DE3200362A1 - Pruefeinrichtung zur bestimmung von schwingungseigenschaften - Google Patents
Pruefeinrichtung zur bestimmung von schwingungseigenschaftenInfo
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Description
Prüfeinrichtung zur Bestimmung von Schwingungseigenschaften
Die Erfindung betrifft eine Prüfeinrichtung zur Bestimmung der Schwirigungseigenschaften von Ueßwertaufnehmern,
bzw. Meßv/ertaufnahmesystemen mit piezoelektrischen' Meßelementen,
mit einem am vorhandenen Ableitanschluß des zu prüfenden Meßwertaufnehmers anschließbaren Wechselspannungει generator zur Erregung mechanischer Schwingungen des Meßelementes
über den inversen piezoelektrischen Effekt, und einem Meßsystem zur Messung und Auswertung dieser Schwingungen.
Zur Bestimmung der Schwingungseigenschaften von piezoelektrischen
Meßwertaufnehmern, welche üblicherweise zur Umsetzung von Zustandsanderungen mechanischer Art wie etwa
Druckänderungen, Beschleunigungen oder dgl. in elektrische
Signale dienen, sind mehrere Methoden bzw. l'rüfeinrichtungen
bekannt. Im einfachsten Fall wird eine mechanische Stoßanregung der piezoelektrischen Meßelemente durch den Aufprall
einer Kugel dazu benutzt, um die Meßelemente zu schwach gedämpften Schwingungen anzuregen, die an einem am vorhande-
^ -nen Ableitanschluß des zu prüfenden Meßwertaufnehmers angeschlossenen
SpeicherOszillographen ausgezählt werden. Diese bekannte Methode hat den entscheidenden Nachteil,, daß durch
die mechanische Stoßanregung nur eine gedämpfte Schwingung in einer Eigenfrequenz der jeweiligen Heßelemente angeregt
werden kann und damit eine umfassende Aussage über das Schwingungsverhalten des Ließwertaufnehmers nicht möglich ist.
Weitere bekannte Prüfeinrichtungen zur Bestimmung der
Schwingungseigenschaften von piezoelektrischen Meßwertaufnehmern
funktionieren auf ähnliche Weise über eine Anregung der piezoelektrischen Meßelemente durch Stoßwellen - beispielsweise
erzeugt durch ein Stoßwellenrohr - oder durch pneumatisch oder hydraulisch erzeugte Drucksprünge, wobei
in diesen Pällen ebenfalls das über den piezoelektrischen
Effekt erhaltene Antwortsignal ausgewertet wird. Diese Methoden
bzw. Prüfeinrichtungen werden heute hauptsächlich für instationäre Messungen, wie etwa in e'er Baixistik, herangezogen,
ergeber jedoch aufgrund der begrenzten Anregungsmöglichkeiten kein vollständiges Bild der Schwingungseigenschaften
der geprüften Ließ wert aufnehmer.
»Veiters sind Meßanordnungen bekannt, die über elektrodynamische Schwingsysteme sinusförmige Schwingamplituden erzeugen,
wobei die auf den zu prüfenden Meßwertaufnehmer beispielsweise
auf einen sogenannten Rütteltisch übertragenen Schwingungen über ein Meß- und Regelsystem auf konstante
Werte eingeregelt werden. Diese Prüfung wird hauptsächlich zur Vermessung von Accelerometern mit niedriger Eigenfrequenz
herangezogen, da mit den elektrodynamischen Schwingsystemen nur ein kleiner Frequenzbereich bis einige kHz
überstrichen v/erden kann und auch sehr aufwendige ließaoparaturen
erforderlich sind. Schließlich ist es auch bekannt, die piezoelektrischen Heizelemente eines Meßwertaufnehmers
über den inversen piezoelektrischen Effekt zu mechanischen Schwingungen anzuregen und diese Schwingungen sodann über
einen in der Prüfeinrichtung außerhalb des zu prüfenden Meßwertaufnehmers angeordneten Kondensator, dessen eine
Elektrode unmittelbar mit den zu den Schwingungen angeregten ^eßelementen in Verbindung steht, auszuwerten. Bei
piezoelektrischen Druckaufnehmern, deren Meßelemente unmittelbar
mit einer vom zu messenden Druck beaufschlagbaren
Membrane in Verbindung stehen, wird dabei üblicherweise diese Membrane unmittelbar als eine Elektrode des Auswertekondensators
verwendet. Eine ähnliche bekannte Prüf einriciitung
basiert darauf, da.? die piezoelektrischen Ließelemente des L"efv:ertaufnehmers direkt über die elektrostatische Anziehunr,
die zwischen einer äußeren Elektrode und der Ilem-
-" bran des Lleßv/ertaufnehmers bei Anlegen einer elektrischen
Spannung entsteht, zu Schwingungen angeregt werden. Da diese
elektrostatischen Anziehungskräfte extrem klein sind ergeben sich auch sehr kleine auszuwertende piezoelektrische
Signale, weshalb diese iiethode nur für ileßwertaufnehmer
mit einer hohen Kraft- bzw. Druckempfindlichkeit zur Prüfung
ausreichend ist. Abgesehen davon haben die beiden zuletzt
genannten bekannten Methoden bzw. Einrichtungen den gravierenden Nachteil, daß die zu prüfenden Meßwertaufnehmer
in eine sehr stabile Apparatur eingespannt werden müssen, damit eine planparallele Justierung der zusätzlichen äußeren
Elektrode mit großer Genauigkeit möglich ist. Der Heßwertaufnehmer selbst bzw. seine Membrane muß weiters hochpräzise poliert werden um das Anlegen der erforderlichen
hohen Gleich- bzw. Wechselspannungen zu ermöglichen. Allen der genannten Einrichtungen gemeinsam ist der
Nachteil, daß der Meßwertaufnehmer zum Zwecke der Prüfung seiner Schwingungseigenschaften nicht in-der Anordnung belassen
werden kann, in welcher er üblicherweise im normalen IJeCbetrieb eingesetzt ist. Damit ist es nicht möglich die
Auswirkungen der bei jeder Meßaufgabe in unterschiedlichem !,laße auftretenden Umgebungseinflüsse auf den Heßwertaufnehmer
zu berücksichtigen, welche z. B. darin bestehen können, daß der Meßwertaufnehmer bzw. sein Gehäuse im etwa
in eine Indizierbohrung in der Y/and eines Druckraumes eingeschraubten Zustand wechselnden mechanischen oder thermischen
Belastungen unterworfen ist, welche sich in ungünstigen Fällen auch unmittelbar beispielsweise auf die Vorspannung
der Meßelemente selbst oder auf andere die Schwingungseigenschaften
beeinflussende Größen auswirken können. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Prüfeinrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern,
daß es möglich ist,ausschließlich über die beim jeAveiligen Meßwert aufnehmer für die Ladungsableitung im
normalen Meßbetrieb vorgesehenen Ableitanschlüsse die Schwingungseigensciiaften des Ließwertaufnehmers zu prüfen,
auch wenn dieser am Orte seiner normalen Verwendung zur Aufnahme
von I'ieF-werten angeordnet ist.
Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß dac
MeSsystem eine Subtraktionseinheit umfaßt, an deren einem
.Eingang das Anregungssirnal des Wechselspannungsgenerators
liegt und deren anderer Eingang mit dem Ableitanschluß des Meßwertaufnehmers verbindbar ist, und daß weiters eine Auswerteeinrichtung
vorgesehen ist, welche mit dem Ausgang der
Subtraktionseinheit verbunden ist und das als Differenz aus dem Antwortsignal des Meßwertaufnehmers und einem dem
Anregungssignal proportionalen Signal gewonnene Meßsignal
anzeigt bzw, "-eiterverarbeitet. Die über den an den normalen
Ableitansehlüssen des Meßwertaufnehmers angeschlossenen Y/echselspannungsgenerator erregten mechanischen Schwingungen
im lüeßelement führen ihrerseits über den normalen piezoelektrischen Effekt zu einem Antwortsignal? welches
allerdings noch mit Teilen des Anregungssignals vermischt ist. Über die Subtraktionseinheit ist es nun möglich, den
vom Anregungssignal stammenden Anteil des Antwortsignals
von diesem abzuziehen, wodurch unmittelbar das die Schwingungseigenschaften
des geprüften Meßwertaufnehmers kennzeichnende Meßsignal als Wechselspannungssignal mit gleicher
Frequenz wie das Anregungssignal des Wechselspamiungsgenerators
erhalten wird. Die angeschlossene Auswerteeinrichtunr
kann nun beispielsweise dazu dienen, dieses Meßsignal über in der Elektronik übliche Gleichrichtungsschaltungen
in ein amplitudenproportionales ^leichspannungssignal umzusetzen
und etwa zusätzlich auch die Phasenlage dieses lleßsignals
in Bezug auf das Anregungssignal über Phasenmeßschaltungen zu bestimmen. Diese das Meßsignal in eindeutiger
Weise bestimmenden Werte können sodann beispielsweise analog oder digital angezeigt, auf einem Schreiber a.usgeschrieben,
oder in einem Speicher zur 7/eiterverarbeitung abgespeichert werden. Mit der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung
ist es also auch möglich einen beispielsweise in eine Indizierbohrung einer Druckraumbegrenzung eingesetzten
lie ß-.vertauf nehmer lediglich durch Verbinden von dessen
vorhandenen Ableitansehlüssen mit dem elektrischen Lüeßsystem
im Bezug auf seine Schwingungseigenschaften zu untersuchen. Damit sind sämtliche im Horrr-aleinsatz des Ileßv/ertaufr.ehmers
dessen Punktion und insbesondere Schwingungseigensehaften
beeinflussenden Umgebungseinflüsne bei
der Bestimmung der Schwingungseigenschaften mit der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung direkt mitberücicsiclitigbar,
was eine sehr praxisnahe Prüfung erlaubt.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß
das Meßsystem zusätzlich einen eigenen Spannungsteiler "beinhaltet,
daß der Meßwertaufnehmer im angeschlossenen Zustand einen Teil dieses Spannungsteilers bildet und daß
das Antwortsignal des Meßwertaufnehmers "bei Anregung über den Wechselspannungsgeneratar an dem anderen "bzw. einem der
anderen Teile des Spannungsteilers abgenommen wird. Über diesen Spannungsteiler können die phasendrehenden Glieder
des Meii systems, wie Kabelkapazitäten, Eingangskapazitäten der Subtraktionseinheit, Streukapazitäten im Meßwertaufnehmer
sowie die Kapazität der Meßelemente selbst kompensiert werden. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn
gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung der Spannungsteiler ein einstellbares Glied aufweist, über welches auch
die unterschiedlichen Eigenschaften von verschiedenen Meßwertaufnehmern
bzw. Meßwertaufnahmesystemen berücksichtigt werden können.
Bei einer Prüfeinrichtung, bei v/elcher eine Ableitelektrode
des zu prüfenden Ileßwertaufnehmers an der Gehäusemasse liegt, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, daß der zu prüfende Meßwertaufnehmer im erdseitigen Teil des einseitig geerdeten Spannungsteilernetzwerkes
liegt. Durch den vorzugsweise mit phasendrehenden Widerständen oder einer Kombination von phasendrehenden
und ohmschen Widerständen versehenen Spannungsteiler ist also in diesem Falle eine Impedanzschaltung gebildet. Der
zu prüfende Meßwertaufnehmer kann bei dieser Impedanzschaltung in jede geerdete Prüfeinrichtung ohne weitere Vorkehrungen
eingebaut werden. Dies ist besonders vorteilhaft für piezoelektrische Meßwertaufnehmer mit einem Ladungsaufnahmekontakt,
bei dem eine Elektrode des Heßelementes
mit dem Gehäuse des Meßwertaufnehmers leitend verbunden ist.
Soferne der zu prüfende Meßwertaufnehmer einen zweipoligen
Ableitanschluß aufweist ist die Prüfeinrichtung in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung so aufgebaut, äa.B
der Meßwertaufnehmer im spannungsseitigen Teil des einseitig geerdeten Spannungsteilers liegt, wodurch eine sogenannte
Admittanzschaltung gebildet ist, bei welcher die Kabelkapazitäten einen kapazitiven Widerstand gegen die Erde bil-
den und den Widerstand des erdseitigen Teiles zuzurechnen sind, sodaß nur die Kapazitäten und Innenwiderstände
des Meßwertaufnehmers zu der elektrischen Rückwirkung "beitragen.
Da die Kabelkapazitäten bei kurzen Meßkabeln in der Größenordnung der Kapazität des Meßwertaufnehmers liegen,
bildet der Innenwiderstand und die Kapazität des Einganges der Subtraktionseinheit gegen Erde die Beschränkung der
Meßempfindlichkeit. Da beispielsweise bei Feldeffekttransistoren
die Eingangswiderstände in der Größenordnung von 10 Ohm und die Eingangskapazitäten bei 30 ρ Ρ liegen,
können damit sehr empfindliche Prüfeinrichtungen auch für
extrem kleine piezoelektrische Meßelemente bzw. Meßwertaufnehmer gebaut werden.
Es besteht jedoch auch bei Meßwertaufnehmern mit nur
einem Ladungsabnalimekontakt die Möglichkeit sie in einer
derartigen Admittanzschaltung zu prüfen. Zu diesem Zweck
wird das Anregungssignal des Wechselspannungsgenerators
an das Gehäuse des Meßwertaüfnehmers angelegt und das Antwortsignal
am Ladungsabnahmekontakt abgenommen, wobei jedoch ein Kompensationswiderstand angeschlossen sein muß.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Subtraktionseinheit einen Differenzverstärker oder
einen Operationsverstärker mit Differenzverstärkereingang beinhaltet. Am Ausgang dieses Verstärkers wird unmittelbar
die elektrische Rückwirkung des piezoelektrischen Meßelementes als Wechselspannungssignal mit gleicher Frequenz wie
das Anregungssignal erhalten, soferne die noch vorhandenen Teile des Anregungssignals sauber vom Antwortsignal getrennt
sind, wozu insbesonders eine sehr gute Gleichtaktunterdrückung dieses Verstärkers beiträgt.
Im Lleßsystem ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ein weiterer abgleichbarer Spannungsteiler vorgesehen, der mit der Subtraktionseinheit verbunden ist und eine
Subtraktionsspannung liefert, mit welcher die aufgrund der
Parallelwiderstände des zu prüfenden Meßwertaufnehmers bzw. des Anschlußkabels auftretende elektrische Rückwirkung des
Anregungssignals kompensiert ist. Das eigentliche ließsignal,
also die elektrische Rückwirkung des Meßwertaufnehmers nuß
aus dem Antwortsignal derart rekonstruiert werden, daß diejenigen Anteile des Anregungssignals, die durch Par. aUelwiderstände
im Meßwertaufnehmer oder im Zuleitungska-"bel
auftreten, vom Antwortsignal wieder abgezogen werden. Diese Parallelwider stände können "bei Frequenzen des Anregungssignals,
die keine Resonanzen des Meßwertaufnehmers bzw. Meßwertaufnahmesystems anregen ausgemessen und der Anteil
des Anregungssignals im Antwortsignal auf diese Weise rechnerisch ermittelt werden. Ein Feinabgleich dieser
Parallelwiderstände kann beispielsweise auch durch Einstellung der Phasenlage des Antwortsignals auf Hull oder auf
kleine negative Werte bzw. durch einen Abgleich dieses weiteren Spannungsteilers auf die Symmetrie einer Resonanzkurve
im Antwortsignal erfolgen. Weiters kann beispielsweise auch der Verlauf der Phase des Meßsignals wenn der weitere
Spannungsteiler nicht richtig abgestimmt ist als Meßgröße ausgewertet werden. .
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen,
daß der die Subtraktionsspannung liefernde weitere Spannungsteiler grob auf eine jeweils zu prüfende Serie von
gleichartigen Meßwertaufnehmern abgleichbar ist, daß sowohl
das Anregungssignal als auch das Antwortsignal mittels eines Analog-Digital-Konverters digitalisiert werden und
daß die Pein-Kompensation der Rückwirkung des Anregungssignals über digitale Signalverarbeitung erfolgt. Durch die
damit zumindest teilweise erfolgende analoge Subtraktion der abzuziehenden Teile des Anregungssignals ist ein Grobabgleich
der Prüfeinrichtung auf die Art der jeweils zu prüfenden Ließwert auf nehmer möglich, wodurch die Verwendung
von Analog-Digital-Konvertern mit geringer Bitauflösung für den Peinab?leich möglich ist. Dieser Peinabglei'ch kann sodann
über digitale Signalverarbeitung erfolgen.
Die Subtraktionseinheit kann in "Weiterbildung der Erfindung
auch von einer Heßbrückenschaltung gebildet sein, wobei der zu prüfende Meßwertaufnehmer in einen Zweig
dieser ließbrückenschaltung und ein gleichartiger iJeßwertaufnehaer
in einen anderen Zweig so einschaltbar sind, daß sich die elektrische Rückwirkung des Anregungssignals korn-
pensiert, wobei weiters die Umgebungsbedingungen des zu
prüfenden Meßwertaufnehmers zur Simulierung von verschiedenen Anwendungsbedingungen veränderbar aina. Diese Anordnung
erincc"1 iclit es auf sehr einfache Weise das Schwingungsverhalten
eines zu prüfenden Meßwertaufnehmers in Abhängigkeit von wechselnden äußeren Einflüssen wie beispielsweise
Druck oder Temperatur oder dgl., zu bestimmen. Da sich die Umgebungsbedingungen für den zweiten, gleichartigen
Meßwertaufnehmer in der'Meßbrückenschaltung nicht
ändern,wird das erhaltene Meßsignal tatsächlich für die Änderung der Schwingungseigenschaften aufgrund der jeweils
geänderten Umgebungsbedingungen für den zu prüfenden Meßwertaufnehmer signifikant sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, dai? der für die Messung mit dem zu prüfenden .:ießwertaufnehmer im normalen Ließbetrieb üblicherweise
vorhandene Ladungsverstärker unmittelbar auch einen Teil der Subtraktionseinheit bildet. Damit ist ein wesentlicher
Teil der normalen Meßeinrichtung bzw. Ließ schaltung auch
gleichzeitig als Bestandteil der Prüfeinrichtung für den Meßwertauf nehiaer verwendet, was einerseits die zusätzlichen
Kosten für eine derartige Prüfeinrichtung senkt und andererseits die laufende Überwachung der Schwingungseigenschaften des lie ßwert aufnehme rs auch im normalen Meß-
betrieb sehr erleichtert. Durch einen in der Schaltungsanordnung angeordneten Umschalter kann beispielsweise eine
unmittelbare Umschaltung der Punktion des Verstärkers und damit Unschal tung vom Ließbetrieb auf den Prüf betrieb durchgeführt
werden.
Besonders vorteilhaft ist es weiters, wenn das i.le3-system
in unmittelbarer ITahe des zu prüfenden 1.IeTwertaufnehmer
ε angeordnet, vorzugsweise direkt in diesen integriert ir.t, da damit die negativen Auswirkungen längerer
Anschlußkabel auf die IJeßgencuigkeit entfallen.
Schließlich ist gemäß der Erfindung auch noch vorgesehen,
daß das Ließ sy st em einen Mikroprozessor oder liikrokomputer
zur Steuerung des Prüfvorganges und/oder zur Signalverarbeitung umfaßt, was die gesamte Prüfprozedur
- 12 - _-_■ - ■
vereinfacht. :
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Pig. 1 zeigt die Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Prüfeinrichtung für einen Meßwertaufnehmer mit zweipoliger Ableitung in Admittanzschaltung,
Pig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform gemäß der
Erfindung für einen Meßwertaufnehmer mit ein
poliger Ableitung in Impedanzschaltung, Pig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der
Erfindung mit einer Meßbrückenschaltung, Pig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Prüfeinrichtung
mit einem Synchrongleichrichter und
Pig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel nach der
Erfindung mit einem Ladungsverstärker. Die Prüfeinrichtung^nach Pig. t zeigt einen zu prüfenden
Meßwertaufnehmer mit zwei Ladungsabnahmekontakten 1,
2, wobei das piezoelektrische Meßelement 3 gegenüber dem Gehäuse 4 des Meßwertaufnehmers elektrisch isoliert eingebaut
ist. Diese Prüfeinrichtung beinhaltet einen durchstimmbaren Prequenzgenerator 5 mit geringem Klirrfaktor,
einen phasendurchstimmbaren Spannungsteiler 6 und einen V^. 25 Differenzverstärker 7, welcher hochohmige Eingänge und
eine sehr gute Gleichtaktunterdrückung aufweist. Am Ausgang des Differenzverstärkers 7 ist weiters ein Wechselspannungsmeßgerät
8 zur Anzeige des Meßsignals angeschlossen. Der Widerstand 9 dient zur Kompensation des Eingangsstromes
und bildet mit dem Eingangswiderstand des nichtinvertierenden Einganges des Spannungsteilers mit dem
piezoelektrischen Sensor einen Spannungsteiler an dem das Antwortsignal des Sensors abgenommen wird. Die Kompensation
des Anteiles des Anregungssignales vom Antwortsignal
wird durch die Subtraktionseinheit 1.0. vorgenommen, wobei am Spannungsteiler 6 der Subtraktiohswert der Anregungsspannung eingestellt und im Differenzverstärker 7 die
Subtraktion vorgenommen wird. Die eigentliche Subtraktions-
einheit ist strichpunktiert eingezeichnet und mit 10 "bezeichnet.
Pig. 2 zeigt eine Prüfeinrichtung füi einen Meßwertaufnehmer
mit nur einem eigenen Ladungsabnahmekontakt 11,
wobei die andere Elektrode des piezoelektrischen Meßelementes 13 mit dem Gehäuse 14 des Meßwertaufnehmers elektrisch
leitend verbunden ist. Das Antwortsignal des Meßwertaufnehmers wird am Anschlußpunkt 12 des Meßwertaufnehmers
an den Meßwiderstand 19 abgenommen und mit Hilfe des Differenzverstärkers 17 wird vom Antwortsignal ein
Teil des Anregungssignals, der am Spannungsteiler 16 einstellbar
ist, subtrahiert. Am Ausgang des Differenzverstärkers 17 kann das lleßsignal mit Hilfe eines Wechselspannungsvoltmeters
18 angezeigt oder aber einem Schreiber
20 zugeführt werden. Die Subtraktionseinheit ist wiederum strichpunktiert eingezeichnet und hier mit 10' bezeichnet.
In Fig. 3 ist eine Prüfeinrichtung mit einer Admittanzschaltung
für einen mit zwei eigenen Ladungsabnähmekontakten
21, 22 versehenen Ließwertaufnehmer dargestellt.
Weiters ist ein aus den einigt ellbaren Widerständen 27, 28,
29 bestehender Spannungsteiler und ein weiterer Referenz-Spannungsteiler
26 vorgesehen. Die Widerstände 27 und 29 dienen dabei zur Kompensation ohmscher Verluste in den
Leitungen und im Meßwertaufnehmer selbst sowie des EingangswiderStandes
und zur Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung des Operationsverstärkers, der einstellbare
Kondensator 28 dient zum Abgleichen der Kapazität des Meßwertaufnehmers und der Kabelkapazitäten. Der Operationsverstärker
30 ermittelt die elektrische Rückwirkung des LieSwertaufnehmers durch Subtraktion eines Teiles des Anregungssignals,
welcher am Spannungsteiler 26 abgenommen wird, vom Antwortsignal des I.Ießwertaufnehmers. Für Meßwertaufnehmer
mit nur einem eigenen Ladungsabnahmekontakt müßte das Anregungssignal des Wechselspannungsgenerators
an das Gehäuse 24 des Lüeßwertaufnehmers und der Ladungsabnahmekontakt
an die Widerstände 27, 28, 29 und an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30
angelegt werden. Die Subtraktionseinheit ist auch hier
wiederum strichpunktiert umgrenzt und mit 10" "bezeichnet.
Am Ausgang der Subtraktionseinheit 10" ist wiederum ein Wechselspannungsmeßgerät 31 zur Anzeige der Amplitudenhöhe
des Meßsignals angeschlossen.
Pig. 4 zeigt eine Prüfeinrichtung mit einem steuerbaren Wechselapannun£sgenerator 35 sowie einem über eine
Kapazitätsdiode 33 abstimmbaren Spannungsteiler 36, über welchen die Phasendrehung des vom Antwort-Signal des zu
prüfenden Meßwertaufnehners 32 abzuziehenden Subtraktionssignals
durch einen Mikroprozessor 42 über einen Analog-Digital-Konverter■43
eingestellt werden kann. Das Meßsignal wird über den phasendrehenden Widerstand 39» der mit
dem Ladungsabnahmekontakt des Meßwertaufnehmers 32 verbunden ist, gewonnen. Durch die Subtraktion des Antwortsignales
des Meßwertaufnehmers vom .Anregungssignal- mit Hilfe der
Subtraktionseinheit 10"', die den Operationsverstärker 44 beinhaltet, erhält man unmittelbar die elektrische- Rückwirkung
des Meßwertaufnehmers als Wechselspannungssignal. In der angeschlossenen Synchrongleichrichterschaltung erfolgt
durch die Multiplizierer 37 eine phasenstarre Gleichrichtung des Meßsignals, die durch einen integrierenden Tiefpaß 38
von den hochfrequenten Multiplikationspro'dukten abgetrennt . wird. Durch eine um 90 verschobene Synohrongl ei einrichtung
wird der Vektoranteil des phasenverschobenen Signals der \_ 25 elektrischen Rückwirkung erhalten. Über einen Multiplexer
40 und den Analog-Digital-Wandler 41 werden die Amplitudenvektoren in den Mikroprozessor 42 eingelesen. Sie können
sodann in Amplitude und Phase umgerechnet werden und sind weiters über die Schnittstelle 45 abrufbar. Verwendet man
den Operationsverstärker 44 gleichzeitig auch als Ladungsverstärker
so können die Meßwerte des !.Ie-I: v/er tauf nehme rs
über eine Fourier-Transformation im Mikroprozessor 42 korrigiert
werden. Die eigentliche Subtraktionseinheit ist auch hier wiederum strichpunktiert umrandet und mit 10"'
bezeichnet.
In Fi^. 5 ist eine Prüfeinrichtung dargestellt, mit
welcher alternativ die Schv/in^ungceigenschaften des Meßwertaufnehmers
51 bestimmt v/erden können oder unmittelbar
Messungen mit dem ließwertaufnehmer 51 durchführbar sind.
Der 7/echselspannungsgenerator 55 liefert das Anregungssignal, das über eine Schaltebene 5^ a au. einen phaseneinstellbaren
Spannungsteiler 52 angelegt wird. Das Antwortsignal
des zu prüfenden Heßwertaufnehmers 51 wird über einen Operationsverstärker 54 verstärkt und durch einen
weiteren Operationsverstärker 56 wird die elektrische
Rückwirkung des l'eßwertauf nehmers, also das eigentliche
üeirsignal, durch Subtraktion eines entsprechenden Teiles
des Anregungssignalε ermittelt. Dieses Meßsignal wird über
einen Präzisionsgleichrichter 58 gleichgerichtet und über ein Anzeigeinstrument 58" angezeigt. Weiters wird mit Hilfe
eines Schreibers 60, an dessen einem Eingang eine frequenzproportionale Spannung des V/echselspannungsgenerators
55 liegt, eine frequenzcharakteristik des geprüften •:ieiv;ert auf nehme rs ausgeschrieben. Durch Umschalten des die-Schaltebenen
53 a, 53 b und 53 c aufweisenden Schalters wird der Operationsverstärker 54 zu einem Ladungsverstärker,
dessen Ausgangssignal in einem intern oder extern getriggerten
CCD-Speicher 59 zwischengespeichert und über den Schreiber 60 ausgeschrieben werden kann. Die eigentliche
Subtraktionseinheit ist hier mit 10"" bezeichnet.
1981 12 15
Claims (12)
1. Prüfeinrichtung zur Bestimmung der Schwingungseigenschaften von Meßwertaufnehmern bzw. Meßwertauf nähme systemen mit
piezoelektrischen Meßelementen, mit einem am vorhandenen Ableitanschluß des zu prüfenden Meßwertaufnehmers anschließbaren
Wechselspannungsgenerator zur Erregung mechanischer Schwingungen des Meßelementes über den inversen
piezoelektrischen Effekt, und einem Meßsystem zur Messung und Auswertung dieser Schwingungen, dadurch gekennzeichnet
, daß das Lüeßsystem eine Subtraktionseinheit umfaßt, an deren einem Eingang das Anregungssignal des Wechselspannungsgenerators liegt und deren anderer
Eingang mit dem Ableitanschluß des lie ßwertauf nehmers
verbindbar ist, und da£ weiters eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, welche mit dem Ausgang der Subtraktionseinheit
verbunden ist und das als Differenz aus dem Antwortsignal des Heßwertaufnehmers und einem dem Anregungssignal proportionalen Signal gewonnene Meßsignal anzeigt
bzw. weiterverarbeitet.
2. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ueßsystem zusätzlich einen eigenen Spannungsteiler
beinhaltet, daß der Meßwertaufnehmer im angeschlossenen Zustand einen Teil dieses Spannungsteilers bildet
und daß das Antwortsignal des Ileßwertaufnehmers bei Anregung
über den Wechselspannungsgenerator an dem anderen bzw. einen der anderen Teile des Spannungsteilers abgenommen
wird.
3. Prüfeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler ein einstellbares Glied aufweist.
4. Prüfeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Ableitelektrode
des zu prüfenden Keßwertaufnehmers an der Gehäusemasse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der. zu
prüfende ließwert auf nehmer im erdseitigen Teil des einseitig
geerdeten Spannungsteilernetzwerkes liegt.
5. Prüfeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der zu prüfende Lleßwertaufnehmer einen zweipoligen Ableitanschluß
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert aufnehmer im spannungsseitigen Teil des einseitig
geerdeten Spannungsteilers lie^t.
6. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Subtraktionseinheit einen Differenzverstärker oder einen Operationsverstärker mit
Differenzverstärkereingang beinhaltet.
7. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß im ließ syst em ein weiterer abgleichbarer
Spannungsteiler vorgesehen ist, der mit der Subtraktionseinheit verbunden ist und eine Subtraktionsspannung liefert, mit welcher die aufgrund der Parallelwiderstände
des zu prüfenden KeI?wertaufnehmers bzw. des
Anschlußkabels auftretende elektrische Rückwirkung des Anregungssignals kompensiert ist.
8. Prüfeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der die Subtraktionsspannung liefernde weitere
Spannungsteiler grob auf eine jeweils zu prüfende Serie von gleichartigen Me ,"wer tauf nehmern abgleichbar ist, daß
sowohl das Anregungssignal als auch das Antwortsignal
mittels eines Analog-Digital-Konverters digitalisiert werden und daß die Pein-Kornpensation der Rückwirkung
des Anregungssignals über digitale Signalverarbeitung erfolgt.
9. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Subtraktionseinheit von einer Ilei'.brückehschaltung
gebildet ist, daß der zu prüfende Heßwertaufnehmer
in einen Zweig dieser Ließbrückenschaltung und ein gleichartiger
ilevwertaufnehmer in einen anderen Zweig so einschaltbar
sind, daß sich die elektrische Rückwirkung des Anregungssignals kompensiert, und daC die Umgebunr-obedinguri£en
des zu prüfenden UeiBwertaufnetmers sur Simulierung
von verschiedenen Anvendungsbedinrungen veränderbar
sind.
"··""- 3200382
10. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der für die Messung mit dem zu prüfenden Meßvjertauf nehmer im normalen MeC-betrieb
übIr ^hcrv/eise vorhandene Ladungsverstärker unmittelbar
auch einen Teil der Subtraktionseinheit bildet.
11. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dal? das Meßsystem in unmittelbarer
Nähe des zu prüfenden Meßwertaufnehmers angeordnet, vorzugsweise direkt in diesen integriert ist.
12. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das Meßsystem einen Mikroprozessor oder Mikrocomputer zur Steuerung des Prüfvorgan-
£es und/oder zur Signalverarbeitung umfaßt.
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