann im Meßzähler.

Die Genauigkeit dieses Meßergebnisses wird maßgeblich dadurch bestimmt, wie konstant die VerglHchsfrequenz fa ist Das bekennte Verfahren hat den erheblichen Nachteil, daß als Vergleichsfrequeaz /ö 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.

Es ist dagegen bekannt die aus obigen Störgrößen resultierenden 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 Spannungsäniderung aus der Differenz der Frequenzquadrate der Saitisn:

ι'.; = _2h uff - ti) - if} - /„,» (4)

oder, fulls /„, = /„,:

1 ., ₂

(5)

Da die Spiinnkraftändcningder Saiten dem Quadrat der Eigenfrequenz pioportional ist, also kein linearer Zusammenhang besteht, kann keine unmittelbare Auswertung der Frcqiienzsignale durchgeführt werden. In der Literatur wurde eine Reihe von Vorschlägen zur Auswertung der Gleichung (5) gemacht. So ist es L. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 20 37 585 bekannt, entweder die elektrischen Schwingungen der Meß- und Konipensationssaite in einer additiven Mischstufe analog zu überlagern und die ausgefilterten Summen- und Differenzfrequenzen miteinander zu multiplizieren oder die elektrischen Saitenschwingungen in Impulsfolgen umzusetzen und die nach Koinzidenzaiiflösiing in i!^:gitalen Zählstufen gebildeten Summen- und Differenzfrequenzen miteinander zu multiplizieren. Dieses Verfahren beruht somit auf der bekannten mathematischen Umformung

-, Ausgehend von der eingangs genannten Schaltungsanordnung, wie sie aus der DE-OS 20 37 585 bekannt ist, besteht die Aufgabe vorliegender Erfindung darin, mit geringem Aufwand die genaue Differenz der Frequenzquadrate zu erhalten und den Zusammenhang zwischen

in dieser Differenz und dem Meßergebnis präzis zu linearisieren.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus Anspruch I. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

ti Die Schaltungsanordnung ist auch dann anwendbar, wenn 6 Null ist.

Anhand der Fig.3 wird die Schaltungsanordnung nach der Erfindung beispielhaft erläutert

In Fig.3 bezeichnet f, die feste Frequenz eines

in Zeilgebers, z. B. eines Quarzoszillator':; /J und /j sind die Frequenzen zweier Saiten.

Die Zeitfrequenz f, wird vom Zeitpunkt /=0 an auf einen Zähler Z1 gegeben, der bei einem voreingestellten Inhalt stoppt. Damit wird eine feste Zeit h

ji vorgegeben, z. B. 1 s. Gleichzeitig werden die Frequenzen f\ und h über eine Summierstufe 32 auf einen Zähler Z2 geleitet, der somit das Ergebnis (i\ + ffi registriert. Nach der vom Zähler Z1 vorgegebenen Zeit t\ wird der Zähler Z2 ebenfalls gestoppt; Z2 hat zum Zeitpunkt J₁

in den Inhalt (/1 + /2) · /|. Dieser Inhalt wird auf einen Komparator 35 gegeben. Ebenfalls von f=0 an wird die Zeitfrequenz /, auf einen weiteren Zähler Z\ geführt, dessen Inhalt ebenfalls in die Komparatorstufe 35 geleitet wird. Falls die Inhalte von Z2 und Z3 gleich

η sind, liefert der Komparator 35 ein Ausgangssignal. Dies ist zum Zeitpunkt (2 = (Ti+ /2) · t\/f, erreicht.

Die Frequenzen f\ und /j werden außer auf die Summierstufe 32 auch auf eine DifferenzsluCe 36 geleitet; der Zähler Z4 zählt somit die Größe (l\ - /",).

in Der Komparator 35 stoppt die Zählung von Z 4 zum Zeitpunkt h. Z4 hat dann den Inhalt

ft-fi) = K- I.V.

Der Zähler Z4 liefert somit nach dem Zeitintervall h einen Wert, der der Spannungsänderung der Saiten gemäß Gleichung (5) direkt proportional ist Mit dieser Schaltungsanordnung werden somit die Nachteile der bekannten Nachweismethoden vermieden.

Im Fall: Z₂ = O liefert der Zähler Z4 ein Ergebnis proportional f².

Der Block 38 bezeichnet eine Stufe, in der zu dem Ergebnis von Z4 die Nullwerte /!fiund i^gemäß Gi. (4) hinzugefügt werden können und das Resultat mit Eichfaktoren multipliziert wird, um direkt das Ergebnis für beispielsweise die Masse oder das Gewicht usw. zu erhalten. 39 stellt c^;ne 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.

In Fig. 3 sind die Elemente zur Steuerung und Nulleinstellung der Zähler ZI bis Z4 der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden.

Eine Vereinfachung der Schaltungsanordnung ergibt sich, wenn die Zähler Z1 und Z3 für die Frequenz /", /u einem einzigen Zähler zusammengefaßt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

IO Patentansprüche;

1. Schaltungsanordnung zur digitalen Auswertung der in Form elektrischer Signale vorliegenden Frequenzen /), F₁ von Dehnungsmeßsaiten zur Bildung der Differenz der Frequenzqnadrate nach der Beziehung: