DE3008586C2 - Methods and arrangements for determining the natural frequency or quality of a mechanical torsional vibrator - Google Patents

Methods and arrangements for determining the natural frequency or quality of a mechanical torsional vibrator

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DE3008586C2 DE19803008586 DE3008586A DE3008586C2 DE 3008586 C2 DE3008586 C2 DE 3008586C2 DE 19803008586 DE19803008586 DE 19803008586 DE 3008586 A DE3008586 A DE 3008586A DE 3008586 C2 DE3008586 C2 DE 3008586C2
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    • G—PHYSICS
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Description

einer Meßbrücke einzubauen, an deren einer Diagonalen der Generator angeschlossen ist und an deren anderen Diagonalen ein Meßinstrument angeschlossen ist, das die Resonanz anzeigt Dadurch ist eine niederohmige Messung möglich.to be installed in a measuring bridge, to one of which the generator is connected to one diagonal and to one of which a measuring instrument is connected to the other diagonals, which shows the resonance low resistance measurement possible.

In den Normalzweig der Meßbrücke kann vorzugsweise eine weitere abgleichbare Erregerspule mit mechanisch starr befestigtem Torsionsschwinger eingebaut sein.In the normal branch of the measuring bridge, a further adjustable excitation coil can preferably be connected mechanically rigidly attached torsional oscillator.

Zum genauen Brückenabgleich kann bei einer weiteren Meßanordnung in den Normalzweig der Meßbrücke ein Variometer mit abgleichbarem Verlustwiderstand gelegt werden.For an exact bridge adjustment, the normal branch of the Measuring bridge a variometer with adjustable loss resistance can be placed.

Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung nun näher erläutert werden. Dabei zeigtThe invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. It shows

F i g. 1 eine Meßanordnung mit nicht geschlossenem Magnetkern,F i g. 1 a measuring arrangement with a non-closed magnetic core,

Fig.2 eine Meßanordnung mit durchbohrtem Magnetkern, 2 shows a measuring arrangement with a pierced magnetic core,

F i g. 3 eine Meßanordnung in Brückenschaltung,F i g. 3 a measuring arrangement in a bridge circuit,

Fig.4 eine Meßanordnung mit Variometer im Normalzweig,4 shows a measuring arrangement with a variometer in the Normal branch,

F i g. 5 eine Meßanordnung in Brückenschaltung mit einem mechanisch starr befestigten Torsionsschwinger im Normalzweig, F i g. 6 Meßergebnisse.F i g. 5 shows a measuring arrangement in a bridge circuit with a mechanically rigidly attached torsional oscillator in the normal branch, F i g. 6 measurement results.

In Fig. 1 taucht ein Torsionsschwinger Tin den Luftspalt eines kreisförmigen nicht geschlossenen Magnetkerns M ein, dessen Querschnitt kreisförmig, quadratisch, rechteckig oder ellipsenförmig sein kann. Der Generator G liefert einen eingeprägten Wechseistrom, der die Eerregerspule ESspeist. Die Erregerspule ES erzeugt dadurch im Magnetkern M einen magnetischen Fluß. Die im Luftspalt aus dem Magnetkern M austretenden Feldlinien sind parallel zur Flächennormalen, der den Luftspalt bildenden Querschnittsflächen von M. In Fig. 1, a torsional vibrator Tin immersed the air gap of a circular non-closed magnetic core M , the cross section of which can be circular, square, rectangular or elliptical. The generator G supplies an impressed alternating current which feeds the excitation coil ES. The excitation coil ES thereby generates a magnetic flux in the magnetic core M. The field lines emerging from the magnetic core M in the air gap are parallel to the surface normal, the cross-sectional areas of M.

Der Torsionsschwinger T ist an mindestens einer Stirnfläche vormagnetisiert Um Resonanzerscheinungen des Torsionsschwingers zu erhalten, muß die Magnetisierungsrichtung des in den Luftspalt eingetauchten Torsionsschwingers einen Winkel zu den Feldlinien im Luftspalt bilden. Wird dieser Winkel gerade 90° gewählt, ist die Wechselwirkung zwischen dem durch die Erregerspule ES erzeugten Wechselfeld und dem Torsionsschwinger Tarn größten, so daß man zweckmäßigerweise diese Wahl des Winkels bevorzugt. Der Generator O wird nun in seiner Frequenz verändert (Wobbein). Im Fall der Resonanz ändert das den Scheinwiderstand der Erregerspule ES hochohmig messende Meßinstrument Ml seinen Anschlag. Es kann damit die Eigenfrequenz und aus der 3 dB Bandbreite der Amplitudenkurve beim Oberstreichen des Frequenzbereiches uns eine Resonanzfreqeunz die Güte Q der Torsionsschwinger T ermittelt werden. Die Änderung der Frequenz des Generators G muß genügend langsam erfolgen, da durch die im allgemeinen sehr hohen Güten Q von Torsionsschwingern die Einschwingzeit hoch ist. Bei zu schneller Frequenzänderung würde man Eigenfrequenzen eventuell nicht wahrnehmen.The torsional oscillator T is premagnetized on at least one end face. In order to obtain resonance phenomena of the torsional oscillator, the direction of magnetization of the torsional oscillator immersed in the air gap must form an angle to the field lines in the air gap. If this angle is chosen to be exactly 90 °, the interaction between the alternating field generated by the excitation coil ES and the torsional oscillator Tarn is greatest, so that this selection of the angle is expediently preferred. The generator O is now changed in its frequency (wobble). In the case of resonance, the measuring instrument M1, which measures the impedance of the excitation coil ES with a high resistance, changes its stop. The natural frequency and, from the 3 dB bandwidth of the amplitude curve when sweeping the frequency range and a resonance frequency, the quality Q of the torsional oscillator T can be determined. The change in the frequency of the generator G must take place slowly enough, since the settling time is long due to the generally very high quality Q of torsional vibrators. If the frequency changes too quickly, one might not be able to perceive natural frequencies.

In F i g. 2 ist der Magnetkern M bei sonst gleicher Meßanordnung durch einen geschlossenen Ringkern ersetzt. Zum Eintauchen des Torsionsschwingers T ist der Ringkern an einer Stelle durchbohrt. Um genügend Feldlinien in den durch die Bohrung gebildeten Luftspalt zu bringen, wird der Magnetkern M vorzugsweise in Umgebung der Bohrung bei Sättigung betrieben.In Fig. 2, the magnetic core M is replaced by a closed toroidal core with otherwise the same measuring arrangement. The toroidal core is drilled through at one point to allow the torsional oscillator T to be immersed. In order to bring sufficient field lines into the air gap formed by the bore, the magnetic core M is preferably operated in the vicinity of the bore at saturation.

In F i g. 3 liegt die Erregerspule ES in einem Zweig einer Meßbrücke. Eine Diagonale der Brücke wird vom Generator G gespeist, dessen Frequenz wieder langsam geändert wird. In der anderen Diagonalen der Brücke liegt ein Meßinstrument Ml. Mit Hilfe des komplexen Widerstandes Z im Normalzweig der Meßbrücke wird die Brücke so abgeglichen, daß das Meßinstrument Ml nicht ausschlägt Erreicht die Generatorfrequenz gerade eine Eigenfrequenz des Torsionsschwingers T, der wiederum in den Luftspalt des die Erregerspule ES tragenden Magnetkerns M eingetaucht wird, so kommt die zuvor abgeglichene Brücke außer Gleichgewicht und das Meßinstrument Ml schlägt aus. Mit der Brückenschaltung kann niederohmig gemessen werden. Der Generator G braucht nicht mit eingeprägtem Strom arbeiten.In Fig. 3 is the excitation coil ES in a branch of a measuring bridge. A diagonal of the bridge is fed by generator G, the frequency of which is slowly changed again. In the other diagonal of the bridge there is a measuring instrument Ml. By means of the complex impedance Z in the normal branch of the measuring bridge, the bridge is balanced so that the measuring instrument Ml does not swing reaches the generator frequency, is just a natural frequency of the torsion oscillator T which is in turn immersed in the air gap of the excitation coil ES carrying the magnetic core M as the Previously balanced bridge out of balance and the measuring instrument Ml deflects . The bridge circuit can be used for low-resistance measurements. The generator G does not need to work with impressed current.

In Fig.4 liegt im Normalzweig der Brücke ein Variometer L mit abgleichbarem Verlustwiderstand R. Mit diesei Anordnung läßt sich die Brücke genauer abgleichen.In FIG. 4 there is a variometer L with adjustable loss resistance R in the normal branch of the bridge. With this arrangement, the bridge can be adjusted more precisely.

In Fig.5 ist der komplexe Widerstand Z ersetzt durch eine weitere Erregerspule ES' mit Magnetkern M', in dessen Luftspalt sich ein mechanisch starr befestigter Torsionsschwinger T befindet. Die mechanisch starre Befestigung kann z. B. durch Verkleben des Torsionsschwingers T\m Luftspalt erreicht werden. Der Generator G wird hier mittels eines Übertragers an die Meßbrücke gekoppelt. Durch die Eintauchtiefe von T und Verlustwiderstand R läßt sich die Brücke wieder abgleichen.In FIG. 5, the complex resistor Z is replaced by a further excitation coil ES ' with a magnetic core M', in the air gap of which there is a mechanically rigidly attached torsional oscillator T. The mechanically rigid attachment can, for. B. can be achieved by gluing the torsional vibrator T \ m air gap. The generator G is coupled to the measuring bridge here by means of a transformer. The bridge can be adjusted again through the immersion depth of T and loss resistance R.

In Fig.6 ist die mit dem Meßinstrument Ml gemessene Amplitudenkurve über der Frequenz im Bereich der Resonanz eines Torsionsschwingers T dargestelltIn FIG. 6, the amplitude curve measured with the measuring instrument Ml is shown over the frequency in the region of the resonance of a torsional oscillator T.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims (8)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zum Bestimmen der Eigenfrequenz oder Güte eines mechanischen Torsionsschwingers (T) aus der Resonanzerregung, wobei ein Ende des Torsionsschwingers (T) in ein magnetisches Wechselfeld mit veränderbarer Frequenz eingebracht wird, das im Luftspalt eines Magnetkernes (M) herrscht, und zur Erzeugung dieses magnetischen Wechselfeldes ein Ausgangssignal eines Generators (G) einer auf dem Magnetkern (M) befindlichen Erregerspule (ES) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionsschwinger (7} senkrecht zu seiner Zylinderachse mindestens an einer Stirnfläche in einer Vorzugsrichtung vormagnetisiert wird, daß der Torsionsschwinger derart in das magnetische Wechselfeld eingebracht wird, daß seine Magnetisierungsrichtung in einem Winkel zum magnetischen Wechselfeld steht und daß zur Anzeige der Resonanzerregung der vom Magnetkern (M) und vom erregten Torsionsschwinger (T) beeinflußte Scheinwiderstand der Erregerspule (ES) gemessen wird.1. A method for determining the natural frequency or quality of a mechanical torsional oscillator (T) from the resonance excitation, whereby one end of the torsional oscillator (T) is introduced into an alternating magnetic field with a variable frequency that prevails in the air gap of a magnetic core (M) and for generation this magnetic alternating field is fed an output signal of a generator (G) to an excitation coil (ES ) located on the magnetic core (M) , characterized in that the torsional oscillator (7} is pre-magnetized perpendicular to its cylinder axis at least on one end face in a preferred direction that the Torsional vibrator is introduced into the magnetic alternating field in such a way that its magnetization direction is at an angle to the magnetic alternating field and that the impedance of the excitation coil (ES) influenced by the magnetic core (M) and the excited torsional vibrator (T ) is measured to indicate the resonance excitation. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangssignal des Generators (G) ein eingeprägter Strom (i) an die Erregerspule (ES) geliefert wird und daß der Scheinwiderstand der Erregerspule (ES^hochohmig gemessen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that an impressed current (i ) is supplied to the excitation coil (ES) as the output signal of the generator (G) and that the impedance of the excitation coil (ES ^ is measured with high resistance. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionsschwinger (T) derart in das magnetische Wechselfeld mit veränderbarer Frequenz eingebracht wird, daß seine Magnetisierungsrichtung senkrecht zu diesem Wechselfeld steht.3. The method according to claim 1, characterized in that the torsional oscillator (T) is introduced into the alternating magnetic field with a variable frequency in such a way that its direction of magnetization is perpendicular to this alternating field. 4. Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt durch einen nicht geschlossenen magnetischen Kreis gebildet ist.4. Arrangement for performing the method according to claim 2, characterized in that the Air gap is formed by a non-closed magnetic circuit. 5. Anordnung zum Durchfühi en des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt durch eine Bohrung in einem sonst geschlossenen vorzugsweise in Umgebung der Bohrung bei Sättigung arbeitenden Magnetkern (M) gebildet ist(Fig. 2).5. An arrangement for performing the method according to claim 2, characterized in that the air gap is formed by a bore in an otherwise closed magnetic core (M) preferably operating in the vicinity of the bore at saturation (Fig. 2). 6. Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (ES) in einen Zweig einer Meßbrücke eingebaut ist, an deren einer Diagonalen der Generator (G) angeschlossen ist und an deren anderen Diagonalen ein Meßinstrument (MI) angeschlossen ist, das die Resonanz anzeigt.6. Arrangement for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the excitation coil (ES) is built into a branch of a measuring bridge, to one of the diagonal of which the generator (G) is connected and to the other diagonal of which a measuring instrument (MI) is connected that indicates the response. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Normalzweig der Meßbrücke eine weitere abgleichbare Erregerspule (ES') mit mechanisch starr befestigtem Torsionsschwinger (T) eingebaut ist.7. Arrangement according to claim 6, characterized in that a further adjustable excitation coil (ES ') with a mechanically rigidly attached torsional oscillator (T) is installed in the normal branch of the measuring bridge. 8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Normalzweig der Meßbrücke ein Variometer (L) mit abgleichbarem VerlustwiderDie Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zum Bestimmen der Eigenfrequenz oder Güte eines mechanischen Torsionsschwingers aus der Resonanzerregung, wobei ein Ende des Torsionsschwingers in ein magnetisches Wechselfeld mit veränderbarer Frequenz eingebracht wird, das im Luftspalt eines Magnetkernes herrscht, und zur Erzeugung dieses magnetischen Wechselfeldes ein Ausgangssigna! eines Generators einer auf dem Magnetkern befindlichen Erregerspule zugeführt wird.8. Arrangement according to claim 6, characterized in that in the normal branch of the measuring bridge a variometer (L) with adjustable loss resistance Alternating field with a variable frequency is introduced, which prevails in the air gap of a magnetic core, and an output signal to generate this magnetic alternating field! a generator is fed to an excitation coil located on the magnetic core. Aus der DE-AS 11 72 861 ist eine Einrichtung bekannt, bei der ein solches Verfahren verwendet wird. Neben dem Erregermagnetsystem weist die Einrichtung der DE-AS 11 72 861 ein Aufnehmermagnetsystem auf. Die in der Meßspule des Aufnehmermagnetsystems induzierte Spannung wird dort auf Maximum eingestellt, indem man die Frequenz des das Erregermagnetsystems speisenden Tonfrequenzgenerators verändert. Die am Tonfrequenzgenerator so eingestellte Frequenz stellt dann die Eigenfrequenz des Torsionsschwingers (bei der DE-AS 11 72 861 bestehend aus einem gekoppelten Schwingsystem aus einem Stab mit darauf angebrachten verstellbaren Mitnehmerscheiben) dar.From DE-AS 11 72 861 a device is known in which such a method is used. In addition to the exciter magnet system, the device of DE-AS 11 72 861 has a pick-up magnet system. The voltage induced in the measuring coil of the transducer magnet system is set to the maximum there, by changing the frequency of the audio frequency generator feeding the exciter magnet system. The on Audio frequency generator set in this way then sets the natural frequency of the torsional vibrator (at the DE-AS 11 72 861 consisting of a coupled oscillating system consisting of a rod with attached to it adjustable drive plates). Aus der DE-AS 23 34 022 ist eine Kraftmeßeinrichtung mit Frequenzausgang bekannt. Das Torsionsschwingsystem besteht hierbei aus zwei Schwingscheiben, die durch Torsionsfedern gekoppelt sind und bei Resonanz gegenläufige Schwingbewegungen ausführen.From DE-AS 23 34 022 a force measuring device with frequency output is known. The torsional vibration system consists of two oscillating discs, which are coupled by torsion springs and at Perform resonance oscillating movements in opposite directions. Beide .Schwingscheiben sind zum Anfachen der Schwingbewegung mit Polstücken verbunden, wobei ein Polstück eine Erregerwicklung und ein anderes eine Aufnehmerwicklung trägt. Die Erregerwicklung wird von einer Regeleinrichtung in der Resonanzfrequenz erregt. Ein mit der Regeleinrichtung verbundener Digitalzähler zeigt die jeweilige Eigenfrequenz der Schwingscheiben an.Both .Schwingscheibe are connected to the swinging motion with pole pieces, whereby one Pole piece carries an excitation winding and another one a pickup winding. The excitation winding will excited by a control device in the resonance frequency. One connected to the control device Digital counter shows the respective natural frequency of the vibrating discs. Nachteilig bei dieser Einrichtung ist die starke Beeinflussung der Eigenfrequenzen durch die angebrachten Koppelelemente. Zusätzliche Massen und Federelemente verschieben die Resonanz zu abweichenden Werten hin.The disadvantage of this device is the strong influence on the natural frequencies by the attached Coupling elements. Additional masses and spring elements shift the resonance to deviating ones Values. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren eingangs genannter Art anzugeben, das die Resonanz der mechanischen Torsionsschwinger nur unwesentlich beeinflußt.The invention is therefore based on the object of specifying a method of the type mentioned above, which the The resonance of the mechanical torsional vibrator is only marginally affected. Erfindungsgemäß wird diese Autgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, this task is made possible by the characterizing features of claim 1 solved. In den weiteren Ansprüchen sind vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bzw. Anordnungen zum Durchführen des Verfahrens angegeben.
Wird als Ausgangssignal des Generators ein eingeprägter Strom an die Erregerspule geliefert und der Scheinwiderstand der Erregerspule hochohmig gemessen, erhöht sich die Empfindlichkeit der Messung des Scheinwiderstandes.In the further claims, advantageous embodiments of the method according to the invention or arrangements for carrying out the method are specified.
If an impressed current is supplied to the excitation coil as the output signal of the generator and the impedance of the excitation coil is measured with a high resistance, the sensitivity of the measurement of the impedance increases. Eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit ergibt sich, wenn der Torsionsschwinger derart in das magnetische Wechselfeld mit veränderbarer Frequenz eingebracht wird, daß seine Magnetisierungsrichtung senkrecht zu diesem Wechselfeld steht. In diesem Falle wird der Torsionsschwinger bei Resonanz mit Maximalamplitude schwingen.A further increase in sensitivity results when the torsional vibrator is inserted into the alternating magnetic field with variable frequency is introduced that its direction of magnetization is perpendicular to this alternating field. In this case, the torsional vibrator is at resonance with maximum amplitude swing. Der Luftspalt läßt sich vorzugsweise durch einen nicht geschlossenen magnetischen Kreis bilden, z. B. durch einen nicht geschlossenen Toroidkern oder durch einen E- bzw. £/-Kern.The air gap can preferably be formed by a non-closed magnetic circuit, e.g. B. by a non-closed toroidal core or by an E or £ / core. Eine andere Möglichkeit ist dadurch gegeben, daß der Luftspalt durch eine Bohrung in einem sonst geschlossenen bei Sättigung arbeitenden Magnetkern gebildet ist. Vorteilhaft ist es, die Erregerspule in einen ZweigAnother possibility is that the air gap through a hole in an otherwise closed at saturation working magnetic core is formed. It is advantageous to have the excitation coil in one branch
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