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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Stärke
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eines Massenstroms Stand der Technik Ausgangspunkt der Erfindung ist
ein Verfahren zur Bestimmung des Mengenstroms eines Fluids mittelbar über die Kraft,
die von der Strömung auf ein Hindernis ausgeübt wird. Hierzu ist eine Reihe von
Anordnungen bekannt, die sich in zwei Gruppen einteilen lassen.
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Bei der ersten ist das Hinternis ein Schwimmer", der in einem senkrechtstehenden
konischen Rohr soweit enporgetragen wird, bis die Widerstandskraft des Körpers in
der Strömung und dessen um den Auftrieb vermindertes Gewicht einander gleich sind.
Der gesuchte Mengenstrom folgt aus der im Gleichgewicht eingenommen Stellung. Bei
derzweiten Gruppe von Instrumenten wird der Staukörper elastisch oder mittels selbsttätiger
Kraftkompensation an eine Ruhelage gefesselt.
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Auslenkung bzw. Kompensationskraft und die sie erzeugende Größe sind
dann ein Maß des Mengenstroms.
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Die Gleichung für die Staukraft lautet: F = 1; tr 2 Å C , worin g
die Dichte des Flui.ds,-ly dessen Geschwindigkeit, A die Querschnittsfläche
des
Staukörpers und £ dessen Widerstandsbeiwert w bedeuten. Zwischen dem Massenstrom
m und der Kraft F besteht die Beziehung
in der die freie Querschnittsfläche A der Rohrströmung enthalten 0 ist. Außerdem
geht die Dichte des Fluids ein. Dies ist insofern nachteilig, als g eine Materialeigenschaft
und zudem von Druck und Temperatur abhängig ist, also jeweils nach einer unabhängigen
Methode mitgemessen und berücksichtigt werden muß. Dies gilt auch für die erste
Gruppe von Durchflußmessern.
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Jedoch läßt sich der Massenstrom mithilfe von Widerstandskörpern auch
direkt bestimmen. Hierzu wird der Staukörper in Schwingungen parallel zur Rohrachse
mit konstanter Amplitude versetzt und die hierbei zusätzlich auftretende, von der
Strömung hervorgerufene Dämpfung beobachtet. Für den Dämpfungs1-oeffizienten 0 1
erhält man durch Differenzieren von (l)
während die Grunddämpfurg des Schwingers infolge von Verlusten in der elastischen
Aufhängung der Scheibe oder durch Einleitung der Schwingungsenergie ins Gehäuse
mit po bezeichnet sei. Somit gilt für den wirksamen Dämpfungslroeffizlenten
Dieser steht also in einer linearen Beziehung zum Massenstrom, sofern der Widerstandsbeiwert
konstant ist.
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Der Dämpfungskoeffizient läßt sich beispielsweise mithilfe einesstetig
arbeitenden Regelkreises in eine analoge Ausgangsgröße überführen. Bei einer bekannt
gewordenen Anordnung wird hierzu ein stetiger Regelkreis benützt. Regelgröße ist
die-Amplitude der Schwinggeschwindigkeit des mechanischen Schwingers. Sie wird durch
einen induktiven Fühler beobachtet. Antrieb und zugleich Stellglied für die Schleifenverstärkung
ist ein eisengeschlossenes
dynamometrisches System. Sein Erregerstrom
ist ein Maß für die künstliche Entdämpfung des Gesamtsystems. Im Gleichgewicht hebt
diese gerade die Summe aus natürlicher und strömungsinduzierter Dämpfung auf und
ist damit linear abhängig vom Massenstrom. Somit eignet sich der Erregerstrom als
lineare Anzeigegröße.
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Das System ist jedoch verhältnismäßig aufwendig und daher kostspielig.
Außerdem ist die Frequenz des Schwingers aus konstruktiven Gründen relativ niedrig
und daher ist die für pulsierende Massenströme verfügbare Bandbreite eng.
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Vorteile der Erfindung : Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Haupt an spruchs hat demgegenüber folgende Vorteile 1. Durch Verwendung
eines piezoelektrischen Auftriebssystems anstelle des erwähnten elektrodynamischen
vereinfacht sich die Konstruktion.
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2. Der piezoelektr?sche Antrieb läßt sich zugleich als Sensor für
die Amplitude ausnützen. Hierdurch ergibt sich eine weitere Vereinfachung.
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3. Durch Anwendung nichtlinearer Regelung kann als Ausgangssignal
wahlweise eine analoge Frequenz, eine längenmodulierte Impuls folge oder eine aus
dieser abgeleitete analoge Gleichspannung ausgegeben werden.
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4. Die Verbindung zwischen Schwinger und Gehäuse läßt sich so gestalten,
daß sie einerseits die Strömungskräfte ohne unzuverlässige Verformung erträgt, andererseits
aher keinen merklichen Anteil der Schwingungsenergie an das Gehäuse abführt.
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Zeichnung : In Fig. 1 - 12 ist je eine Ausführungsform der Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Anhand
dieser Beispiele wird die Erfindung im folgenden näher beschrieben.
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Im Rohr (1), das von dem zu messenden Fluid durchströmt wird, befindet
sich zentrisch die scharfkantige Stauscheibe (2). Sie bildet zusammen mit ihrem
stabförmigen Träger (3) , der in drei aus der Platte (4) und dem Doppelwinkel (5)
bestehenden Halter eingespannt ist, einen Biegeschwinger. Dieser ist auf eine Frequenz
von 1 bis 2 kHz abgestimmt und wird durch den aufgekitteten piezoelektrischen Stab
(6) angeregt. Ein Gehäuseteil (7) verschließt das Gerät nach außen luftdicht und
schützt gleichzeitig den piezoelektrischen Wandler gegen Beschädigung. Ferner ist
eine Verkleidung (8) vorgesehen, die den Biegeschwinger mit Ausnahme der Stauscheibe
gegen die Strömung abschirmt. Sie wird durch den Doppelwinkel (5) gehalten und wird
zweckmäßig innerhalb des Rohres stromlinienförmig ausgebildet, um die Strömung im
freien Querschnitt möglichst wenig zu stören.
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Die gezeigte Anordnung ist noch mit dem Nachteil behaftet, daß in
der Einspannung des Biegeschwingers ein periodisches Moment entsteht, das zur Ausbildung
einer siegewelle in der Rohrwand führt.
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Um die hierdurch verursachte Dämpfung des Schwingers möglichst klein
zu halten, ist der Doppelwinkel(S)sehr schwer ausgeführt.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung wird eine schwingende Platte
benützt. Der Schwingungsmodus ist so gewählt, daß sich eine einzige kreisförmige
Knotenlinie ausbildet. In dieser Linie kann die Platte ohne Energieverlust gehaltert
werden. Die Vorrichtung zur Strömungsmessung besteht in diesem Fall aus dem Rohr
(9), das von dem zu messenden Fluid durchströmt wird, der darin zentrisch gehaltenen
scharfkantigen Kreisplatte (wo), der scharfkantigen Kapsel (12)r die mit der Platte
(10) längs deren Knotenlinie verkittet ist und den Halter (13), der die Kapsel (12)
gegen die Rohrwand abstützt. Die Kreisplatte (1G) wird durch die piezokeramische
Scheibe (11), die mit ihr durch Klebung oder Lötung verbunden ist, zu Biegeschwingungen
angeregt Durch die scharfkantige Ausbildung der Kapsel (12) im Zusammenwirken mit
einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul des zur Verbindung mit der Kreisscheibe
(10) dienenden Kittes reduziert sich die Dämpfung der Scheibe durch Uberbrücken
schwingender Oberflächenelemente. Da ferner die Scheibe in der Knotenlinie abgestützt
wird, erfährt die Halterung keine oszillierenden axialen Kräfte und führt daher
auch keine Energie aus dem Schwinger ab.
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Eine weitere erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 3 schematisch
wiedergegeben. Auch hier wird in einem Rohr, das mit (14) bezeichnet ist, eine Kreisscheibe,
hier (15), zentrisch gehalten. Diese wird mittels des piezokeramischen Dickenschwingers
(16) zu Biegeschwingungen angeregt. Der Dickenschwinger stützt sich gegen einen
Metallstab (17) ab, der etwas länger als eine Viertelwellenlänge ist, die sich aus
longitudinaler Schallgeschwindigkeit und angeregter Frequenz ergibt. Infolgedessen
bildet sich in geringer Entfernung vom Dickenschwinger eine Knotenebene der Longitudinalschwingung
aus.
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In dieser Ebene kann der Stab mittels des Speichenkranzes (18) ohne
Energieverlust für das schwingende System gehaltert werden.
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Eine zur Halterung des schwingenden Systems geeignete Knotenebene
läßt sich nach Fig. 4 auch durch voll symmetrischen Aufbau des Schwingers aus zwei
Teilen erreichen. Jeder der Teile enthält einen zur Anregung dienenden Dickenschwinger
aus piezokeramischem Material und einen Biegeschwinger, der mit Stauflächen zur
Ankopplung an die Strömung ausgerüstet ist. Fig. 4 zeigt im linken Teilbild einen
axialen Schnitt durch den Massendurchflußmesser. In das Rohr (19), das von dem zu
messenden Fluid durchströmt wird, ist ein zur Strömung hin verrundeter Körper (20)
eingesetzt, der durch vier Speichen zentrisch gehalten wird. Auf der stromabwärts
gelegenen Seite ist der Körper zylindrisch ausgehöhlt und mit vier Schlitzen versehen.
In der Mitte des Hohlraums ist parallel zu dessen Grundfläche eine Kreisplatte (21)
auf Distanzstäben montiert. Auf die Planflächen dieser Platte sind die piezokeramischen
Dickenschwinger (22) und (23) geklebt, die ihrerseits die Biegeschwinger (24) und
(25) tragen. Wie aus dem Querschnitt im rechten Teilbild von Fig. 4 hervorgeht,
liegen die Biegeschwinger (24) und (25) kreuzweise, durchqueren frei die in der
Wand des Hohlraums befindlichen Schlitze und an ihren Enden sind Schaufeln befestigt,
die sich im freien Raum zwischen Körper und Rohrwand bewegen. Im linken Teilbild
ist erkennbar, daß die Biegeschwinger zu Mittelebene der Platte (21) hin gekröpft
sind.
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Hierdurch liegen die Schaufeln in ein und derselben Querschnittsfläche
der Strömung. Die piezokeramischen Dickenschwinger (22) und (23) werden gleichphasig
erregt. Ferner werden die Biegeschwinger auf gleiche Eigenfrequenz abgestimmt. Hierdurch
wirken auf die Kreisplatte (21) von beiden Seiten her in jedem Augenblick gleich
große entgegengesetzt gerichtete Kräfte, die sich in Bezug auf die Platte auf heben.
Daher bleibt diese in Ruhe und es wird keine Schwingungsenergie an das Gehäuse übertragen.
Für sehr hohe Ansprüche an die
Güte des Gesamtsystems läßt sich
durch Amplituden- und Phasenabgleich getrennter Erreger spannungen der beiden Dickenschwinger
ein Feinabgleich der oszillierenden Kräfte erzielen.
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Den gleichen Zweck verfolgt das in Fig. 5 dargestellte Bauprinzip.
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Im Rohr (27) ist zentrisch der Körper (28) befestigt, der in seiner
links befindlichen zylindrischen Höhlung den keramischen Dickenschwinger (29) enthält.
Dieser ist zu beiden Seiten mit den Biegeschwingern (30) und (31) durch Klebung
oder Lötung verbunden. Die Schwinger sind derart gekröpft, daß die an ihren Enden
befestigten Schaufeln(32) in der Mittelebene des Dickenschwingers (29) liegen und
sie sind unter einem rechten Winkel zueinander eingestellt.
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Wie in Fig. 4 greifen die Schwinger frei durch Schlitze im zentraLen
Körper hindurch und die Schaufeln bewegen sich in den bogenförmigen Offnungen zwischen
Körper und Gehäuse. Die Biegeschwinger sind mittels der Drahtstifte (33) und der
Stützen (34) federnd gehalten. Die Steifigkeit der Stifte ist so gewählt, daß einerseit
die Summe der maximalen Staukräfte auf die Schaufeln ohne größere Verschiebung aufgenommen
werden kann, andererseits die bei den Schwingungen auftretenden oszillierenden Federkräfte
klein gegenüber den in den zentralen Platten der Biegeschwinger wirksamen Massenkräften
sind.
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Bei Abgleich der Eigenfrequenzen der beiden Schwinger und gleicher
Federkonstante der Stifte bleibt die Mittelebene des gesamten Schwingsystems in
Ruhe. Somit sind die von den Stiften zum Zentralkörper übertragenen oszillierenden
Kräfte paarweise entgegengesetzt gleich und heben sich insgesamt auf In Fig. 6 wird
noch eine weitere sorteilhafte Anshildung des Neßsystems gezeigt. Der Einfachheit
halber sind nur die Biegeschwinger (35) und (36) und der sie erregende piezoelektrische
Dickenschwinger (37) dargestellt. Der Dickenschwinger ist am Rand wie eine Brillenglas
doppelt konisch geschliffen, so daß er in einer entsprechenden Fassung (38) unverrückbar
gehalten werden kann. Ferne werden die leitenden Belegungen des Schwingers nicht
bis zum Rand geführt, so daß die Amplitude der Dickenschwingung nach außen abklingt.
Durch die Kombination der beiden Maßnahmen ist die Fassung ohne Einfluß auf die
Güte des Resonators. Werden die beiden Biegeschwinger auf gleiche Eigenfrequenz
abgestimmt, so schwingt das Gesamtsystem wiederum symmetrisch zu der Mittelebene
des piezoelektrischen Dickenschwingers.
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Auf die Fassung wirken im Betrieb daher nur die gesamten Staukräfte
der Schaufeln, jedoch keine oszillierenden Kräfte. Mithin fließt auch keine Schwingungsenergie
an das Gehäuse ab.
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Im folgenden werden verschiedene elektronische Schaltungen besprochen,
die in Verbindung mit den beschriebenen Meßsystemen zur Umformung des Meßwertes
in analoge oder digitale Anzeigegrößen dienen.
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Analoge Anzeige: Der piezoelektrische Schwinger in Verbindung mit
den angelenkten mechanischen Bauteilen stellt in elektrischer Hinsicht einen verlustbehafteten
Kondensator dar, dessen Verlustfaktor von der mechanischen Dämpfung abhängig ist.
Bekanntlich läßt sich der Verlustfaktor mithilfe von Brückenschaltungen im Nullverfahren
und -in Grenzen - auch im Ausschlagsverfahren messen. Hierbei ist es vorteilhaft,
mit selektiver Verstärkung und phasenabhängiger Gleichrichtung im Nullzweig zu arbeiten,
weil hierdurch ein besonders hoher Störabstand erzielt wird. Eine hierfür brauchbare
Brückenschaltung wird in Fig. 7 wiedergegeben. Sie besteht aus dem einseitig geerdeten
piezoelektrischen Schw nger (PS), einer veränderlichen RC-Reihenschaltung, bei welcher
die Kapazitat (C) stufenweise, der Widerstand (R) kontinuierlich verstellbar ist
und dem Spannungsteiler (ST1). Die Brücke wird über den Transformator (T) aus einem
Tonfrecuenzgenerator mit der Spannung U e gespeist. Die Resonanzspannung für den
phasenabhängigen Gleichrichter, der im Lock in - Verstärker (LIV)enthalten ist,
wird nach dem Generator über den Spannungsteiler (ST 2' entnommen.
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Der Abgleich vollzieht sich in folgenden Schritten Grober Abgleich
mit dem stufenweise veränderlichen Kondensator (C), iterierender Feinabgleich mit
(ST 1) und (R).
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Danach willkürliche Verstimmung mittels (R) und Einstellung des Phasenschiebers
im Lock in - Verstärker auf maximale Ausgangsspannung. Erneute Abstimmung mittels
(R) auf Nullsignal führt zur Meßbereitschaft. Die Ausgangsspannung Ua ist zum Dämpfung
koeffizienten 51 und damit zum Massendurchfluß m. proportional, weil der zu (3 proportionale
Anteil durch den Brückenabgleich unterdrückt wird. Hierin und in der Tatsache, daß
eine begrenzte kapazitive Verstimmung infolge der phasenabhängigen Gleichrichtung
nicht zur Anzeige kommt, sind besondere Vorteile der beschriebenen Meßeinrichtung
zu sehen.
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Frequenzanaloge Anzeige Es wird die in Fig. 8 schematisch dargestellte
Schaltung benutzt.
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Der piezoelektrische Schwinger (PS) ist mit einer Oszillatorschaltung
(0) verbunden, deren Schleifenverstärkung durch den Schmitt-Trigger (ST) entweder
auf Null oder auf einen Wert geschaltet wird, der einen schnellen Anstieg der Schwingungsamplitude
des piezoelektrischen Wandlers hervorruft. Die Amplitude X wird mittels einer Diode
(D) mit Glättungskondensator (CG) und Ableitwiderstand (RA) gemessen und das ihr
entsprechende Gleichstromsignal dem Eingang des Schmitt-Triggers (ST) zugeführt.
Hierdurch ergibt sich ein freilaufendes Regelspiel mit den Amplitudenschranken x1
und x2, die den Trigger-Pegeln entsprechen. Die Frequenz dieses Regel spiel ist
ein Maß der Dämpfung und damit des Massenstroms.
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Für den Abklingvorgang gilt
worin #1 = ß /2m worin 2m ist (6) und fur das Aufklingen +#2t x = xo e (7) 0 worin
C2 eine sich aus Rückkopplung und Dämpfung ergebende Aufklingkonstante darstellt.
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Als Abklingperiode ergibt sich nach einfacher Zwischenrechnung 1 x
T1 = 1 1n x1 und als Aufklingperiode 1 x T2 = 2 ln x12 (9) X2 Für die Frequenz des
Regelspiels folgt hieraus
worin C = X2 sein soll, und diese Beziehung ist genähert x2 linear,
sofern 8 1 « 62 gilt. (11) Die Schwingung des piezoelektrischen Wandlers läßt sich
statt mittels einer Rückkopplungsschaltung auch durch einen Impuls anregen . Fall
dieser eine definierte Größe hat, bedingt er einen bestimmten Amplitudenzuwachs
der Schwingung. Wenn die Amplitude beim Abklingen der Schwingung infolge der natürlichen
und strömungsinduzierten Dämpfung einen vorgegebenen Wert unterschreitet, wird ein
neuer Impuls ausgelöst.
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Die Impulsfrequenz ist somit ein Maß der Dämpfung und damit des Massenstroms.
Fig. 9 stellt die hierfür geeignete elektronische Schaltung schematisch dar.
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Ein Wechselschalter legt die Brückenschaltung B mit ihrem oberen Eckpunkt
kurzeitig an eine konstante Gleichspannungsquelle oder -in der restlichen Zeit -
auf Masse, an die auch der untere Eckpunkt angeschlossen ist. Die Brückenschaltung
besteht aus zwei R - C - Gliedern, von denen das rechte als Kapazität den piezoelektrischen
Wandler enthält.
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Die Zeitkonstanten der beiden Glieder seien gleich. Ohne die piezoelektrische
Signalspannung wäre daher die Spannung an der horizontalen Diagonale in jedem Augenblick
gleich Null. An dieser Diagonalen tritt also die vom Impuls ungestörte Impulsantwort
des Schwingers auf. Sie wird von dem Operationsverstärker (OP) verstärkt, danach
durch den Gleichrichter (G) gleichgerichtet und durch den Komparator (K) mit einer
Referenzspannung Uref verglichen. Sinkt die Amplitude unter die hierdurch gegebene
Schwelle, so tritt am Ausgang des Komparators eine logische L auf. Diese wirkt sich
auf den monostabilen Multivibrator (MF) nur dann aus, wenn an dem Und-Gatter (U)
gleichzeitig noch die L vom >ullpunkt-Komparator (NK) anliegt, d.h. nur bei Nulldurchgang
in positiver Richtung. Damit ist ein selbsttätiges Anfachen der Schwingung beim
Einschalten des Kreises gesichert. Die Impulsfolge-Frequenz i.st ein Maß der Dämpfung
und damit des Massenstroms.
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Statt der Häufigkeit kann zur Konstanthaltung der Amplitude auch die
Breite der Impulse variiert werden.
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Für die Impulsantwort des Schwingers gilt bei Definition des mechanischen
Impulses durch Kraft und Dauer
worin m die effektive Masse des Schwingers, ) dessen ungedämpfte 0 0 Eigenfrequenz
bedeuten und p der Dämpfungskoeffizient ist.
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Für das Verhältnis zweier aufeinander folgender Amplituden gilt
| zur fY 7 w T K |
| 1 - * |
| 2f1 - |
| worin T = S ist, somit auf der rechten Seite In 4> |
| c |
erhalten wird. Bei kleiner Dämpfung ist die Amplitudendifferenz näherungsweise gegeben
durch
.4 -Diese Differenz ist durch einen Impuls auszugleichen,der mit F n bezeichnet
sei und zu dem Anregungsimpuls F in dem Verhältnis
steht.
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Der Impuls soll mit konstanter Kraft über eine Zeitspanne TI erzeugt
werden. Hierzu ist eine Spannung U erforderlich, die der Beziehung
gehorcht. (l/
Wird also eine Impulsreihe mit der Frequenz 4) aufgegeben,
so 0 daß die Impulse immer im Nulldurchgang wirken, und wird die Impulsbreite derart
moduliert, daß die Amplitude der Schwingung konstant bleibt, so gilt TI ru m + k
Die selbsttätige Regelung der Amplitude durch Impulsbreitenmodulation kann in der
Schaltung nach Fig. 10 vorgenommen werden.
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Wie in Fig. 9 ist der piezoelektrische Wandler in eine Brückenschaltung
(B) eingegliedert.Diese wird an ihrem oberen Eckpunkt durch einen beispielsweise
elektronischen Wechselschalter abwechselnd mit Impulsen aus der Quelle konstanter
Gleichspannung (Q) beaufschlagt bzw. an Masse gelegt. An der waagerechten Brückendiagonalen
bildet sich die Impulsantwort in Form einer gedämpften Schwingung aus.
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Das Signal wird zunächst mithilfe des Integrators (I 1) integriert
und danach durch den Komparator ( K t) in eine Rechteckspannung verwandelt, deren
Flanken den Nulldurchgängen der Schwingung entsprechen.
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Das Rechtecks gnal wird durch einen weiteren Integrator (I 2 in eine
Dreieckspannung verwandelt, deren Maxima mit den Nulldurchgängen der mechanischen
Schwingung zusammenfallen. Das Signal hinter dem ersten Integrator wird dem Gleichrichter
(Gl ) zugeführt.
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Der erhaltene Amplitudenwert wird mit einer Referenzspannung verglichen.
Die Differenz beaufschlagt den Integralregler (IR), dessen Ausgangsspannung an den
Komparator (K 2) gelangt.
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Unterschreitet die Amplitude der Schwingung den Sollwert, so nimmt
die Ausgangsspannung des Reglers ab und die Zeitspanne, in der sie die Dreiecksspannung
aus (1 2) unterschreitet, der Komparator also ein L - Signal liefert, nimmt zu.
Das Ausgangssignal von (K 2) betätigt seinerseits den Schalter (S). Somit gelangt
ein Impuls wachsender Breite an den piezoelektrischen Wandler, d.h. die Amplitude
nimmt zu. Im Gleichgewichtszustand deckt der Impuls die Verluste des Schwingers.
Die Amplitude entspricht dem Sollwert und die Impulsbreite ist der Dämpfung proportional.
Mithilfe des monostabilen Vibrators (MF) und des Gatters (G) läßt sich die Impulsbreite
des Ausgangssignals um einen konstanten Betrag vermindern, der so eingestellt wird,
daß der Ruhebetrag proportional zum Massenstrom ist.
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Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die in Fig. 11 dargestellte
Schaltung benützt. Sie enthält eingangs wieder den Wechselschalter (S), der die
Brücke (B) aus der Spannungsquelle (Q) mit Impulsen speist, wenn er von der Steuerlogik
(STL) betätigt wird. Es handelt sich dabei um zwei alternierende Impulsfolgen.
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Erstens Impulse mit der konstanten Dauer von einer halben Periode
und konstanter Höhe symmetrisch zum abwärts gerichteten Nulldurchgang der mechanischen
Schwingung, auch Anregungsimpulse (AI) genannt, zweitens Impulse konstanter Höhe
und variabler Dauer zur Konstanthaltung der Amplitude, auch als Regelimpulse (RI)
bezeichnet.
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Hierzu wird die Spannung an der waagerechten Diagonale der Brücke
zunächst durch (I 1) integriert, dann durch den Komparator (K 1) in eine Rechteckspannung
verwandelt, die im Integrator (I 2 ) in eine Dreieckspannung überführt wird. Aus
dieser wird mittels des Komparators (K 2) abermals eine Rechteckspannung erzeugt,
deren Nulldurchgänge gegenüber jenen des piezoelektrischen Wandlers um 90° nachteilen.
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Mithilfe der beiden phasenverschobenen Re-hteckspannungen entsteht
in der Steuerlogik in jeder zweiten Periode der Anregungsimpuls (AI). Mittels des
Gleichrichters (GL) wird der Istwert der Amplitude gebildet und seine Differenz
zur Spannung der Quelle (Q) am Integralregler (IR) zur Wirkung gebracht. Dies bildet
zusammen mit der Dreieckspannung aus (I 2) im Komparator (K 3) den Regelimpuls (RI),
der von der Steuerlogik abwechselnd mit dem Anregungsimpuls dem Schalter S zugeführt
wird.
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Eine zur Amplitudenregelung dienende Impulsbreitenmodulation mit konstanter
Phase der ansteigenden Impulsflanke ist in Fig. 12 dargestellt. Die Schaltung enthält
wieder die Spannungsquelle (Q), den Schalter (S) zur Steuerung der Speisespannung
für die Brücke (B), den Integrator (I 1) zur Gewinnung eines dem Schwingweg proportionalen
Signals, den Komparator (K l), der hieraus eine Rechteckspannung erzeugt, den Integrator
( I 2), der zusammen mit dem Komparator (K 2) diese um 90° verschiebt, ferner ein
Differenzierglied mit nachgeschaltetem Fli.p-Flop (BM), das den Sägezahngenerator
(SG) ansteuert.
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Dieser liefert ein Signal mit steilem Anstieg in der Umgebung des
abwärtsgerichteten Nulldurchgangs der mechanischen Schwingung mit nachfolgendem
relativ flachem Abfall. Die Sägezahnspannung wird dem Komparator (K 3) zusammen
mit der Ausgangsspannung des
Integralreglers (IR) zugeführt, der
vom Gleichrichter (GL) den Istwert der Amplitude abzüglich einer Referenzspannung
erhält.
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Fällt die Reglerspannung ab, so wächst die Dauer des L - Signals am
Ausgang von (K 3) von null aus an. Hierbei rückt der Beginn infolge des steilen
Anstiegs des Sägezahns nur um relativ kleine Beträge nach vorn, das Ende des Intervalls
verspätet sich jedoch infolge des flachen Abfalls der Sägezahnspannung relativ stark.
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Mittels der Steuerlogik wird unter Zuhilfenahme der beiden von (K
1) und (K 2) erzeugten phasenverschobenen Rechteckspannungen ein Anregungs- und
zugleich Regelungsimpuls im Maximum der mechanischen Schwingung gegeben. Seine Dauer
ist durch das Zusammenwirken von Regler-Ausgangsspannung und Sägezahnspannung veränderlich.
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Die Steuerlogik begrenzt jedoch die Dauer auf eine halbe Periode.
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Vom Nulldurchgang der mechanischen Schwingung bis zur rechten Flanke
des Regenerationsimpulses läuft die zur Anzeige dienende Breite des Meßimpulses,
der von der Steuerlogik gebildet wird.