SE532175C2 - Anordning för förbättrat svar vid mätning av vibrationsfrekvens hos ett vibrerande objekt - Google Patents

Description

20 25 30 35 532 'l75 SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Således är det ett ändamål med föreliggande uppfinning att åtgärda, undvika eller eliminera en eller flera av ovan angivna tillkortakommanden och nackdelar tagna var för sig eller i någon kombination.

I en aspekt tillhandahålls en anordning för att mäta en vibrationsfrekvens hos ett mekaniskt vibrerande föremål, innefattande en mikrovågssändare för att rikta mikrovågor mot det vibrerande föremålet, en mikrovågsmottagare för att mottaga nämnda mikrovågor modulerade med nämnda vibrationsfrekvens, varvid ett element är anordnat nära ett vibrationsmaximum för nämnda vibrerande föremål. Elementet kan vara rörligt så att avståndet till nämnda vibrerande föremål är inställbart. Mikrovågssändaren kan vara en kontinuerlig sändare.

I en utföringsforin är elementet arrangerat på en sida av det vibrerande föremålet och att mikrovågsmottagaren är anordnad på den andra sidan därav. Alternativt kan element vara omgivande nämnda vibrerande förmål på alla sidor.

I en ytterligare utföringsform kan det vibrerande föremål vara en spänd sträng eller en balk uppburen på en sida och fii på den andra sidan. Det vibrerande föremål eller elementet kan vara tillverkade av ett metalliskt material, som har en god elektrisk ledningsförmåga, såsom koppar, silver, stål eller en blandning av metaller. Alternativt är det vibrerande föremål eller elementet tillverkade av ett dielektriskt material, som har en ytbeläggning av ett ledande material, eller helt av ett dielektriskt material.

I en vidare utfiiringsforni finns det två vibrerande föremål anordnade med en vinkel i förhållande till varandra på en roterande axel, varvid en Doppler-effekt resulterar i ett spektrum av skenbara frekvenser, varvid den verkliga frekvensen är bestämd såsom medianfrekvensen mellan en högsta och en lägsta frekvens.

I en ytterligare aspekt tillhandahålls användning av anordningen för att mäta temperatur, tryck eller moment.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Ytterligare ändamål, särdrag och fördelar med uppfinningen kommer att framgå av nedanstående detaljerade beskrivning av utföringsfonner av uppfinningen under hänvisning till ritningarna.

F ig l är en schematisk vy av en första utföringsform av en vibrerande sträng exponerad för mikrovågor.

Fig 2 är en schematisk vy av en andra utföringsform liknande tig 1.

Fig 3 är en schematisk vy av en tredje utföringsform liknande fig l.

Fig 4 är en schematisk vy av ett alternativt vibrerande element.

Fig 5 är en schematisk vy av en fjärde utföringsforrn liknande fig 1. 10 15 20 25 30 35 532 'ITE Fig 6 är en schematisk vy av ett vibrerande element som har en rektangulär tvärsnittsarea.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Nedan kommer flera utföringsfonner av uppfinningen att beskrivas under hänvisning till ritningarna. Dessa utföringsformer beskrivs i illustrerande syfte för att möjliggöra för en fackman att genomföra uppfinningen och för att ange den bästa utföringsformen. Emellertid begränsar inte sådan utföringsformer uppfinningen. Vidare är andra kombinationer av de olika särdragen möjliga inom uppfinningens ram.

Fig 1 visar en vibrerande sträng ll, som är infäst mellan två stöd 12, 13. Strängen är en metallisk sträng liknande en gitarrsträng. Strängen är spänd mellan stöden 12, 13 på lämpligt sätt, såsom är tidigare känt. Strängen kan vibrera vid en grundfrekvens och sina övertoner, vilka bestäms huvudsakligen av längdens hos strängen och dess spänning.

En mikrovågssändare 14 sänder mikrovåger 15 mot strängen på ett kontinuerligt sätt.

Strängen sprider mikrovågoma 16, vilka uppfångas av en mottagare 17. Sändaren 14 och mottagaren 15 är normalt kombinerade i en enda sändtagare. Flera sändare och flera mottagare kan användas, separat eller i en kombination.

Enligt vad som framgår av ovannämnda WO 01/73389 är de mottagna mikrovågorna modulerade med frekvensen för strängens vibration, Enligt vad som framgår av ovannärrmda US 6492933 är de mottagna mikrovågoma fasmodulerade med frekvensen för den vibrerande strängen.

Utan att vara bunden av någon teori, antages att strängen fungerar som en mottagar- antenn, som mottager de utsända mikrovägorna och sedan fungerar som en sändande antenn och återsänder de mottagna mikrovågorna vid samma frekvens. De återsända mikrovågorna kan interferera med rnikrovågor som sprids från andra föremål. Fasen för de mottagna mikrovågorna kommer att skilja sig när strängen förflyttar sig från en ändposition till den andra. Således kommer interferensen att åstadkomma nämnda observerade amplitud- och/eller fasvariationer.

Såsom visas i fig 1 är ett metalliskt föremål eller en kropp anordnad intill strängen där den har sin största vibration, såsom intill mitten av strängen. Det har oväntat befunnits att anordningen av en sådan kropp 18 nära strängens mitt resulterar i en förstärkning eller ökning av den mottagna amplitudmodulerade mikrovågssignalen jämfört med situationen när ingen kropp finns närvarande.

Kroppen skall vara anordnad så nära strängen som möjligt, men så att strängen kan vibrera fritt utan att beröra kroppen 18. Desto närmare mitten av strängen och desto närmare strängen, desto större kommer amplitudmodulationen att bli.

Kroppen kan vara tillverkad av en elektriskt ledande metall, såsom koppar eller järn, se vidare nedan. 10 15 20 25 30 35 532 '175 Såsom visas i tig 2, kan sändaren och mottagaren vara anordnade som en enda mikrovågssändtagare 27.

Kroppen kan utföras såsom en skruv 21, som är rörlig i en stödanordning 22, vilken är fast. Genom att rotera skruven 21 kan avståndet därav till strängen inställas. Om strängen har en kraftig spänning kommer amplituden för vibrationerna att vara liten och skruven 21 kan vara skmvad närmare strängen och vice versa.

Alternativt kan skruven 21 vara fixerad och stödanordningen 22 kan vara rörlig i relation till strängen. _ Såsom visas i fig 1 och 2 är kroppen 18, 21, 22 arrangerad med en sida riktad bort från mikrovågssändtagaren 14, 17, 27. Således kommer kroppen inte att störa mikrovågorna och förhindra dem från att nå strängen för att spridas och/eller reflekteras därifrån.

Alternativt kan kroppen vara urförs som en ring 38 eller ett block som omger strängen på alla sidorna, såsom visas i fig 3. Eftersom strängen normalt vibrerari alla riktningama kan ett sådant arrangemang vara fördelaktigt för att inverka på strängen så mycket som möjligt. l ovannämnda utföringsforrner har en vibrerande sträng visats. Emellertid kan strängen ersättas av en vibrerande balk 41, såsom visas i tig 4. Balken 41 är styvt infäst vid ett bärblock 42, exempelvis genom att vara införd i ett hål däri och vara svetsad eller lödd eller fastklämd däri. Kroppen 48 är anordnad så nära som möjligt till den position där balken har sin största vibration eller fluktuation.

Strängen eller balken kan exiteras till vibrationer med vilken som helst anordning.

Ofta är strängen eller balken anordnad i en omgivning som är rik på vibrationsenergi, varvid strängen/balken kan uppfånga vibrationsenergi från omgivningen. Alternativt eller dessutom kan en excitationsenhet 43 vara anordnad på ett bärblock 42, exempelvis en piezoelektrisk kristall, som matas med en elektrisk växelspärming.

Fig 5 visar att strängen är uppburen vid sina ändar av hylsor 52, 53. Varje hylsa innefattar ett hål 54 med ände, i vilken en förträngning 55 är anordnad. Strängen är tvingad förbi törträngningen 55, vilket håller strängen på plats. Strängen kan innefatta en förstoring 56, vilken efier att ha passerat fórträngningen 55 förhindrar strängen från att lämna hålet.

Alternativt eller dessutom kan strängen vara fast vid törträngningen genom limning, svetsning, lödning eller liknande anordning. Strängen kan vara inskjuten förbi fórträngningen vid ett ursprungligt öppet tillstånd, varefter hylsan komprimeras så att förträngningen 55 griper om strängen med friktionskrafter och/eller genom deforrnering av material hos strängen.

Förträngningen och hylsan kan vara tillverkade av ett elektriskt ledande material.

Alternativt, kan förträngningen vara tillverkad av ett isolerande eller dielektriskt material, så att strängen är elektriskt isolerad från den omgivande bärkonstruktionen. Hela hylsan kan också vara tillverkad av ett dielektriskt material. 10 15 20 25 30 35 532 1?5 Hylsan är i sin tur uppburen av en ram som är ej visas så att strängen hållas i sin spänning.

Den exakta mekanismen för att erhålla förbättringen nämnd ovan är inte känd för närvarande.

Utan att vara bunden av en teori, antages att strängen bildar en del av en dipol- antenn, som är partiellt jordad vid mitten av kroppen 18, och bildar en kondensator till jord.

När strängen vibrerar kommer storleken av kondensatorn att variera eftersom avståndet till kroppen 18 kommer att ändra sig. Sådan ändring av kapacitansen kan bidraga till den observerade ökade amplitudmoduleríng. Det är för närvarande inte känt om den effekt som observeras beror på amplitudmodulation eller fasmodulation eller bägge, eller om ytterligare mekanismer är inblandade.

Om strängen är isolerad från omgivningen kan den bilda en dipolantenn. Om detta är fallet kan antennen ha en längd, som är så relaterad till våglängden för mikrovågorna att en elektromekanisk resonans erhålls. Om exempelvis mikrovågsfrekvensen är 2,45 GHz kan stränglängden vara 6,1 mm, vilket motsvarar halva våglängden.

Om strängen är isolerad från omgivningen och om hylsan är tillverkad av ett elektriskt ledande material, kommer strängen att vara kapacitivt belastad mot jord, vilket också kan inverka på reflektionen och spridningen av mikrovågoma.

Kroppen 18 etc kan ha en cirkulär tvärsnittsarea såsom en normal gitarrsträng.

Emellertid, i en ytterligare utföringsform kan strängen ha en rektangulär tvärsnittsarea så att strängen vibrerar med ett stränguppträdande, huvudsaklingen endast i en riktning parallellt med den smalaste sidan av rektangeln och i sitt vinkelräta plan huvudsakligen oscillerar på ett balkliknande sätt vid en annan frekvens. En sådan utföringsfonn visas i ñg 6, vari en sträng 61 har en rektangulär tvärsnittsarea. Ändarna av strängen är fästa vid metallbärblock 62, 63 genom svetsning ellerlödning eller klämning. En metallblockskropp 68 är anordnad nära mitten av strängen 61 på den motbelägna sidan i förhållande till mikrovågssändtagaren.

Strängen kan vara av något metalliskt material, som har en god elektrisk ledningsfönnåga, såsom koppar, silver, stål eller en blandning av metaller.

Alternativt kan strängen vara tillverkad av ett dielektriskt material, som har ett ytlager av ett ledande material, eller fullständigt av ett dielektriskt material. Andra material, såsom amorfa material kan också användas.

Strängen 1 1 kan användas för att mäta temperaturen hos omgivningen efiersom strängens vibrationsfrekvens är beroende av temperaturen i förhållande till ändringar i konduktivitet eller elasticitetsmodul E med temperaturen. Således kan temperaturen mätas på avstånd.

Om strängen ll är fäst vid ett tryckmembran, på vilket ett tryck utövas, kan trycket inverka på frekvensen och kan mätas på avstånd. 10 15 20 25 30 35 532 175 Två strängar kan vara anordnade i olika riktningar pâ en roterande axel för att mäta det moment som överförs av axeln. Strängarna kan vara anordnade såsom en normal momentsensor vinkelrätt mot varandra. Ett moment i axeln kommer därvid att öka spänningen i en av strängarna och minska spänningen i den andra strängen. Således kommer skillnaden mellan strängfrekvenserna att vara relaterad till momentet.

När två strängar är fästa vid en roterande axel och mikrovågor riktas mot strängarna vinkelrätt mot axeln, kommer en Doppler-effekt att uppstå. Strängarna anordnade vid sidan av axeln med en rörelse mot mikrovågssändtagaren kommer att ha en högre skenbar frekvens medan strängen på den andra sidan med en rörelse från mikrovågssändtagaren kommer att ha en lägre skenbar frekvens. När strängama befinner sig på den sida som vetter mot mikrovågssändtagaren kommer de att ha den verkliga frekvensen och när strängarna är vid den sida som är skuggad av axeln blir det ingen signal. Således kommer den mottagna signalen att ha ett spektrum centrerat på den aktuella frekvensen. Eftersom reflektionerna eller spridningama är slumpmässiga, kommer spektrum att variera. Således kan sändtagaren vara anordnad att beräkna den verkliga frekvensen såsom medianen mellan den högsta och den lägsta frekvens som uppmätes.

Mikrovågorna bör riktas huvudsakligen vinkelrätt mot strängen för att erhålla största möjliga modulation av mikrovågoma. Vidare bör mikrovågoma ha en polarisation så att den elektriska komponenten av mikrovågoma är parallell med strängens riktning.

När två strängar används på exempelvis en roterande axel kan det vara fördelaktigt att använda två eller flera mikrovågssändtagare med olika riktningar och polariseringar och eventuellt också olika frekvenser.

Strängvibrationerna kan detekteras på ett stort avstånd, såsom 10 meter eller mer.

Emellertid kan mikrovågssändtagaren vara anordnad nära strängen. Även om föreliggande uppfinning har beskrivits ovan under hänvisning till specifika utfóringsforiner, är det inte avsikten att uppfinningen är begränsad till den specifika utföringsform som beskrivs häri. Snarare är uppfinningen endast begränsad av de bifogade patentkraven och andra utfóringsforiner än de som specifikt anges ovan är likaledes möjliga inom ramen för de efterföljande kraven.

I kraven utesluter uttrycket “innefattar/innefattande” inte närvaron av ytterligare element eller steg. Vidare, även om de nämns individuellt kan ett flertal av anordningar, element eller metodsteg utföras av till exempel en enda enhet eller processor. Dessutom, även om individuella särdrag kan vara innefattade i olika krav, kan dessa eventuellt kombineras med fördel och innefattandet i olika krav medför inte att en kombination av särdrag inte är möjlig och/eller tördelaktig. Vidare utesluter en enkel hänvisning inte ett flertal. Uttrycken “en”, “ett”, “forsta”, “ andra” utesluter inte ett flertal. Hänvisningstecken i kraven är tillhandahållna endast såsom klargörande exempel och skall inte tolkas såsom begränsande omfattningen av kraven på något sätt.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 532 175 PATENTKRAV

1. l. Anordning för mätning av en vibrationsfrekvens hos ett mekaniskt vibrerande föremål (ll), innefattande en mikrovågssändare ( 14) för att rikta mikrovågor mot det vibrerande föremålet; en mikrovågsmottagare (17) för att mottaga nämnda mikrovågor, vilka är amplitudmodulerade med nämnda vibrationsfrekvens, kännetecknat av en kropp (18) anordnad nära ett vibrationsmaximum för nämnda vibrerande föremål, varvid förekomsten av nämnda kropp nära nämnda vibrationsmaximum medför en ökning av nämnda amplitudmodulering av de mottagna mikrovågorna.

2. Anordningen enligt krav l, varvid nämnda kropp (21 ,22) är rörlig så att avståndet till det vibrerande föremålet är inställbart.

3. Anordningen enligt krav l eller 2, varvid rnikrovågssändaren (14) är en kontinuerlig sändare.

4. Anordningen enligt något av föregående krav, varvid nämnda kropp är anordnad på ena sida om det vibrerande föremålet och mikrovågsmottagaren är anordnad på den andra sidan om föremålet.

5. Anordningen enligt något av föregående krav, varvid nämnda kropp omger det vibrerande föremålet.

6. Anordningen enligt något av föregående krav, varvid nämnda vibrerande föremål är en spänd sträng eller en balk infast på den ena sidan och fri på den andra sidan.

7. Anordningen enligt något av föregående krav, varvid nämnda vibrerande föremål eller nämnda kropp är tillverkad av ett metalliskt material, som har en god elektrisk ledningstönnåga, såsom koppar, silver, stål eller en blandning av metaller.

8. Anordningen enligt något av föregående krav, varvid nämnda vibrerande föremål eller nämnda kropp är tillverkad av ett dielektriskt material, som har ett ytlager av ett ledande material, eller fullständigt av ett dielektriskt material. 532 175

9. Anordningen enligt något av föregående krav, innefattande två vibrerande strängar anordnade med en vinkel i förhållande till varandra på en roterande axel, varvid en Dopplereffekt resulterar i ett spektrum av skenbara frekvenser, varvid en verklig frekvens är bestämd såsom en medianfrekvens mellan en högsta och en lägsta frekvens.

10. Användning av en anordning enligt något av föregående krav för mätning av temperatur, tryck, moment eller identitet.