DE3733345A1 - Einrichtung zur bestimmung der schwingungsparameter eines bandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Schwingungsparameter eines longitudinal schwingenden Bandes, das durch einen piezoelektrischen Schwinger angeregt und dessen Schwingungen empfangen und ausgewertet werden.

Im Rahmen von Forschungsarbeiten (BMFT-FB-T84-228 (10/84)) sind Untersuchungen vorgenommen worden, inwieweit sich die Eigenfrequenzen eines longitudinal schwingenden Bandes ändern, wenn dessen träge Masse variiert. Bei der hierfür verwendeten Untersuchungsanordnung bestanden Sender und Empfänger aus piezoelektrischen Schwingern, die in einem bestimmten Abstand gegenüberliegend angeordnet waren. Das Band zwischen den Schwingern wurde von Spannzangen gehalten, die jeweils mit einer scheibenförmigen Verdickung zwischen piezoelektrischen Schwingern eingespannt worden waren. Die Schwingungen des Senders übertragen sich über das Band und die zweite Zange auf den gegenüberliegenden piezoelektrischen Schwinger, der als Empfänger arbeitet, und erzeugen dort ein Signal. Bei dieser Versuchsanordnung wurde die Frequenz des Senders so gesteuert, daß eine Phasenverschiebung von 90° zwischen der angeregten und empfangenden Wechsel­ wirkung bestand, so daß sich eine stehende Welle mit Knoten in den Eingangsspannungen bildete. Die Untersuchungen hatten ergeben, daß beispielsweise eine Erhöhung der Masse im mittigen Bereich des Bandes zu einer Abnahme der Amplitude führt und daß diese Amplitudenänderung als Meßwert herangezogen werden könnte. Es zeigte sich aber auch, daß ebenso die Frequenz beeinflußt wird und daß auch diese Frequenzänderung eine Meßgröße darstellen könnte.

Diese vorgeschlagene "Kammer-Stößel-Konstruktion" weist jedoch erhebliche Nachteile auf. So muß z. B. die Kraft, die mittels PIEZO auf den Stößel einwirkt, als Gegenkraft von der umschließenden Kammer (vordere/hintere Druckplatte) aufgebracht werden. Der Gleichlauf der PIEZO (Umsetzung elektrischer Energie/mechanische Energie) ist nicht gewähr­ leistet. Es tritt somit der Fall ein, daß nicht - wie im Idealfall angenommen - der Stößel, sondern das Gesamtsystem Kammer - Stößel - PIEZO schwingt, d. h. nur ein Teil der mechanisch erzeugten Energie wird letztendlich in das Band eingekoppelt bzw. empfängerseitig als Bandsignal detektiert. Dies führt dazu, daß Bänder mit hoher Materialdämpfung oder großer Länge kein verwertbares Signal mehr abgeben können.

Das komplexe System weist aufgrund seiner mechanischen Konstruktion eine Vielzahl von "Feder-Masse"-Kopplungen auf, bei der jede einzelne eine (unerwünschte) mechanische Resonanz hervorruft. Durch äußere Abmessungen und Material­ konstanten bedingt, liegen diese Resonanzstellen alle im vorge­ sehenen Nutzfrequenzbereich der Messungen. Um aber eine eindeutige Meßauswertung vornehmen zu können, darf unterhalb der obersten Meßfrequenz keine sende- oder empfängerseitige Eigenresonanz auftreten. Das bekannte System zeigt diese Nebenresonanzerscheinung ab 7 KHz, d. h. die Bandlänge (Glasfaser) ist auf ca. 12 cm beschränkt.

Eine praktische Ausführungsform des Gerätes mit geänderten Maßen (Vergrößerung der Stößel, Kammer, PIEZO) zeigt Resonanzen über den gesamten Frequenzbereich (1 KHz bis 40 KHz), so daß ein ordnungsgemäßes Messen nicht gewährleistbar ist. Die Resonanzfrequenzen (Nebenresonanzen) oder "Feder-Masse"- Kopplungen sind nicht frequenzstabil. Sie sind in großem Maße äußeren Einflüssen unterworfen, wie z. B. Anzugsmomente der Spannschrauben, Umgebungstemperatur, mechanische Stoßbe­ lastung und Transport etc. Ein "Abgleich" dieser Systeme gestaltet sich äußerst schwierig, da eine gegenseitige Beeinflussung stattfindet. Die Auswirkung durch die Veränderung eines der Parameter kann deshalb nur durch Beobachtung des Gesamtfrequenzspektrums, z. B. Fourier-Analyse beurteilt werden, was aber in den seltensten Fällen möglich ist. Die Praxistauglichkeit (speziell beim Kraftwerkeinsatz in rauher Umgebung) ist aus obigen Gründen ebenfalls nicht gegeben.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nunmehr darin, die e. g. Einrichtung derart auszugestalten, daß unter optimaler Ausnutzung der Schwingungsenergie und Verbesserung des Signal/Rausch-Abstandes die Erzeugung amplituden­ konstanter Longitudinalschwingungen über ein weites Frequenzband, die mechanische Übertragung auf ein schwingendes Band und die sichere Detektion der mittels Band übertragenen Longitudinalschwingungen zur Ermittlung stehender Wellen zur Auswertung der Bandparameter ermöglicht wird.

Die Lösung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der anregende und/oder empfangende Schwinger ein Sandwich- Schwinger mit metallischen Endmassen ist.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung an.

Zwar sind piezokeramische Hochleistungswandler bekannt ("Technologie und Anwendungen von Ferroelektrika", VAG Leipzig 1976, Seiten 360 ff), jedoch dienen diese der Erzeugung der akustischen Ausgangsleistungen von Ultraschallwandlern, die z. B. für Reinigungszwecke (im Wasser als Voraussetzung) oder für Unterwasser-Signalübertragung verwendet werden (S. 360, 2. Abs., Zeilen 4 und 5). Ihre Verwendung als Über­ tragungselemente von Kraft auf mechanisch mit ihnen zu koppelnde Bänder oder dgl., z. B. unter Umgebungsbedingungen oder in Rauchgaskaminen, ist weder erwähnt noch nahegelegt worden.

Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Lösungsvor­ schlags bestehen darin, daß Störresonanzen im Arbeitsfre­ quenzbereich vermieden werden und damit eine eindeutige Zuordnung von Signal-Bandparameter gelingt, wodurch sich der elektronische und mechanische Aufwand gegenüber den bisherigen Einrichtungen erheblich vermindert. Weiterhin findet eine Erhöhung des Nutzfrequenzspektrums und damit eine Erhöhung der Empfindlichkeit (Δ f/ Δ m; m=Masse) sowie eine Verschiebung der Arbeitsfrequenz aus dem Audio-Bereich statt. Durch Wegfall jeglicher Abgleich-Arbeiten und Aus­ schluß störender Umwelteinflüsse wird die Praxistauglichkeit selbst in rauher Umgebung gewährleistbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt hierbei den schematischen elektromechanischen Aufbau der Einrichtung,

Fig. 2 und 3 einen Sender/Empfänger,

Fig. 4 die Seitenansicht und

Fig. 5 die Vorderansicht der Ankopplung eines Bandes am Sender/Empfänger.

In Fig. 1 ist das Band 1 zwischen dem Sender 2 und dem Empfänger 3 eingespannt. Eine sinusförmige Wechselspannung verändert die Dicke der Piezo-Dickenschwinger 13, 14 im Sender 2. Die Endmassen 15, 16 erfahren eine Beschleunigung in Hauptschwingungsrichtung 20, d. h. es entsteht eine Longitudinalschwingung. Das Band 1, an die Stirnfläche 22 (siehe Fig. 4) von Endmasse 16 gekoppelt, überträgt diese Schwingung. Gegenüberliegend, d. h. am Empfänger 3, wandeln entsprechenden Piezo-Dickenschwinger 13, 14, die mechanische Anregung, die im Band 1 auf die Endmasse 16 übertragen wird, in elektrische Ladung um.

Dieses Signal 4 wird im Verstärker 10 verstärkt, einem Phasendiskriminator 11 zugeführt und dort mit dem (Sender-) Referenzsignal 8, abgeschwächt und durch den Widerstand 9, verglichen. Resonanzbedingung liegt u. a. vor, wenn diese beiden Signale 4, 8 um 90° phasenverschoben sind.

Der Phasendiskriminator 11 liefert eine, dem Phasenwinkel 90° proport. Gleichspannung, die einem VCO (voltage controled oscilator 5) zugeführt, diesen in kleinen Grenzen ändert, d. h. die Frequenz solange ändert, bis der Ausgang des Diskriminators 11 Null Volt bzw. der Phasenwinkel 90° beträgt.

Die Grobeinstellung der Frequenz f erfolgt über eine 2. Steuerleitung des VCO 5. Ein D/A-Converter 26 gesteuert von einem Rechner 27, erzeugt eine Sägezahnspannung, die vom VCO 5 in ein Frequenzband umgewandelt wird. Der Arbeitsbereich wird somit gesweept 28, die Resonanzfrequenz wird gesucht. Nach Erreichen der gewünschten Phasenbedingungen wird der Sweep 28 abgeschaltet, die Frequenzregelung tritt in Kraft. Ein Leistungsverstärker 6 verstärkt die vom VCO 5 gelieferte Wechselspannung U. Diese wird - hochtransformiert in 7 - dem Sender 2 zugeführt.

Die Bestimmung der Bandparameter erfolgt nach der Formel

f₀ = Resonanzfrequenz
l = Länge des Bandes
E = Elastizitätsmodul des Bandes
ρ = Dichte des Bandes

Aufgrund des noch zu erläuternden einfachen Aufbaus von Sender 2/Empfänger 3 ist eine einzige Systemfrequenz (z. B. 41 KHz) erhältlich. Alle Resonanzfrequenzen, die kleiner als diese Systemfrequenz sind, entsprechen Signalfrequenzen, die eindeutig Bandparametern des Bandes 1 zugeordnet werden können. Das System wird hierdurch auch im Hinblick auf Temperaturänderungen vorherbestimmbar.

In Fig. 2 und 3 ist ein Sender 2 bzw. Empfänger 3 darge­ stellt. Es handelt sich um einen Hochleistungswandler an sich bekannter Bauart. Es besteht aus zwei piezoelektrischen Keramikelementen 13 und 14 zwischen zwei Endmassen 15 und 16 aus Metall. Zwischen den Piezo-Dickenschwingern 13, 14, die entgegengesetzt gepolt sind, befindet sich ein Potentialab­ griff 25 zur Spannungseinkopplung (Sender 2) bzw. Spannungs­ auskopplung (Empfänger 3). Alle Teile sind miteinander verklebt. Der Durchmesser der Elemente 13 und 14 muß größer als die Breite des anzukoppelnden Bandes 1 sein. Als Maße eignen sich bei 5 mm starken Keramikelementen beispielsweise 12 bzw. 22 mm Länge für die Endmasse 15 aus Messing und jeweils 5 mm für die Endmasse 16 aus Aluminium bei einem Durchmesser von 25 mm und einer Breite des Bandes 1 von 18 mm. Diese Kombinationen z. B. ergeben Systemfrequenzen von 41 bzw. 27 KHz.

Die mechanische Halterung von Sender 2 oder Empfänger 3 ergibt sich aus Fig. 3. Es handelt sich um eine Dreipunkt­ aufhängung mit den drei Gummihaltern 17 bis 19, mit denen der zylindrische Körper 2 bzw. 3 in seinem Schwerpunkt möglichst schwingungsfrei auf einer Grundplatte befestigt werden kann.

Die Kraftübertragung zur Erzeugung der longitudinalen Schwingung, die an der Endmasse 16 auftritt, auf das Band 1 muß linienförmig und rechtwinklig erfolgen. Außerdem muß die Kraft, mit der das Band 1 an die entsprechende Endmasse 16 gekoppelt wird, entsprechend den Bandeigenschaften einstellbar sein. Das gilt auch für die Vorspannung des Bandes 1. Ein wesentlicher Gesichtspunkt besteht noch darin, daß das Band 1 - zumindest diskontinuierlich - ersetzt, d. h. zwischen Sender 2 und Empfänger 3 weitertransportiert werden muß.

Als eine mögliche Lösung ist daher vorgesehen, das Band 1 sowohl am Sender 2 als auch am Empfänger 3 federelastisch zu haltern. Hierzu dient gemäß Fig. 4 und 5 eine Walze 21, die in einer in der Vorderfläche (Stirnfläche 22) der trägen Masse 16 eingefrästen Nut 23 unter Zwischenlage bzw. Anpressung des Bandes 1 zur Anlage kommt. Als Anpresselemente für die Walze 21 können Federn 24 oder dgl. benutzt werden. Das Band 1 selbst wird praktisch parallel zur Stirnfläche 22 an die Walze 21 herangeführt, dort in der Nut 23 um 90° umge­ lenkt, um dann die Stirnfläche 22 im rechten Winkel (also senkrecht) in der Hauptschwingungsrichtung 20 des Senders 2 zu verlassen bzw. am Empfänger 3 angekoppelt zu werden. Hierdurch entsteht eine optimale Ein-/Auskopplung der Energie vom Sender 2 auf das Band 1 bzw. vom Band 1 auf den Empfänger 3.

Claims (5)

1. Einrichtung zur Bestimmung der Schwingungsparameter eines longitudinal schwingenden Bandes, das durch einen piezoelektrischen Schwinger angeregt und dessen Schwingungen empfangen und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der anregende und/oder empfangende Schwinger (2, 3) ein Sandwich-Schwinger (13, 14) mit metallischen Endmassen (15, 16) ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sandwich-Schwinger (13, 14) piezokeramische Hoch­ leistungswandler sind und das Band (1) an der Stirnfläche (22) jeweils einer der metallischen Endmassen (16) befestigt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (1) an die Endmasse (16) derart gekoppelt ist, daß die auf das Band (1) zu übertragende Kraft in Haupt-Schwingungsrichtung (20) wirkt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung der Kraft in das Band (1) linien­ haft und rechtwinklig erfolgt und daß die Kraftübertragung und/oder die Vorspannung des Bandes (1) variierbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandankopplung mittels einer federbelastbaren Walzen-Nut-Kombination (21-23) erfolgt, wobei die Nut (23) in der Stirnfläche (22) der Endmasse (16) angeordnet ist.