DE4240739A1 - Schwingungsauskopplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft (im allgemeinen) einen induktiven Längen- und Bewegungssensor, insbesondere geeignet zur dynamischen Aufnahme von kleinsten Längenhüben, wie sie bei der Schwingung von Saiten, Stäben und Flächen auftreten, ist jedoch auch bestens geeignet zur absoluten Längenmessung einer statisch auftretenden Längenverschiebung.

In vorzugsweiser Weiterbildung benutzt die Erfindung das bekannte Prinzip der induktiven Verstimmung einer Oszillatorspule durch Annäherung eines durch das elektromagnetische Feld der Spule beeinflußten Kernstückes, wobei die Oszillatorspule zusammen mit einer Resonanzkapazität, insbesondere Parallelresonanzkapazität (Cp), die Oszillatorfrequenz bestimmt, und die Oszillatorfrequenz sich abhängig vom jeweiligen Abstand des Kernstückes zur Spule ändert. Neben sämtlichen weiteren Varianten, die nach dem Stand der Technik bekannt sind, ist eine Verschiebung des Kernes (K, K1, K2) in axialer Eintauchrichtung der Spule besonders bevorzugt. Bevorzugte Weiterbildung der Erfindung betrifft die Verwendung einer Luftspule, die einen großen Innendurchmesser zum berührungsfreien Eintauchen eines Kernes mit wesentlich kleinerem Durchmesser aufweisen darf.

Bei der Abstimmung von Frequenz des Spulenstromes und Materialwahl des Kernes ist als erfindungsgemäße Bemessungsgrundlage darauf geachtet, daß die Frequenz im gewählten Kernmaterial eine Verlustdämpfung des Spulenstromkreises bewirkt.

Je nach gewählter Frequenz des Spulenstromes kann dies ein HF- Material sein, oder auch nur ein einfacher Eisen- oder Stahlkern, z. Bsp. eine Schraube.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Meßempfindlichkeit zu erhöhen und gleichzeitig den Bauteilaufwand zu reduzieren.

Die Erfindung betrifft im besonderen ein Verfahren, welches es beispielsweise ermöglicht mit einer einfachen Luftspule, die beispielsweise einen Außendurchmesser von 20 mm, einen Innendurchmesser von 17 mm und eine Höhe von 10 mm aufweist und beim Eintauchen einer einfachen Schraube mit dem Durchmesser von nur 2 mm bis 3 mm über die gesamte Verschiebelänge des Kernes von z. Bsp. 12 mm, gerade noch eine Frequenzverstimmung von etwa 3% ergibt, eine Auflösung von 1 Mikrometer (und sogar noch geringer) zu erhalten. Dies entspricht einer Auflösung von 0.003 · 0.001/1.2=2.5 ppm, wobei die Grenzfrequenz der jeweils gemessenen Längenverschiebung je nach Anwendung im Bereich von nur einer Periode, oder zumindest nur weniger Perioden der Oszillatorfrequenz liegt, und Oszillatorfrequenzen von 20 kHz bis 200 kHz problemlos verwendet werden können (für Extremapplikationen sogar über den MHZ-Bereich hinaus).

Die elektronischen Bauelemente sind auf ein Minimum reduziert, die Kosten der zu verwendeten Schaltung bewegen sich je nach Stückzahl und Anwendungserfordernissen zwischen $1 bis $3.

Die angegebenen Werte betreffen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, es sind im Prinzip alle beliebigen Oszillatorfrequenzen, Spulenabmessungen und Kernausführungen für jeden geforderten Anwendungszweck machbar.

Gelöst wurde die obige technische Aufgabe durch bemessungs- und verfahrenstechnische Maßnahmen (Anspruch 1, Anspruch 9), zum Erhalt einer extrem hohen Auflösung:

1. Die Schwingfrequenz des Resonanzoszillators (in Weiterbildung Parallelresonanzoszillators) ist in Relation zum Material sowie der Abmessungen des sich an die Resonanzkreisspule annähernden Kernes (z. Bsp. eintauchenden Kernes) so gewählt, daß die in der Resonanzkreisspule auftretende Schwingung durch die Verluste des Kernes derart bedämpft ist, daß die Schwingung durch die Kernannäherung zusammenbricht, wenn die Güte des Resonanzkreises von außen nicht gesondert beinfußt ist,

2. Die Güte, bzw. der Verlust des Parallelresonanzkreises ist über Stellglied durch stetige Einstellung oder ledigliche Zweipunktregelung, derart beeinflußt, daß die Verschlechterung der Güte des Resonanzkreises, welche durch die Annäherung des Kernes bedingt ist, über Regelvorgang kompensierbar ist,

3. Es ist eine Regelschaltung vorgesehen, die das Absinken sowie Ansteigen der Schwingamplitude des Resonanzkreisoszillators unmittelbar oder über eine entsprechende Dedektorschaltung (stetig oder Zweipunkt) als gemessener IST-WERT dedektiert und mittels Stellglied die Schwingkreisgüte des Oszillators der Amplitudenänderung der in der Resonanzkreisspule auftretenden Schwingung entgegenwirkend beeinflußt.

Die Wirkungsweise für bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung veranschaulicht Fig. 1a:

MP ist der (heiße) Anschlußmeßpunkt des Parallelschwingkreises, bestehend aus Luftspule LM und Parallelschwingkreiskapazität Cp, mit Ankoppelungsinduktivität Ck. Für eine Schwingfrequenz von etwa 50 kHz ist für die eingangs gemachten Abmessungsangaben der Luftspule LM die Parallelkreiskapazität auf beispielsweise 20 nF bemessen. Am Anschlußmeßpunkt MP des Parallelschwingkreises kann die Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens unmittelbar nachgewiesen werden. Als Oszillatorschaltung ist jede nach dem Stand der Technik ausgeführte Schwingkreisoszillatorschaltung geeignet. Weiters ist evident, daß anstelle des aus Einfachheitsgründen verwendeten Parallelkreisoszillators auch ein Serienresonanzoszillator oder auch Bandfilter gekoppelter Oszillator, etc., als Verfahrensmittel geeignet wären.

Vom Standardoszillator (OSZ) wird die Oszillatorspannung (us) an eine Bewertung (BW) abgegeben. Diese Bewertung stellt die Amplitudenschwankungen der Oszillatorschwingung, welche durch die Verluste des in die Oszillatorspule eintauchenden Kernes bedingt sind, fest, um ein diesen Schwankungen entsprechendes IST-WERT Signal (A) an die Regelschaltung MP abzugeben. Diese Regelschaltung ist dann in der Lage über eine Stellgröße der Abweichung der gemessenen Amplitudenschwankung (A) entgegenzuwirken.

Für dieses Regelverfahren sind neben weiteren Ausführungsmöglichkeiten folgende fünf Alternativen besonders bevorzugt:

Alternative 1: besonders geeignet für dynamische Schwingungsauskopplung, wenn die Regelschaltung MP beispielsweise anstelle eines Mikroprozessors durch eine Analogschaltung ersetzt werden soll: Hiebei ist die von der Oszillatorschwingung abgegriffene Amplitude (A), als die Amplitudenschwankung gegenphasig ausgleichende Stellgröße dem Stellglied für die Güteregelung des Parallelschwingkreises zugeführt, wobei die Stellgröße dann dem Wert der ausgekoppelten Schwingung des an die Spule des im Feld der Luftspule schwingenden Kernes entspricht; Alternative 2: besonders geeignet für dynamische Schwingungsauskopplung, wenn die Regelschaltung MP eine digitale Steuerschaltung in Form einer Hardwareschaltung oder eines Mikroprozessors, oder State-Machine-Sequenzers (intelligentes Schrittschaltwerk), etc., ausgeführt ist. Fig. 1b veranschaulicht die vom Mikroprozessor ausgeführte Verfahrenssteuerung: Hierbei ist die Regelschleife zum Ausführen bevorzugter Nachregelung der Schwingkreisgüte entgegenwirkend zur Amplitudenänderung (verursacht durch die Kernbedämpfung) der Schwingkreisspule, in zwei in alternierender Folge für jeden Schleifendurchlauf jeweils sich abwechselnde Programmteile aufgeteilt:

Ein Programmteil betrifft die Regelung der Stellgrößenausgabe zur Herstellung der Bedämpfungsgröße BD, die in vorzugsweiser Ausbildung so bemessen ist, daß die Oszillatorschwingung an der Aussetzgrenze gehalten ist, wobei je nach Wahl des Oszillatortyps und gewünschter Ansprechempfindlichkeit für die Längenmessung, bzw. Schwingungsabtastung, dies bis zum tatsächlichen Aussetzen der Oszillatorschwingung jeweils erfolgen kann (Kehrschwingungsabtastung erfolgt nur in eine Vorzugsrichtung), oder nur annähernd mit einem verbleibenden Sicherheitsabstand bis zum tatsächlichen Aussetzen der Schwingung. Dieser Sicherheitsabstand dient dann als verbleibendes Meßintervall zur Abtastung der Kernschwingung in positiver und in negativer Richtung, wobei und diese Näherungsgrenze während des Regelns auch ständig durch Lernen während der Regelung aktualisiert sein kann.

Der weitere Programmteil betrifft während der Konstanthaltung der Bedämpfungsgröße BD des Schwingkreises (bzw. Stellgröße von MP) das Registrieren der Amplitudenänderung A (durch BW), wobei dann diese Amplitudenänderung einem gesamplten Abtastwert der Kernschwingung für jeden Durchlauf der Regelschleife ergibt.

Alternative 3: betrifft ein Beispiel für eine temperaturstabile statische Auskopplung des Abtandes zwischen Kern und Spule, z. Bsp. zur Anwendung an Präzisionsendschaltern. Hierbei ist durch ein Lernverfahren das Regelverfahren in einem Klimaschrank als Funktion der Temperatur bei unveränderlich gehaltenem Abstand zwischen Spule und Kern durchgeführt, wobei der Amplitudenwert der abgegebenen Schwingung (A) konstant gehalten ist und die hierfür sich jeweils einstellenden Stellgrößenregelwerte des Mikroprozessors, bzw. -controllers, als über einen Temperatursensor im späteren Betrieb jederzeit abrufbare Werte angespeichert sind, wodurch der Sensor außerhalb des Klimaschrankes zu jedem Temperaturrasterwert die erforderliche Stellgröße abrufen kann. Für diese Variante ist z. Bsp. die Spule samt Oszillator in einem Kompaktmodul verpackt (z. Bsp. geschirmt gekapselt) und Thermostat geregelt geheizt und der Temperatursensor für die Adressierung der Funktionswertetabelle (betrifft zugehörigen Bedämpfungsstellgrößen BD) im Kernstück untergebracht.

Alternative 4: betrifft die Einfachstanwendung als Endschalter, wobei lediglich das durch die Kernverluste verursachte Aussetzen der Oszillatorschwingung als Schaltkriterium verwendet ist.

Alternative 5: Betrifft die Möglichkeit, daß durch Wahl der Bedämpfungsstellgröße BD, der Bereich für die Feinauflösung im Prinzip in jedes Längenincrement eines Großauflösungsrasters gelegt werden kann, wobei die Grobauflösung beispielsweise durch Auswerten der Oszillatorfrequenz (linearisiert durch Tabelle) erfolgt. Weiters ist durch beschriebenes Regelverfahren auch eine Nachlaufsteuerung des Kernes möglich, wobei die Oszillatoramplitude dann stets auf die Aussetzgrenze der Schwingung geregelt ist und die Bedämpfungsstellgröße der ausgekoppelte Längenwert ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele für den Amplitudenbewerter der Oszillatorschwingung:

Für die ledigliche Endschalterfunktion ist es beispielsweise ausreichend mit der Oszillatorschwingung einen tetriggerbaren monostabilen Multivibrator anzustoßen, dessen Zeitdauer so bemessen ist, daß er die Periodendauer der Schwingung gerade noch sicher überbrückt. Durch beschriebene Beinflussung der Kreisgüte kann die Endschalterfunktion dann elektronisch justiert werden, dito Nachkalibrierung des Temperaturganges, wodurch durch diese optionalen Erweiterungen aus der Endschalterfunktion ein Präzisonskalibrierungsschalter wird.

Für einfache Zweipunktbewertung ist der Bewerter (BW) beispielsweise als Fensterkomparatorschaltung ausgeführt, die ein Signal bei definierter Amplitudenhöhe der Oszillatorschwingung abgibt. Für eine stetige Bewertung ist neben der Möglichkeit der Verwendung eines A/D-Umsetzers von der kostengünstigen Möglichkeit einer Schwellspannungsabtastung Gebrauch gemacht, bei der die Amplitudenschwankungen als Änderung des Tastverhältnisses eines durch Schwellwertabtastung aus der Oszillatorschwingung gebildeten Rechtecksignales, auftreten, bedingt durch gleichbleibenden Abtastschwellwert an der Verstärkerspeisung des Schwellwerteinganges für die Einspeisung in einen Oszillatorschwingungsverstärker sowie gleichbleibenden Gleichspannungsanteil der Oszillatorschwingung bei sich änderndem Wechselspannungsanteil.

Bei dieser Variante kann dann auch das optionale Sychronisationssignal (SYNC) entfallen, welches der Mikroprozessorschaltung die phasengerechte Ausgabe der Bedämpfungs-Stellgröße anzeigt, da bevorzugtes Rechtecksignal phasengerecht zur Oszillatorschwingung auftritt und daher zusätzlich zur Abweichungsanzeige der Schwingungsamplitude entsprechend einer Tastverhältnisauswertung auch die Phasenlage der Oszillatorschwingung in dem Signal (A), welches dem Mikroprozessor zugeführt ist, enthalten ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele für das Bedämpfungsstellglied der Oszillatorschwingung:

Für die Verwendung einer Parallelschwingkreisoszillatorschaltung nach Fig. 1a ist die Parallelschaltung eines einfachen Widerstandes für die Güteregelung des Schwingkreises bevorzugt, wobei 2 Alternativen bevorzugt sind:

Alternative 1: Das Stellglied ist ein durch die Stellgröße des Regelkreises binär einstellbares Widerstandsnetzwerk, welches den Bedämpfungswiderstand bildet.

Alternative 2: Das Stellglied ist ein über elektronischen Schalter (HS) zugeschalteter Festwiderstand, wobei wobei die effektive Güteeinstellung sich durch die Einschaltzeit des Festwiderstandes über die Dauer der Oszillatorschwingung ergibt, angesteuert vom Mikrocontroller, welcher dieses Schaltsignal als Stellgröße der Bedämpfung BD ausgibt.

Um diesen Vorgang für jede Periode des Oszillators identisch zu gestalten, also abrupte Sprünge zu vermeiden, erfolgt die Anschaltung des Widerstandes in jeweils definierter Phasenlage synchron zur Oszillatorschwingung (vgl. Synchronsignal SYNC).

Eine weitere Option ist eine zusätzliche Kaskadenumschaltung des Festwiderstandes zum Erzielen eines großen Durchstimmbereiches. Diese Kaskadenumschaltung wählt dann über die Intensität der Beinflussung der Oszillatorschwingungsamplitude durch die Bedämpfungsstellgröße, den jeweiligen Arbeitsbereich des Stellgliedes, bzw. Kaskadenwiderstand aus. Die Kaskadenumschaltung erfolgt dann ebenfalls über Halbleiterschalter für jeden in jeweiliger Parallelschaltung zuschaltbaren Widerstandswert, wobei diese Halbleiterschaltung für die Pulsdauermodulation der Stellgröße entsprechend ausgewählter Widerstandswerte angesteuert sind.

Warnung

Um die Wirkungsweise der Erfindung nachzuweisen bedarf es lediglich der induktiven Auskopplung durch eine Spule oder auch Drahtschleife, welche an Stelle des Kernes an die Meßinduktivität LM anzunähern ist, wobei über diese Spule dann der Verlusteffekt, den ansonsten der eingetauchte Kern verursacht, durch transformatorische Kopplung simuliert ist. Die abgegriffene Meßspannung an der Simulationsspule zusammen mit der eingekoppelten Bedämpfung, welche den Kern nachbildet, gibt dann darüber Aufschluß, ob das Meßergebnis, durch definierte Bedämpfung des Meßspulenstromes erzeugt ist, wenn ja, dann liegt ein Verstoß gegen Anspruch 1 vor.

Weitere Varianten sind anstelle eines Oszillators, die Spulenbedämpfung mit einer Brückenschaltung zu messen. Diese Lösung ist zwar wesentlich aufwendiger, stellt jedoch ebenfalls eine Umgehung der Erfindung dar, da die Erfindung unabhängig der verwendeten Schaltung ist. Dies betrifft vor allem auch die Wahl des Anschaltpunktes für die Güteregelung, bzw. Spulenbedämpfung. Als weitere Variante kann beispielsweise die Bedämpfung der Spule auch transformatorisch eingekoppelt werden. Ebenfalls unabhängig von der tatsächlichen Schaltung ist das Prinzip zur Bedämpfungsregelung der Oszillatorschwingung, die je nach verwendetem Oszillatortyp auch an anderer Stelle des Oszillators, welche auf die Meßspule rückwirkt, z. Bsp. über die Versorgungsspannung, etc., vorgenommen sein kann.

Ausführungsbeispiele (Applikationen) der Erfindung werden i.F. erläutert:

Applikation Nr. 01
betrifft einen Anschlagsindikator für Musikinstrumente zur Anzeige, daß ein TON angeschlagen worden ist, z. Bsp. zur Anwendung an einem Spielführer nach PCT/EP 90/02317. Gezeigt ist die Anwendung an einem Glockenspiel oder Xylophon, vgl. dazu Fig. 2.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Tonzungenauflage eine sich längs der Tonreihe erstreckende Schwingplatte SP. Die beiden Längsrandseiten der Schwingplatte sind dann mit dem üblichen Filz oder Kunststoffgummistreifen (1a, 1b) für die Tonzungenauflage versehen. In Fig. 2b ist das Instrument mit abgehobenen Tonzungen der Länge nach aufgeschnitten (Schnitt A-B aus Fig. 2c) dargestellt.

In bevorzugter Ausführung weist die Schwingplatte in Richtung der fortlaufenden Töne vorgesehene Öffnungen auf, die für die hohen Töne groß und für die tieferen Töne kleiner gehalten sind, wodurch für die tieferen Töne eine Resonanzbodenwirkung erzielt ist. In der Mitte der Längsmittellinie ist über einen Befestigungsklotz (10) eine senkrecht nach unten weisende Schraube als Kern (K) vorgesehen, die in die am Instrumentenboden über einen Distanzklotz (9) befestigte Abtastspule (LM) eintaucht, wobei die Oszillatorschaltung der Abtastspule unmittelbar über der Spule angeordnet ist, um kurze Leitungsführung der Spulenanschlüsse an die Resonanzkapazität (Cp) zu ermöglichen. Die betreffende Leiterplatte weist zu diesem Zweck ein Loch für die berührungsfreie Durchführung der Schraube, welche den Spulenkern bildet, auf. Weiters ist die Leiterplatte als längs der Mittellinie in Richtung der fortlaufenden Töne ausgerichteten Längsstreifen ausgebildet mit den Anzeige-LEDs (Leuchtdioden) für jede Tonzunge, welche durch ein in der Mitte einer Tonzunge jeweils vorhandenes Loch berührungsfrei durchgeführt ist. Bevorzugt ist die Kernschraube so angeordnet, das das axial durch die Kernschraube verlaufende senkrechte Lot durch die Mittellinie des zwischen zwei benachbarten Tonzungen verbleibenden Abstandes verläuft (vgl. dazu Fig. 2b). Weiters ist evident, daß über die an der Schwingplatte seitlich angebrachte Tonzungenauflage in erster Linie die Attackphase beim Anschlagen der Tonzungen auf die Kernschraube (K) übertragen wird.

Es ist evident, daß bei richtiger Einstellung der Ansprechschwelle bevorzugten Schwingungsdetektors jeglicher Schalleinfluß von außen auf den Detektor keinen Einfluß hat. Um den Einfluß von Vibrationen möglichst auszuschalten ist die Schwingplatte ihrer Länge nach vorgespannt. Dies erfolgt durch feste Einspannung auf einer Seite (z. Bsp. links, 4a) und verschieblicher Einspannung (Spannklotz 2 mit Einspannstelle 4b) auf der anderen (z. Bsp. rechten) Seite, welche durch eine Spannschraube (7a) gegenüber betreffender Stirnseitenwand 13 angezogen werden kann.

Weitere Option zum Abstimmen des Vibrationseinflusses ist durch Lernen die Umgebungsvibration (z. Bsp. mit Fuß am Boden stampfen festzustellen) und als Ansprechschwellwert des Detektors in den Microcontroller der Auswertung einzuspeichern.

Weiters bedeuten:
BR. . .mögliche senkrechte Abteilwand um einen Baßraum für die tieferen Töne zu erzeugen,
5, 13 . . . Stirnseitenwände des Instrumentes
ZSP . . . Justerspiel für die längsgerichtete Anspannung der Schwingplatte,
SWA . . . Schwingspiel der Schwingplatte zum berührungsfreien Schwingen über genannter Leiterplatte (LP mit LEDs LED und Oszillatorschaltung und Steuerschaltung des Spielführers).
12 . . . in Fig. 2c sind die in geringem Abstand von der Schwingwand anzubringenden Seitenwände des Instrumentes, wodurch eine Form üblicher Bauart mit Resonanzboden realisiert werden kann.

Fig. 3b zeigt eine Draufsicht des Instrumentes bei abgehobenen Tonzungen. Besonders bevorzugt ist eine sehr wirksame jedoch nicht gebräuchliche Ausbildung des Auflagerandes für die Tonzungen (1a, 1b), welche an den Längsrändern der Schwingplatte jeweils aufgeklebt ist und in
Fig. 3c im Detail dargestellt ist:

Bevorzugt ist ein Luftkissenstreifen (1a, 1b) verwendet, wie es z. Bsp. aus der Verpackungsindustrie in üblicher Ausführung als luftgefülltes Noppenpolster (NP) kostengünstig bezogen werden kann. Auf diesen Noppen liegen die Tonzungen mit ihren kurzen Seitenrändern auf, wobei zwischen jeder Tonzunge eine Noppe als Abstandshalter verwendet sein kann, dito kann noch eine äußere Noppenreihe die Tonzungen an der Schmalseite verschiebungssicher auch in Längsrichtung abschließen.

Fig. 3a zeigt eine weitere Anwendung, bei der anstelle der Tonzungen z. Bsp. nur eine Holzplatte oder auch beidseitig mit Papier beschichtete feinkörnige Styroporplatte verwendet werden kann, deren beidseitige Einspannung z. Bsp. über Heftklammern oder Stifte am Holz (4a), bzw. Schiebeklotz der Spannschraube 7 (2 mit 4b) vorgenommen ist. Diese derart ausgebildete Schwingplatte (SP) ist dann an der Oberseite mit Tonzungen bedruckt, Tonzungen und Tonzungenauflage (1a, 1b) können also entfallen. Als weitere Option können natürlich zusätzlich auch Tonzungen verwendet sein. In beiden Fällen erfolgt die Ortung eines angeschlagenen Tones über die ausgelöste Schwingung in der Schwingplatte, wobei die Fortpflanzungsgeschwindigkeit zu den Einspannrändern der Schwingplatte (4a, 4b) von der Zuspannung, welche mit der Spannschraube 7 optional eingestellt werden kann abhängig ist. Beidseits der Einspannstellen (4a und 4b) sind bevorzugte Schwingungsaufnehmer mit bevorzugten Kernen (z. Bsp. Schrauben oder Stifte) vorgesehen, wobei die Zeitdifferenz der Schwingungsausbreitung ein Maß für die Längenbestimmung wo der Aufschlag genau erfolgte ist, also eine geräuschlose Tondekodierung vorgenommen werden kann. Die ansonst üblichen harten Kugeln der Spielstäbe (100) sind dann z. Bsp. aus Filz gefertigt, dessen Aufschlag kein Geräusch erzeugt. Zusätzlich zur Tondekodierung über Laufzeitmessung zwischen den beiden Sensorsignalen (LM1 und LM2) kann dann auch noch eine Auswertung der Aufschlagsintensität und weiters auch noch eines gegebenenfalls anstehenden Aufschlagdruckes, so wie er z. Bsp. in der MIDI-Signalinformation für eine Variation des Tastendruckes vorgesehen ist, mitausgewertet werden, wodurch sämtliche Spielvarianten dedektierbar sind: ob nun staccato oder legato oder sämtliche Lautstärkenvariationen, sogar Spezialeffekte können durch die Andrucksbestimmung einem über Interface angeschalteten elektronischen Synthesizer übermittelt werden.

Für die Laufzeitmessung ist dann nach Auftreten eines Signals jeweils eine Zeitabfrage vorgenommen, ob das zweite Signal auch eintrifft, wenn nicht, dann wird davon ausgegangen, daß beide Sensorsignale gleichzeitig eintreffen, der Aufschlagpunkt also in der Mitte der Schwingfläche liegt. Weiters ist das Erkennen der beiden Signale, welches zeitlich dem anderen voreilend ist und welches nacheilend, in Abhängigkeit der zwischen den gespielten Tönen jeweils auftretenden Pausen vorgenommen, mit entsprechend automatischer Umschaltung der Torsignale entsprechend ihrer zeitlichen Reihenfolge. Vgl. dazu P 41 39 863.7, welche mit darin genannte weiteren Referenzanmeldungen mit dem gleichen Prinzip, jedoch für Mikrofonabtastung anstelle direkter Auskopplung der Materialschwingung einer Schwingplatte.

Applikation Nr. 02:
betrifft einen kombinierten Schwingungserzeuger/Sensor, wie er in Fig. 5 als Ausführungsvariante herausgestellt ist. Vgl. dazu auch PCT/EP 90/02317, wobei bedingt durch die enorm hohe Auflösung des Sensors im Gegensatz zur Fadenvariante nach PCT/ EP 90/02317 eine Festkörperschwingungsaus-/Einkopplung ermöglicht ist, die als weiteres bevorzugte Merkmal für Schwingungsgeber und Schwingungssensor einen längs gemeinsamer axialer Mittellinie für die Schwingbewegung von Geber und Sensor schwingenden Kern (z. Bsp. in Stiftform 103) benutzen, wobei für die Auflagefläche an die Schwingfläche ein Andruckstift (102), bzw. Andruckspitze vorgesehen ist.

Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 verwendet als Schwingungsgeber einen für bevorzugte Schwingfrequenz verlustarmen Schalenkern VK (z. Bsp. HF-Material) mit durch dessen Magnetfeld ins Zentrum eingeschobenen ebenfalls verlustarmen Zylinderkern 35, der außerhalb des Wirkungsbereiches des Schalenkernfeldes in einen Stahlstift (103) eingepreßt ist, welcher durch bevorzugte Luftspule (LM) des Abtastsensors durchgeführt ist und in der Luftspule (mit Innendurchmeser Di) entsprechende Verlustdämpfung erzeugt. Weiters sind Abstandshülsen (104, 105, 106) zum Abstandhalten von Schalenkernspule und Luftspule sowie stirnseitiger Abdeckung vorgesehen, wobei diese Abstandshülsen zusammen mit Schalenkernspule und Luftspule in eine Rohrummantelung (107) eingepreßt sind. Abstandhülsen und Rohrummantelung sind aus elektrisch und magnetisch nicht leitendem Material, also verlustfrei. Die Außenummantelung kann dann z. Bsp. eine Stahlblechummantelung (108) sein.

Die Schalenkernspule (VK) weist ein Gleichstromfeld auf, welche zunächst die Stiftspitze (102) gegen eine Schwingplatte SP drückt, deren Schwingung einerseits sensibel abgetastet werden soll, andererseits über Regelkreis die Stahlspitze durch den Schalenkernschwingungsgeber so gesteuert werden soll, daß er die gemessene Schwingung möglichst kompensiert, also schwächt.

Anwendungen sind z. Bsp. Öl- oder Gasbrenner, deren Flamme auf eine Scheibe, bzw. Platte, konzentriert ist, die ein entsprechend unerwünschtes Geräusch erzeugt. Wird die Scheibe ähnlich einer Lautsprechermembran am Rand durchgehend oder auch nur punktweise (mit Zwischenräumen für Luft) eingespannt und greift der Stift im Zentrum der Scheibe an, dann kann das Brennergeräusch nahezu ausgeregelt werden. Die Stiftlänge kann bei auf der Scheibe aufliegender Spitze hierbei einen beliebig großen Abstand von der Scheibe aufweisen. Um auch feinste Schwingungen hysteresefrei abzutasten, ist das Prinzip bevorzugter Anschlagsdedektierung des gleichen Anmelders P 41 23 212.7 verwendet, wobei der Schwingungsgeber zunächst in eine definierte Schwingung versetzt ist, die außerhalb des Hörbereiches liegen kann. Hiebei wird der Stift über den verlustfreien Zylinderkern zusätzlich zu seinem Gleichspannungsanteil im Schalenkern vibrieren, während er durch den Gleichspannungsanteil an der Scheibe (auf der Rückseite, wobei Vorderseite beflammte Seite des Brenners) angepreßt bleibt. Durch die enorme Sensibilität des bevorzugten Schwingungssensors ist es erstmals möglich über die Sensorabtastung die Schwingungsamplitude so zu regeln, daß die Plattenschwingung der Stiftschwingung möglichst folgen kann, z. Bsp. auf einer höheren Oberwelle der Resonanzfrequenz der Platte, wobei durch entsprechende Zugspannung der Platte (z. Bsp. erzeugt durch Durchbiegen über eine zusätzliche Druckfederkraft (Fdr) des im Zentrum der Platte angreifenden Stiftes, welche auch den Gleichspannungsanteil des Schalenkernfeldes ersetzen kann, die Resonanzfrequenz möglichst nach oben gelegt werden kann.

Erfolgt nun durch das Brennergeräusch eine Modulation der Stiftschwingung, abgetastet durch den sensiblen Sensor, dann wird eine der gemessenen Modulation gegenphasige Stellgröße auf den Schalenkern-Schwingungsgeber gegeben, um das Brennergeräusch abzudämpfen. Für oben beschriebenes Schleifenbeispiel des Sensors, bestehend aus Nachregelung der Bedämpfung und Messung der Kernverschiebung ist dann noch die Ausgabe einer der jeweiligen differentiellen Kernverschiebungsänderung gemessenen Stellgröße an den Schwingungserzeuger vorgesehen, wobei die Zuordnung von Stellgrößenauffindung zur Abweichung in einem Lernverfahren während der Regelung ständig nachkalibriert werden kann, wodurch schnellste incrementale Stellgenauigkeit unabhängig von Andruckkraftschwankungen zwischen Platte und Andruckstift gegeben ist.

Fig. 5 zeigt das Einsetzen einer Keramikspitze 102 in ein Stahlrohr zur Temperaturentkoppelung und möglichst abnutzungsfreie Auflage.

Feststellen ob die Abtastspitze (102) der Geber/Sensorkombination tatsächlich von der Platte bei der Erzeugung der Erregerschwingung nicht abhebt erfolgt nach P 41 23 212.7, z. Bsp. insbesondere durch Messung der Phasenlage zwischen erzeugter Erregerschwingung des Schwingungsgebers und abgetastete Sensorschwingung, wobei die Erregerschwingung z. Bsp. durch das Selbstinduktionsprinzip ausgekoppelt werden kann, vgl. dazu PCT/EP 90/02317 des gleichen Anmelders.

Für diese Anwendung nach PCT/EP 90/02317 kann ebenfalls die bevorzugte Geber/Sensorkombination zur Anwendung gelangen, vgl. dazu Fig. 6, wobei anstelle der Fadenverbindung nach PCT/EP 90 /02317 die Stiftspitze (102) an der Tonzunge angepreßt mit einer Frequenz geringfügig schwingt, die zunächst außerhalb der Tonfrequenz der Tonzunge liegt, oder auch überhaupt nicht schwingt, also statisch an die Tonzungen von unten her angepreßt ist. Erst nachdem durch Anschlagen des Spielstabes (100) der Sensor (LM) diesen Vorgang dedektiert hat, wird die Tonzungenschwingung abgetastet, wobei nach Erkennen der Attackphase der Anpreßtstift der Tonzunge mit einer Oberwellenfrequenz betreffender Tonabstrahlungsfrequenz schwingt und vor allem während dieser Schwingung diese über die Oberwellenvervielfachung auf den Sensor überträgt und durch Regelung die Grundwellenschwingung der Tonzunge mit definiertem Oberwellenanteil versieht, was wiederum durch Einsatz digitaler Filtermittel gesteuert sein kann, um die Tonzunge Klang veredelt schwingen zu lassen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 4 mit in einem Stimmstock (30) eines Klavieres von der Stimmtsockand einen geringfügigen Abstand haltender schwingender Schallwand (32), welche über eine durch Stahlseil (34) gespannte Verbindung zum Erregerkern (35) beschriebenes Regelverfahren durchführt, wobei im Prinzip beliebig viele solche Schwingungsgeber/Sensorkombinationen über den Stimmstock verteilt zur Klangveredelung des Instrumentes vorgesehen sein können. Die Stimmwirbel (32) sind dann durch die schwingende Schallwand (SP) durchgeführt, was berührungsfrei erfolgen kann. (DVK. . .Loch auf Rückwand des Stimmstockes zum Einsetzen des Schwingungsgeberschlenkerns).

Wie das letzte Beispiel zeigt, kann anstelle der Stiftausführung auch eine Stahlseilausführung zum Einsatz kommen.

Applikation Nr. 03:
Betrifft eine Schreibauflage, wie sie in Anmeldung P 41 31 201.5 zur Anwendung kommt, wobei eine geriffelte Schreibauflage zur Schreibgeräuscherzeugung bevorzugt ist.

Hierbei kann wieder vom gleichen Prinzip ausgegangen werden, nur daß die Riffelfläche als Schwingfläche ausgebildet und um die Abtastung zu sensibilisieren in einen Spannrahmen eingespannt ist, so daß das Vibrationsgeräusch sich an die Einspannung überträgt, wobei anstelle der an den Ecken der Schreibauflage untergelegten Mikrofone bevorzugte Sensorausführung jeweils ein Mikrofon zur Vektorbestimmung ersetzt, wobei durch Abzählen Riffelimpulse wieder die Vektorlänge bestimmt ist (Sensorstifte drücken auf schwingende Riffelfläche von unten her an).

Applikation Nr. 04:
betrifft die Kompensation des Schreibgeräusches eines Laserbeschrifters, insbesondere bei der Schilderbeschriftung. Hierbei ist das zu beschriftende Schild durch einen Rahmen gehalten, wobei bevorzugter Stift das Schild von unten her andrückt.

Applikation Nr. 05:
betrifft die Geräuschunterbindung an Fensterscheiben unter Verwendung erläuterter Regelung, wobei neben üblichen eckigen Scheiben, runde Scheiben bevorzugt sind und bevorzugter Stift (102) im Zentrum eines Fensterkreuzes an den Mittelpunkt der kreisförmigen Fensterscheibe andrückt, wobei die Scheibe in einem eckigen Rahmen üblicher Bauart eingespannt sein kann oder z. Bsp. mehrere runde Scheiben wie Lautsprechersysteme in einer eckigen BOX im Fensterrahmen angeordnet sein können (Fig. 7) und bei Variante mit runden Fensterscheiben durch Überdecken einer weiteren Scheibe, mit zur ersten Scheibe entgegengesetzter Polarisation über die Verdrehung der weiteren Scheibe eine Lichtabdunklung bis zu 100% erzielt werden kann. Der Antrieb der Scheibe erfolgt dann z. Bsp. durch Lagerung der Scheibe in runden Gummirollen von denen eine oder mehrere die Rotation der Scheibe zwecks Verdrehung der Polaristionsrichtung zur Abdunklung vornimmt.

Zu Fig. 7:
KSY . . . Geber/Sensorkombination nach Fig. 5; dito Fig. 6 und Fig. 9.
FR. . .Fensterrahmen
999 . . . Befestigungsstege für KSY, jeweils im Zentrum einer jeden Scheibe (SB).
RL . . . in Füllung des Rahmens eingelassene optionale Dreh- und Halterollen für Rundscheibenverdrehung, wenn polarisierte Doppelglasscheibe (erste Scheibe gegenüber zweiter Scheibe verdreht durch Motor oder Handbetätigung z. Bsp. Griffdrehknopf im Zentrum). Auflagefläche der Schmalseite der Scheibe von RL nach innen gekrümmt, wodurch Scheibe hält.
FR . . . Füllung des Rahmens, bzw. Türfüllung.
SBC in Fig. 6 . . . Schwingungsbauchstelle, Abstrahlungs-/ Einkoppelungsstelle der Brennerscheibe, Tonzunge, Instrumentensaite (wobei dann anstelle Spitze 102 ein flaches Andruckende vorgesehen, Fensterscheibe, etc., je nach Anwendung.

Es ist evident, daß sich Variante nach Fig. 7 nicht nur für Fenster sondern vor allem für Glasinnentüren eignet bei denen sowohl die Schalldämmung, als auch die Durchsicht elektronisch geregelt eingestellt werden kann, so daß z. Bsp. in Chefräumen auf Knopfdruck das Nachbarzimmer mitgehört werden kann.

Applikation Nr. 06:
betrifft: Die Anwendung als elektronischer Schallschlucker in Belüftungsschächten, bestehend aus einer Sandwichreihe von Lochplatten, die in einem Abstand (888), der noch eine gute Durchlüftung des Schachtes zuläßt, z. Bsp. parallel untereinander oder auch in weiterer Alternative in Schrägstellungen untereinander, angeordnet sind und die neben weiterer Formgebungsmöglichkeit vorzugsweise als runde Scheiben, welche im Zentrum die erfindungsgemäße Schwingungsgeber/Sensorkombination aufweisen, ausgeführt sind, wobei die Löcher gerade so groß gemacht sind, daß einerseits genügend Luft durchgeht und andererseits der auf die Platten eingehende Schall vom im Zentrum der Platten sitzenden Sensor gut aufgenommen und vom Schwingungserzeuger gut eingekoppelt wird, wobei entsprechend der Formgebungsalternativen für das Lochmuster beliebig viele solche Schwingungserzeuger/Sensorkombinationen an jeweils optimierter Stelle auf der Plattenfläche weiterhin angeordnet sein können. Die schalldämmende Regelung wird dann durch Schallmessung an der Belüftungsöffnung derart optimiert, daß der durch die Löcher durchgehende Schall über die Schwingungseinkopplung der Platte wieder kompensiert ist, wobei die Löcher von jeweils untereinander liegenden Platten auch jeweils entsprechend optimiert versetzt sein können.

Sämtliche Platten sind dann in einem Einsatz verspannt, der in die Schachtwand eingemauert werden kann, erforderlichenfalls als Einschubgehäuse zum leichten Auswechseln der Platten. Weiters ist eine zentrale Regelung, bei der die Platten mit ihren Schallgebern-/Sensoren elektronisch in Verbund geschaltet sind optional.

Claims (13)

1. Verfahren für eine Schwingungsauskopplung mechanischer Schwingungen oder zur Messung statischer Längenverschiebungen, gekennzeichnet durch

• - eine elektromagnetische Wechselfeldspule als Meßmittel, die von einem Kern, der durch das elektromagnetische Feld der Spule induktiv beeinflußt ist, bedämpft ist,
• - Wahl einer Frequenz in der Feldspule so, daß sich durch den verwendeten Kern eine verlustbehaftete Bedämpfung des Spulenstromes ergibt,
• - wobei die Bedämpfung des Spulenstromes ein Maß für die statische und/oder dynamische Annäherung des Kerns an die Spule ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oszillatorschaltung verwendet ist, deren Resonanzfrequenz sich aus der Parallelresonanz von Wechselfeldspule und einer Kondensatorkapazität ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedämpfung der Spule durch den Kern durch ein Stellglied entgegenwirkend geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße, welche die Bedämpfung regelt, ein Maß für die statische und/oder dynamische Annäherung des Kerns an die Spule ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedämpfung der Oszillatoramplitude durch den Kern ein Maß für die statische und/oder dynamische Annäherung des Kerns an die Spule ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Bemessung:

• - die der Aussetzstelle der Oszillatoramplitude entsprechende Kernposition ist ein Maß für die statische und/oder dynamische Annäherung des Kerns an die Spule oder für den Bezugspunkt (Nullpunkt) einer jeweiligen dynamischen Messung, oder
• - eine unmittelbar vor der Aussetzstelle der Oszillatoramplitude liegende Kernposition ist ein Maß für die statische und/oder dynamische Annäherung des Kerns an die Spule oder für den Bezugspunkt (Nullpunkt) einer jeweiligen dynamischen Messung.

7. Verfahren nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelvorgang der Spulenstrombedämpfung für jeden Regelschritt in zwei Verfahrensschritte unterteilt ist:

• a) die festgestellte Änderung der Oszillatoramplitude bei konstant gehaltener elektrischer Bedämpfung wird gemessen;
• b) die festgestellte Änderung der Oszillatoramplitude wird mittels Regelung über elektrische Bedämpfung kompensiert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedämpfung durch Regelung so erfolgt, daß die Oszillatorschwingung gerade am Abreißpunkt der Schwingung zwischen Abreißen und Wiedereinsetzen der Schwingung gehalten wird, wobei dieser Regelvorgang eine Zeitkonstante hat, die unterhalb der entsprechenden Grenzfrequenz der abzutastenden Schwingung, bzw. Kernbewegung liegt.

9. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Oszillatorschwingung in eine Tastverhältnisänderung der Oszillatorschwingung bei der Umsetzung der Schwingung in eine Rechteckschwingung über Abtastverstärker vorgenommen ist, die von der Regelschaltung bewertet wird.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied ein zum Parallelresonanzkreis parallel geschalteter Widerstand verwendet ist, dessen Größe dem jeweils geregelten Bedämpfungswert entspricht.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand über einen elektronischen Schalter an den Parallelresonanzkreis angeschaltet ist, dessen Einschaltdauer dem jeweils geregelten Bedämpfungswert entspricht.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselfeldspule eine Luftspule ist.

14. Nachweisverfahren, daß ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) in die elektromagnetische Wechselfeldspule eine Induktionsschleife anstelle des Kernes eingeschoben wird, welche durch transformatorisch eingekoppelten ohmschen Belastungswiderstand den Kernverlust simuliert,
• b) bei Erhalt eines vom Sensor erkannten Meßergebnisses der ohmsche Widerstandswert, welcher anstelle des Kernes induktiv eingeschoben ist, moduliert wird, wobei wenn sich diese Modulation auf die Meßergebniserzeugung des Sensors auswirkt, das Verfahren gem. Anspruch 1 bis 8 vorliegt,
• c) insbesondere zur Induktionsschleife ein verlustarmes permeables Kernstück verwendet wird, welches durch Bewegung zum Kern zum Nachweis dient, daß die Genauigkeit des Sensors nicht über die Permeabilität des Kernes erzeugt wird.