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Vorrichtung zur Umsetzung einer Aus lenkung in eine Frequenz
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung einer Auslenkung
in eine Frequenz.
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In bestimmten Bereichen der industriellen Wägetechnik wird die elastische
Verformung eines Kraftaufnehmers als Meßgröße verwendet. Die Verformung läßt sich
u. a. mit einer solchen Vorrichtung erfassen.
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MeBwandler mit einer Wechsel spannung variabler Frequenz als Ausgangssignal
hagen gegenüber Systemen mit einem Stromausganx eine Reihe von Vorzügen.
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Die der Frequenz entsprechende Anzahl der auf ein bestimmtes Zeitintervall
entfallenden Schwingungen läßt sich mit einer
Zählschaltung ermitteln
und digital weiterverarbeiten.
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Mikroelektronische Schaltkreise können damit in Meß- und Regelanordnungen
unmittelbar zur Signalverarbeitung genutzt werden. Im Rahmen des Zählvorganges lassen
sich durch den Vergleich mit einer temperaturabhängigen Bezugsfrequenz Temperatureinflüsse
auf eine als Aus lenkung vorliegende Meßgröße eliminieren.
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Bei Anwendung des Trägerfrequenzverfahrens ist eine Vielfachübertragung
frequenzanaloger Signale auf einer Leitung bzw.
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einem Kanal möglich. Der Meßgröße Null entspricht kein verschwindendes
elektrisches Signal, sondern es kann stets mit Amplituden im Voltbereich gearbeitet
werden. Uberlagerte Störsignale vermögen deshalb die Meßgenauigkeit kaum zu beeinflussen.
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Eine Art frequenz analoger Meßwandler stellen mechanische Oszillatoren
dar, deren Resonanz frequenz durch die Meßgröße bestimmt ist. Sie zeichnen sich
durch hohe Meßgenauigkeit und gute Langzeitstabilität aus.
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Die schwingende Saite ist ein solcher Oszillator. Für die Resonanz
frequenz der transversalen Grundschwingungen einer zugbelasteten Saite vernachlässigbarer
Biegesteifigkeit gilt
Hierbei ist L die Saitenlänge zwischen den Schwingungsknoten, P1 die Zugbelastung,
Q die Werkstoffdichte und q der Saitenquerschnitt. Setzt man mit Hilfe eines federelastischen
Element eine Auslenkung in eine Zugbelastung der Saite um, dann 1äRt sich auf diese
Weise ein Zusammenhang zwischen
Auslenkung und Resonanzfrequenz
herstellen.
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Die analytische Beziehung zwischen P1 und f zeigt einen grundsätzlichen
Nachteil der schwingenden Saite als Meßwandler für Wegmessungen: Der Zusammenhang
zwischen Zugbelastung und Resonanzfrequenz ist nicht linear.
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Es wurden daher verschiedene Meßanordnungen entwickelt, die eine Auswirkung
dieser Nichtlinearität vermeiden. Aus der DE-OS 26 30 305 ist eine Vorrichtung zur
Umwandlung eines Drucks in eine Frequenz mit einer durch den Druck beaufschlagbaren
Saite und mit Mitteln zur Schwingungsanregung dieser Saite bekannt, bei der ein
elastisches Meßglied vorgesehen ist, dessen Auslenkung senkrecht auf die Saite übertragen
wird.
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Diese Druckmeßanordnung liefert eine linear mit der Aus lenkung ansteigende
Resonanzfrequenz der Saite.
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Diese Vorrichtung ist in ihrem mechanischen Aufbau zwar einfach, sie
ist aber nicht statisch bestimmt, da die Saite im Gehäuse eingespannt ist und somit
dessen Formänderungen unterliegt.
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Diese Formänderungen, die von Temperaturänderungen oder Alterungsprozessen
verursacht werden, wirken sich auf die Ausgangsfrequenz aus. Der aus dieser nicht
statischen Bestimmtheit resultierende Temperaturgang läßt sich nur schwer kompensieren.
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Die die Resonanz frequenz bestimmende Zugbelastung der Saite ist bei
dieser Vorrichtung durch den Elastizitätsmodul des Saitenwerkstoffs gegeben. Dessen
Temperaturabhängigkeit' läßt sich nicht in einfacher Weise kompensieren, da alle
bekannten Konstantmodullegierungen ferromagnetisch sind und nicht für eine im Magnetfeld
schwingende Saite verwendet werden k(inrwen.
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Die elastische Rückwirkung der ausgelenkten Saite hängt nicht
linear
von der Auslenkung ab. Bei Verwendung eines Meßwertaufnehmers mit relativ niedrigen
Stellkräften, führt dies zu einer nicht linearen Kennlinie des Meßwandlers.
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Grundsätzlich läßt sich die Beziehung zwischen der Zugbelastung und
der Resonanz frequenz auch mit den Hilfsmitteln der digitalen Elektronik linearisieren.
Unvermeidbare Exemplarschwankungen einer jeden Schwingsaitenanordnung machen jedoch
eine Kennlinienaufnahme im gesamten Meßbereich erforderlich. Dies kompliziert die
Programmierung der Linearisierungsschaltung und wirkt sich kostensteigernd aus.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß eine von einem Meßwertaufnehmer kommende Aus lenkung
linear in eine Frequenz umgesetzt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erstes
und ein zweites Zugelement vorgesehen sind, die sich in einem ortsfesten Knotenpunkt
treffen, wobei das erste Zugelement eine schwingende Saite ist, die durch eine sie
umgebende Anordnung zu transversalen Grundschwingungen angeregt wird und auf die
die Zuglastkomponente einer am Knotenpunkt angreifenden Kraft einwirkt, daß ein
schwenkbares Führungselement an seinem einen,ortsfesten Ende am Knotenpunkt mit
dem ersten und zweiten Zugelement und an seinem anderen, schwenkbaren Ende mit einem
dritten und einem vierten Zugelement verbunden ist, wobei das dritte Zugelement
schräg zur Längsachse des Führungselementes verläuft und mit einem federelastischen
Element verbunden ist, und das vierte Zugelement mit dem Angriffspunkt der Auslenkung
verbunden ist.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung des zweiten, eine Längskraft
aufnehmenden Zugelementes wird durch eine Komponentenzerlegung erreicht, daß die
auf die schwingende Saite wirkende Komponente einer am gemeinsamen Knotenpunkt angreifenden
und nach Größe und Richtung veränderlichen Kraft bei auslenkungsproportionaler Richtungsänderung
und auslenkungsproportionalem Betrag proportional zum Quadrat der Auslenkung anwächst.
Damit ergibt sich über die Beziehung für die Resonanzfrequenz- der schwingenden
Saite die gewünschte Proportionalität zwischen Auslenkung und Frequenz.
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Das zweite Zugelement wird ausschließlich für die Komponentenaufteilung
im Kräfteparallelogramm benötigt. Es kann daher von beliebiger Art sein. Zur einfachen
Herstellung der Gesamtanordnung ist es aber zweckmäßigerweise als Hilfssaite ausgebildet,
die aus dem gleichen Material besteht wie die schwingende Saite.
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Damit es durch eine Kopplung der Saitenschwingungen im Knotenpunkt
nicht zu Schwebungen zwischen der Saite und der Hilfssaite kommt, ist die Hilfssaite
zweckmäßigerweise so kurz ausgebildet, daß ihre Resonanzfrequenz stets oberhalb
der der schwingenden Saite liegt. Schwingungen der Hilfssaite können auch dadurch
unterbunden werden, daß diese entsprechend gedämpft wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist das erste und
dritte Zugelement als einstückige Saite ausgebildet. Damit läßt sich die räumlich
kleine Vorrichtung bequem montieren.
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Aus dem gleichen Grund kann auch das zweite und vierte Zugelement
einstückig ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise kann das um den Knotenpunkt schwenkbare Führungselement
eine plastisch verformbare Hülse sein.
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Um eine Längenänderung der Saiten zu verhindern und eine definierte
Lage des Knotenpunktes zu gewährleisten, sind die Saiten in dieser Hülse eingeklemmt.
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Um eine möglichst lineare Umsetzung der Aus lenkung in eine Schwenkbewegung
der Hülse zu gewährleisten, verläuft das den Angriffspunkt der Aus lenkung mit der
Hülse verbindende vierte Zugelement für die Mitte des Auslenkbereichs unter einem
Winkel von 90" zur Hülsenachse.
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Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist das
federelastische Element, welches über die elastische Verformung des Werkstoffs eine
Aus lenkung linear in eine Rückstellkraft umsetzt, eine Blattfeder.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß das federelastische
Element aus einer geeigneten Konstantmodullegierung besteht. Durch die vernachlässigbare
Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls von der Umgebungstemperatur ergibt sich auch
eine weitgehende Unabhängigkeit der Frequenz von der Umgebungstemperatur. Zweckmäßigerweise
wird eine Eisen-Nickel-Legierung verwendet.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das dritte
und vierte Zugelement einstückig ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise sind die Zugelemente dünne Metallbänder.
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Diese haben neben der Saiteneigenschaft auch die für das erste und
zweite Zugelement benötigten elektrischen Eigenschaften
und gewährleisten
einen definierten Schwingungsmodus.
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Vorteilhafterweise ist zwischen dem Angriffspunkt der Auslenkung und
dem schwenkbaren Ende der Hülse eine Federgelenkführung angeordnet. Da im allgemeinen
ein sehr sauber defi-~vierter Angriffspunkt nicht vorhanden ist, gewährleistet die
Verwendung einer erfindungsgemäßen Federgelenkführung, daß zur sicheren Bestimmung
der Angriffsrichtung ein präzise eingehaltener Winkel erreicht wird. Dadurch braucht
der Angriffspunkt-nicht besonders justiert zu werden.
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Die Schaltung zur Erregung der Resonanzschwingungen sieht gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vor, daß die Saite und das zweite Zugelement
im Knotenpunkt elektrisch leitend verbunden sind und einen Widerstand einer Wheatstonebrücke
bilden, dessen Diagonale, mit dem Differenzeingang eines Operationsverstärkers verbunden
ist, und daß das amplitudenbegrenzte Ausgangssignal auf die Wheatstonebrücke rückgekoppelt
wird. Damit wird in an sich bekannter Weise phasenrichtig zur induzierten Spannung
ein Wechselstrom durch die schwingende Saite geschickt, der die Oszillatoranordnung
entdämpft und Resonanzschwingungen aufrechterhält.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Prinzipdarstellungen und einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Komponentenzerlegung der in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung auftretenden Kräfte, Fig. 2 eine Teildarstellung der Komponentenzerlegung
im Knotenpunkt 3 gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine schematische Gesamtdarstellung eines
mechanischelektronischen Meßwandlers, welcher eine Auslenkung als Meßgröße linear
in die Frequenz einer Wechselspannung umsetzt, Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform
des in Fig. 3 dargestellten frequenzanalogen Wegaufnehmers ohne die elektronische
Schaltung zur Erregung der Resonanz schwingungen und Fig. 5 einen Schnitt längs
der Linie V-V in Fig. 4.
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In Fig. 1 ist eine zu Resonanzschwingungen anregbare Saite 1 und eine
Hilfssaite 2 gezeigt, die sich in einem ortsfesten Knotenpunkt 3 unter einem festen
Winkel » treffen. Im Knotenpunkt 3 greift eine variable Kraft P an, die mit der
Verlängerung der Hilfssaite 2 einen variablen Winkel X bildet. Zur deutlicheren
Darstellung wurden beide Winkel größer gezeichnet, als dies einer maßstäblichen
Darstellung entspricht. Für die Komponenten gilt
Wählt man X und S hinreichend klein, dann können die Sinusfunktionen durch die Winkel
selbst ersetzt werden und es gilt
Sorgt man durch ein in geeigneter Weise mit dem Knotenpunkt verbundenes federelastisches
Element dafür, daß P=cCk und die am Knotenpunkt angreifende Kraft somit proportional
zu K ist, dann gilt
In der Beziehung für die Resonanzfrequenz läßt sich die Wurzel aus X 2 ziehen und
es ergibt sich eine Proportionalität zwischen f und X :
Für kleine Winkel ist im Rahmen der hier verwendeten Näherung damit auch eine Proportionalität
zwischen einer die Schwenkbewegung um ffi bewirkenden Aus lenkung und der Frequenz
gewährleistet.
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In der schematischen Darstellung der Fig. 3 sind die aus dünnen Metallbändern
eines geeigneten Werkstoffes hergestellten Saiten 1 und 2 zwischen entsprechenden
Klemmvorrichtungen 4 und 5 sowi einem als Hülse ausgebildeten, schwenkbaren Führungselement
6 eingespannt.
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Die Saite 1 wird von der Klemmvorrichtung 4 zur Hülse 6 und
durch
diese Hülse 6 hindurch bis zu einem als Blattfeder ausgebildeten federelastischen
Element 7 geführt. Auch die Hilfssaite 2 wird von ihrer Klemmvorrichtung 5 durch
die Hülse 6 einstückig bis zum Angriffspunkt 8 einer Auslenkung geführt.
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Da die Hülse 6 aus einem plastisch verformbaren Metall hergestellt
ist, läßt sie sich derart zusammendrücken, daß die Saiten 1 und 2 fest eingeklemmt
werden. Das verhindert eine Änderung der Saitenlängen und definiert den Knotenpunkt
3. Die Hülse 6 läßt sich um diesen ortsfesten Knotenpunkt 3 schwenken.
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Der Abschnitt der Saite 1 zwischen dem schwenkbaren Ende 9 -der Hülse
6 und der Blattfeder definiert ein drittes Zugelement 10 und der Abschnitt der Hilfssaite
2 zwischen dem schwenkbaren Ende 9 der Hülse 6 und dem Angriffspunkt 8 einer Auslenkung
stellt ein viertes Zugelement 11 dar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
das erste und dritte Zugelement sowie das zweite und vierte Zugelement jeweils einstückig
ausgebildet.
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Es können aber selbstverständlich getrennte Zugelemente verwendet
werden, wobei lediglich das erste Zugelement 1 eine Saite zu sein braucht.
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Während die Saite 1 nach Austritt aus der Hülse 6 schräg zur Hülsenachse
weitergeführt und am freien Ende der als federelastisches Element wirksamen Blattfeder
7 befestigt wird, wird die Hilfssaite 2 nach Verlassen der Hülse 6 unter einem Winkel
von 900 zum Angriffspunkt 8 der Auslenkung geführt.
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Wird das überstehende Saitenende des vierten Zugelementes 11 ausgelenkt,
dann bewirkt dies im Rahmen der hier verwendeten Näherung über die Aus lenkung des
federelastischen Elementes 7 eine auslenkungsproportionale Kraft auf den Knotenpunkt
3, die
in Richtung der auslenkungsproportional geschwenkten Hülse
6 wirkt.
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Da im allgemeinen nicht gewährleistet ist, daß ein sauber definierter
Angriffspunkt 8 vorhanden ist, ist zur sicheren Bestimmung der Angriffsrichtung
eine Federgelenkführung 12 vorgesehen, die zwischen dem Angriffspunkt 8 der Auslenkung
und dem schwenkbaren Ende 9 der Hülse 6 angeordnet ist.
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Fig. 3 zeigt gleichzeitig die Schaltung zur Erregung der Resonanzschwingungen.
Die Saite 1 schwingt über einem Polschuh im senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden
Feld eines nicht dargestellten Permanentmagneten. Die durch die Saitenschwingungen
induzierte Wechselspannung wird an den voneinander isolierten Klemmvorrichtungen
4 und 5 abgegriffen. Die Saiten 1 und 2, die im Knotenpunkt 3 elektrisch leitend
verbunden sind, bilden einen Widerstand einer Wheatstonebrücke 14, deren Diagonale
mit dem Differenzeingang eines Operationsverstärkers 15 verbunden ist. Sein amplitudenbegrenztes
Ausgangssignal wird auf die Wheatstonebrücke 14 rückgekoppelt. Damit wird in an
sich bekannter Weise phasenrichtig zur induzierten Spannung ein Wechselstrom durch
die schwingende Saite geschickt, der die Oszillatoranordnung entdämpft und Resonanz
schwingungen aufrechterhält.
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Die Hilfssaite 2 ist gegenüber der Saite 1 so verkürzt, daß es durch
die Kopplung der Saitenschwingungen im Knotenpunkt 3 nicht zu Schwebungen zwischen
den Saiten 1 und 2 kommt. In gleicher Weise wird durch geeignete Dimensionierung
der die Auslenkung vermittelnden Zugelemente 10 und 11 sowie des federelastischen
Elementes 7 eine Schwingungskopplung auf diese Bauteile verhindert.
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In der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsform ist auf einer
Grundplatte 16 ein Gehäuse 17 montiert. In dem Gehäuse 17 ist auf der Grundplatte
16 ein Isolator 18 und darüber eine Eisenplatte 19 angeordnet. Diese Eisenplatte
19 dient gleichzeitig als Montageträger und zur Führung des Magnetfeldes.
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Auf der Eisenplatte 19 sind zwei Ferritwürfel 20 und 21 magnetisierungsparallel
aufgeklebt. Eine abgewinkelte Eisenplatte 30 ist so auf diese Würfel 20 und 21 aufgeklebt,
daß durch sie das Magnetfeld über einen engen Luftspalt 31 zu einer eingestanzten
und abgewinkelten Lasche 32 der Eisenplatte 19 verläuft. In diesem Feld schwingt
die Saite 1.
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Die Klemmvorrichtung 4 für die Saite 1 und die Klemmvorrichtung 5
sind als Stehbolzen 22 und 23 ausgeführt, die zur Aufnahme und Befestigung der Saiten
1 und 2 geschlitzt sind.
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Während der gesamte Aufbau von der Grundplatte durch den Isolator
18 isoliert ist, ist der Stehbolzen 22 zur Befestigung der schwingenden Saite 1
von der als Montageplatte dienenden Eisenplatte 19 seinerseits isoliert. Im Stehbolzen
24 zur Befestigung des federelastischen Elementes 7 ist mittels eines Niet die Blattfeder
7 eingeklemmt. Gegenüber den Stehbolzen 22 und 23, auf die nur Zuglasten einwirken,
muß der Stehbolzen 24 über die Blattfeder 7 ein Drehmoment aufnehmen und deshalb
etwas stärker ausgebildet sein.
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Die Blattfeder 7 ist im Bereich des Angriffspunktes des dritten Zugelementes
abgewinkelt ausgeführt und weist einen Durchzug 25 für die Befestigungsschraube
des Zugelementes 10 auf.
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Auch die Federgelenkführung 12 enthält einen Stehbolzen 26, an den
ein aus dünnem Federwerkstoff bestehendes U-Stück derart befestigt ist, daß die
Federgelenkführung 12 eine Schwenkbewegung ausführen kann.
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Uber Lötfahnen 28 und 29 erfolgt der elektrische Anschluß an die Erregerschaltung.
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Der erfindungsgemäße frequenz analoge Wegaufnehmer arbeitet wie folgt:
Wird das an der Federgelenkführung 12 überstehende Saitenende des vierten Zugelementes
11 um einen Weg s nach rechts ausgelenkt, dann wird sowohl das untere schwenkbare
Ende 9 der Hülse 6, als auch die Blattfeder 7 um den gleichen Weg mitbewegt. Die
Blattfeder 7 bringt gegen diese Bewegung eine Rückstellkraft Ps auf. Damit erhält
man eine Zugbelastung des schräg verlaufenden dritten Zugelementes, die proportional
zur Auslenkung ist. Über die Hülse 6 wird diese Kraft und die entsprechende Kraftkomponente
des vierten Zugelementes auf den Knotenpunkt 3 übertragen.
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Die Rückstellkraft der Blattfeder 7 wirkt über das Zugelement 1C und
die Hülse 6 auslenkungsproportional auf den Knotenpunkt 3.
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Die mit der Schwenkbewegung der Hülse 6 veränderliche Komponentenaufteilung
der Zugbelastungen bewirkt die quadratische Abhängigkeit der auf die schwingende
Saite 1 schwingenden Zuglastkomponente von der Auslenkung s. Die Erregerschaltung
setzt diese Zuglastkomponente in die Frequenz einer mechanischen Schwingung um.
Die Hilfssaite 2 stellt dabei nur einen zusätzlichen Ohmschen Widerstand dar.
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Durch veränderliche Umgebungstemperaturen bewirkte Längenänderungen
der schwingenden Saite 1 beeinflussen ihre Resonanzfrequenz. Diese Abhängigkeit
läßt sich dadurch beheben, daß man durch eine geeignete Werkstoffauswahl einen sehr
kleinen und geeignet bemessenen Temperaturkoeffizienten für den Elastizitätsmodul
des federelastischen Elementes 7 vorsieht.
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Da die Saite 1 lediglich eine Zugspannung in eine Frequenz umsetzt,
stellt sie den eigentlichen Frequenzwandler dar.
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Bei einer Verarbeitung von Auslenkungen, die kleiner als 0,5 mm sind,
eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung wegen der linearen Umsetzung der Aus
lenkung in eine Frequenz in Verbindung mit geeigneten Meßwertaufnehmern besonders
zum Einsatz in der Wägetechnik sowie bei Druck- und Differenzdruckmessungen. Dabei
sind neben der digitalen Signalverarbeitungsmöglichkeit vor allem die kleinen Rückstellkräfte
des ausgelenkten Wegaufnehmers von Vorteil.