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Bezeichnung: Verfahren und Anordnung zum Antreiben einer
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schwingfähigen mechanischen Vorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antreiben einer mit ihrer Eigenfrequenz
schwingfähig gestalteten mechanischen Vorrichtung, bei welchem die Frequenz der
sie antreibenden Kraftimpulse durch Rückkopplung eines von der Vorrichtung abgenommenen,
die Schwingungsinformation beinhaltenden Signals gesteuert wird, sowie eine Anordnung
zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Schwingfähige mechanische Vorrichtungen im Sinne der Erfindung sind
solche, die in ihrer Gesamtheit oder auch nur mit einem oder mehreren ihrer Teile
mit der ihr bzw. ihnen eigenen Frequenz - auch "natürliche Frequenz" genannt - schwingen
oder vibrieren können. Beispiele hierfür sind Vibrationsförderer, Schüttelsiebe,
Betonkompaktoren, schwingende Förderrinnen, Sortiermaschinen u.a.
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Es ist bei derartigen Vorrichtungen bekannt, die Schwingbewegung mittels
eines Fühlers zu erfassen und in ein sowohl die Frequenz information als auch die
Phaseninformation der Schwinqbewegung enthaltendes Signal umzuwandeln, das nach
Verstärkung zum Steuern der Erregung eines die schwingende Vorrichtung antreibenden
Elektromagneten herangezogen wird. Diese Art der Rückkopplung sichert zwar eine
ständige Anpassung der Frequenz der antreibenden Kraftimpulse des Elektromaqneten
an die Eigenfrequenz des schwingenden Körpers, die sich infolge der bei den meisten
Anwendungsarten auftretenden ständigen Änderung der Menge des in der Vorrichtung
enthaltenen Gutes selbst fortgesetzt ändert. Im Gegensatz zu dieser Frequenz anpassung
fehlt es jedoch an der erwünschten Phasenübereinstimmung der Kraftimpulse mit der
Schwingbewegung der angetriebenen Vorrichtung, weil entlang dem Rückkopplungskreis,
beginnend
mit'dem Fühler bis zum Aufbau des magnetischen Feldes, durch Kapazitäten, Induktivitäten
und Ohmsche Widerstände zahlreiche Phasenverschiebungen verursacht werden, die in
ihrer Gesamtheit ein beträchtliches Ausmaß erreichen können und außerdem frequenzabhängig
sind. Diese mangelnde phasenübereinstimmung hat zur Folge, daß ein Teil der Antriebsenerqie
dem sinngemäßen Antrieb entgegenwirkt, was zwangsläufig zu bedeutenden Energieverlusten
führt und die Leistungsfähigkeit der angetriebenen Vorrichtung mindert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen
und ein Verfahren sowie eine Anordnung zu dessen Durchführung zu schaffen, bei denen
die Frequenz und die Phasenlage der treibenden Kraftimpulse mit der Schwingbewegung
der angetriebenen Vorrichtung unter allen Betriebsbedinqungen übereinstimmen, d.h.
- mit anderen Worten - resonanzgerechter Antrieb erhalten wird.
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Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe in tibereinstimmung mit der Erfindung
dadurch gelöst, daß der Phaseninformationsinhalt des rückgekoppelten Signals einer
die schädlichen Auswirkungen der bei der Rückkopplung auftretenden Phasenverschiebung
zwischen der Schwingbewegung der Vorrichtung und den antreibenden Kraftimpulsen
fortgesetzt ausschließenden Behandlung unterworfen wird, während der Frequenzinformationsinhalt
des rückgekoppelten Signals - umgeformt oder nicht umaeformt - unverändert weitergeleitet
wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in zwei Ausgestaltungsformen
praktisch verwirklichen.
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In einer ersten solchen Ausgestaltung führt die Behandlung des Phaseninformationsinhaltes
des rückgekoppelten Signals zu einer vollkommenen Unterdrückung der Phaseninformation,
und das rückgekoppelte Signal trägt nur noch die Frequenzinformation weiter. Zweckmäßig
erfolgt dies dadurch, daß zur Unterdrückung des Phaseninformationsinhalts das rückgekoppelte
Signal bei der Rückkoppluna so verarbeitet wird, daß die Frequenz information in
einen der
Frequenz analogen Meßwert umgewandelt wird, wozu in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung das durch den frequenzanalogen Meßwert gekennzeichnetes
phaseninformationsfreies Signal zur Steuerung bei der Erzeugung von elektrischen
Schwingungen herangezoaen wird, deren Frequenz von diesem Signal so gesteuert wird,
daß sie der natürlichen Eigenfrequenz der angetriebenen Vorrichtung gleichwertig
gestellt und fortlaufend so eingehalten wird. Weiterhin werden die der Eigenfrequenz
der angetriebenen Vorrichtung entsprechenden elektrischen Schwingungen dazu verwendet,
unvermittelt oder vermittelt die Antriebskraftimpulse zu steuern. Schließlich läßt
sich bei dieser Art der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine weitere
Verfeinerung der ständigen Anpassung der Frequenz der Kraftimpulse an die Schwingbewegung
der Vorrichtung dadurch erzielen, daß die der natürlichen Frequenz gleiche elektrische
Schwingung auch noch in ein frequenzanaloges Signal umgewandelt wird, welches mit
dem ersten frequenzanalogen Steuersignal fortlaufend verglichen wird, und daß ein
beim Vergleich erzeugtes Differenzsignal zur zusätzlichen Beeinflussung der Frequenz
der die Antriebskraftimpulse steuernden Schwingung verwendet wird.
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In der zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
zur Unschädlichmachung der durch die Rückkopplung verursachten Phasenverschiebung
die Phaseninformation fortlaufend so behandelt, daß eine zusätzliche positive oder
negative Phasenverschiebung vorgenommen wird, welche so bemessen wird, daß die Antriebsimpulse
phasenübereinstimmend mit der Schwingbewegung der schwingfähigen Vorrichtung auftreten.
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Entsprechend den vorstehend aufgezeigten beiden Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens sind auch die zu ihrer Durchführung zu treffenden Anordnungen
verschieden. So weist eine Anordnung zur Durchführung der ersten Verfahrensausgestaltung
erfindungsgemäß einen Frequenz/Gleichstrom-Wandler zur Umwandlung
der
Frequenz des von der schwingenden Vorrichtung abbenornrr#:nen und deren Schwingungsinformation
beinhaltenden Signals in ein dieser Frequenz analoges Gleichstromsignal und einen
von dem frequenzanalogen gleichstromsignal gesteuerten elektronischen Oszillator
zur Erzeugung der Antriebsfrequenz auf. Die oben erwähnte Verfeinerung der Regelung
wird in vorteilhafter Weiterbildung dieser Anordnung durch einen zweiten Frequenz/
Gleichstrom-Wandler zur Umwandlung des vom elektronischen Oszillator (4) abgegebenen
Signals in ein dieser Frequenz analoges Gleichstromsignal und einen Komparator (8)
zum Vergleichen der beiden frequenzanalogen Gleichstrbmsignale und zum Erzeugen
eines Differenzsignals, von welchem die Frequenz der vom Oszillator (4) erzeugten
Schwingungen zusätzlich beeinflußbar ist. Vom Oszillator wird zweckmäßig ein elektronischer
Schalter gesteuert, der seinerseits die Energiezufuhr zu einem Antriebsmagneten
für die schwingfähige Vorrichtung steuert.
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Demgegenüber zeichnet sich eine Anordnung zur Durchführung der zweiten
Verfahrensausgestaltung in Ubereinstimmung mit der Erfindung durch einen mit Gleichspannung
steuerbaren Phasenschieber und einen Frequenz/Gleichstrom-Wandler zur Erzeugung
des Steuersignals für den Phasenschieber aus.
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Beide Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie
die zu ihrer Durchführung in Ubereinstimmung mit der Erfindung vorgesehenen Anordnungen
führen zu einem resonanzgerechten Antrieb der schwingfähigen Vorrichtung mit der
Folge einer Optimierung des Energieverbrauchs und dadurch einer äußersten Steigerung
der Leistungsfähigkeit der angetriebenen Vorrichtung.
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Die Erfindung wird nachstehend in ihren beiden Ausgestaltungsformen
anhand der Zeichnung näher erläutert, in welcher die verschiedenen Anordnungen zu
ihrer Durchführung in Form von Blockschaltbildern abgebildet sind. Es zeigen:
Fig.
1: das Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in seiner ersten Ausgestaltung, Fig. 2: das Blockschaltbild einer Anordnung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in seiner zweiten Ausgestaltung und
Fig. 3: ein Beispiel für die elektronische Scha]tuna des im Blockschaltbild
nach Fig. 2 verwendeten Phasenschiebers.
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In den Figuren 1 und 2 sind übereinstimmend mit 1 eine beliebige mechanische
Vorrichtung, die durch entsprechende Aufhängung oder Abstützung wie beispielsweise
auf einer Blattfeder 1a mit ihrer Eigenfrequenz hin- und herzuschwingen vermag,
und mit 2 ein die Schwingbewegung abtastender Fühler oder Meßwertgeber bezeichnet,
der die Schwingbewegung der angetriebenen Vorrichtung in bekannter Weise in eine
sowohl deren Frequenz- als auch deren Phaseninformation beinhaltendes Wechselstromsignal
umwandelt.
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Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird dieses Signal in einem Frequenz/Gleichstrom-Wandler
3 in ein frequenzanaloqes Gleichstromsignal umgewandelt, das somit nur noch die
Frequenzinformation beinhaltet. Eine Phaseninformation ist darin nicht mehr enthalten.
Das der Frequenz der schwingenden Vorrichtung analoge Gleichstromsignal wird nun
zur Steuerung der Frequenz der Antriebsimpulse herangezogen, indem es die Betriehsfrectuenz
eines elektronischen Oszillators 4 derart steuert, daß diese Frequenz mit der Schwingungsfrequenz
der anetricbcnn Vorrichtung fortlaufend übereinstimmt. Die vom Oszillator 4 abgegebenen
Impulse steuern einen elektronischen Schalter 5, der seinerseits die Erregung eines
Elektromagneten 6 steuert,
welcher die Kraftimpulse für den Antrieb
der schwingenden Vorrichtung liefert. Die schwingende Vorrichtung stellt sich auf
die Frequenz und Phasenlage dieser Kraftimpulse ein und schwingt demgemäß resonanzgerecht.
Ändert sich die natürliche Frequenz der Vorrichtung infolge von Änderungen der Umweltbedingungen
und/oder der Belastung der ltorrichtung durch das zu verarbeitende oder auf sonstige
Weise zu behandelnde Gut, wird diese Frequenzänderung sofort über den Fühler 2 und
den Frequenz/Gleichstrom-Wandler 3 zu dem elektronischen Oszillator 4 rückgemeldet,
dessen Schwingungsfrequenz der geänderten Eigenfrequenz der schwingenden Vorrichtung
angepaßt und damit auch weiterhin resonanzgerechten Antrieb bewirkt. Die vom Fühler
2 rückgekoppelte Phaseninformation vermag demgegenüber die Phasenlage der Antriebsimpulse
nicht zu beeinflussen, da sie von dem Frequenz/Gleichstrom-Wandler 3 unterdrückt,
d.h.
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nicht weitergeleitet wird.
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Zum Zwecke der Verfeinerung der vorstehend erläuterten selbständigen
Anpassung der Frequenz der treibenden Kraftimpulse an die Eigenfrequenz der getriebenen
Vorrichtung wird das vom elektronischen Oszillator 4 erzeugte Signal einem zweiten
Frequenz/Gleichstrom-Wandler 7 zugeführt, der ein der Frequenz dieses Signals analoges
Gleichstromsignal erzeugt. Dieses analoge Gleichstromsignal wird mit dem der Frequenz
der schwingenden Vorrichtung 1 analogen Gleichstromsignal, das von dem Frequenz/Gleichstrom-Wandler
3 erzeugt wird, in einem Komparator 8 verglichen. Durch entsprechende Einstellung
des Komparators 8 wird erreicht, daß bei Gleichheit der den beiden verglichenen
Signalen zugrundeliegenden Frequenzen der Komparator 8 kein die Betriebsfrequenz
des elektronischen Oszillators 4 veränderndes Signal abgibt, ein solches aber bei
Frequenzungleichheit auftritt und den Oszillator 4 im Sinne einer Anpassung seiner
Betriebsfrequenz an die Frequenz der schwingenden Vorrichtung steuert. Da diese
Vergleicherschaltung sehr feinfühlig ist, wird damit eine äußerst schnelle
Frequenzanpassung
und demgemäß eine fortlaufend fein&# -Frequenzübereinstimmuna erzeugt.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung wird demgegenüber der Phaseninformationsinhalt
des vom Fühler 2 abgegebenen Schwingungssignals aufrecht erhalten und unter zusätzlicher
positiver oder negativer Phasenverschiebung zum Steuern des Elektromagneten 6 über
den auch hier benutzten elektronischen Schalter 5 weitergegeben. Zu diesem Zweck
ist an den Fühler 2 ein mit Gleiche spannung steuerbarer Phasenschieber 9 angeschlossen,
in welchem das vom Fühler 2 zugeführte Wechselstromsignal einer Phasenverschiebung
unterworfen wird, bevor es in einem Verstärker 10 verstärkt und dem elektronischen
Schalter 5 aufgegeben wird.
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Die Phasenverschiebung im Phasenschieber 9 wird so eingestellt, daß
Phasenübereinstimmung der vom Elektromagneten gelieferten Kraftimpulse mit der Schwingbewegung
der angetriebenen Vorrichtung 1 besteht. Diese Ubereinstimmung wird nun bei sich
ändernder Eigenfrequenz der Vorrichtung 1 fortlaufend dadurch aufrecht erhalten,
daß das im Verstärker lo verstärkte phasenverschobene Signal einem Frequenz/Gleichstrom-Wandler
3a zugeführt wird, welcher das Ausmaß der vom Phasenschieber 9 hervorqerufenen Phasenverschiebung
in dem Sinne berichiqt, daß die anfänglich eingestellte Ubereinstimmung der Kraftimpuls-Phase
mit der Schwingphase der angetriebenen Vorrichtung fortlaufend erhalten bleibt.
Die Frequenzempfindlichkeit dieser sekundären Rückkopplung läßt sich außerordentlich
hoch einstellen und liefert demgemäß eine sehr genaue Einhaltung der angestrebten
Phasenübereinstimmung.
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Es leuchtet ein, daß der Freguenz/Gleichstrom-Wandier 3a nicht von
dem im Phasenschieber 9 verschobenen Wechselstromsignai gespeist werden muß, sondern
an jeder beliebigen anderen Stelle des Rückkopplungskreises, gqf. über einen zusätzlichen
Verstärker, angeschlossen sein kann, da alle Signale zwischen dem Fühler 2 und dem
Elektromagneten 6 periodisch veränderbare Signale sind, deren Frequenz stets die
gleiche ist.
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In Fig. 3 ist ein Beispiel für die elektronische Schaltung des mit
Gleichstrom steuerbaren elektronischen Oszillators 4 in Gestalt eines Vierpols mit
zwei Eingangsklemmen zur Verbindung mit dem Fühler 2, zwei Ausgangsklemmen zur Verbindung
mit dem Verstärker lo und einer Steuerklemme dargestellt, an welche die vom Frequenz
/Gleichstrom-Wandler 3a gelieferte Regelspannung UR angelegt wird. Diese Regelspannung
UR steuert über einen Widerstand R4 einen Transistor T, der in Reihe mit einem Festwiderstand
R3 einen veränderlichen Widerstand am Ende einer ansonsten aus den Widerständen
R1 und R2 sowie den Kondensatoren C1 , C2 und C3 bestehenden Phasenschieberschaltung
bildet. Je nach der Höhe der Steuerspannung UR ändert sich der Gesamtwiderstand
von R3+T und damit das Ausmaß der von dem Vierpol hervorgerufenen Gesamt-Phasenverschiebung.
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Ebenso wie der in Fig. 3 gezeigte Phasenschieber lassen sich sämtliche
übrigen Schaltungskomponenten der Anordnungen nach den Figuren 1 und 2 in Gestalt
kompakter, störunanfälliger und preiswerter Bausteine herstellen bzw. sind als solche
auf dem Markt erhältlich. Die erfindungsgemäßen Anordnungen lassen sich unter Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens bei allen bekannten schwingfähigen Vorrichtungen
auch nachträglich mit Erfolg und ohne wesentliche Anpassungsmaßnahmen einsetzen,
wcdurch diese Vorrichtungen wirtschaftlicher, leistungsfähiger und bequemer betrieben
werden können. Neue schwinqfähige Vorrichtungen lassen sich mit kleineren Antrieben
versehen und dadurch leichter ausbilden, wodurch ihr Einsatzgebiet. erweitert und
ihre Lebensdauer verarößert werden können.
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