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Elektromechanischer Meßumformer zur Messung einer Kraft, insbesondere
zur Verwendung als Beschleunigungsmesser Es sind elektromechanische Meßumformer
zur Messung einer Kraft, insbesondere zur Verwendung als Beschleunigungsmesser bekannt,
die ein oder mehrere langgestreckte Schwingelemente besitzen, wobei jedes Schwingelement
von einer Oszillatorschaltung mit seiner Eigenfrequenz in Schwingungen versetzt
wird. Da die Eigenfrequenz von der Länge des Schwingelements abhängt, führen in
Richtung der Längsachse desselben wirkende äußere Kräfte, die eine Längenänderung
hervorrufen, zu Frequenzänderungen. Diese können in bekannter Weise gemessen werden
und dienen als Maß der Beschleunigung.
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Ein bekanntes Gerät dieser Art ist der Saitenbeschleunigungsmesser.
Er beruht darauf, daß die Eigenfrequenz einer transversal schwingenden Saite von
der Größe der axial gerichteten Spannung abhängt. In Richtung der Saitenachse gerichtete
Beschleunigungen führen also zu einer Änderung der Saitenspannung und beeinflussen
damit die Schwingfrequenz der Saite. Dieses Meßgerät hat jedoch verschiedene Nachteile.
Einige derselben konnten dadurch beseitigt werden, daß zwei parallele Saiten verwendet
werden, von denen die eine durch die zu. messende Kraft jeweils im gleichen Maße
verkürzt wird, wie die andere verlängert wird. Auch diese Anordnung ist aber für
die Anforderungen der Praxis noch nicht genau genug, und zwar insbesondere wegen
der geringen Schwinggüte und Frequenzkonstanz.
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Schwinggüte und Frequenzkonstanz sind bekanntlich bei stabförmigen
Schwingern besser. So ist auch bereits ein elektromechanischer Meßumformer für die
Messung von Beschleunigungen bekanntgeworden, der aus zwei transversal schwingenden
Stäben besteht, die von einer gemeinsamen Unterstützungsstelle nach entgegengesetzten
Richtungen weisen. Eine in Längsrichtung der beiden Stäbe wirkende Kraft sucht also
den einen Stab zu verkürzen und den anderen zu verlängern. Der dadurch bedingte
Frequenzunterschied wird gemessen und ist das Maß für die Beschleunigung. Die Anordnung
ist allerdings in gewissem Ausmaße auch gegen Querbeschleunigungen empfindlich,
wodurch die Präzision beeinträchtigt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den zuletzt genannten Meßumformer hinsichtlich
der Schwinggüte noch weiter zu verbessern und gegen Störeinflüsse unempfindlicher
zu machen.
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Der erfindungsgemäße elektromechanische Meßumformer zur Messung einer
Kraft, insbesondere zur Verwendung als Beschleunigungsmesser, mit einem
oder mehreren
- langgestreckten Schwingelementen, wobei jedes Schwingelement zwei schwingende
Arme aufweist, die von einer Oszillatorschaltung mit ihrer Eigenfrequenz in Schwingungen
um ihre Längsachse versetzt werden, so daß in Richtung der Längsachse wirkende äußere
Kräfte zu Frequenzänderungen führen, ist dadurch gekennzeichnet, daß die zwei schwingenden
Arme an ihren Enden miteinander verbunden sind, so daß jedes Schwingelement die
Gestalt zweier mit den Stirnflächen ihrer Zinken verbundenen Stimmgabeln aufweist.
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Vorzugsweise besteht das Schwingelement in an sich bekannter Weise
aus einem oder zwei piezoelektrischen Kristallen. Dadurch ergibt sich ein besonders
einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Meßumformers.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand
der Zeichnung beschrieben.
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Hierin ist F i g. 1 ein Schrägbild eines dreiachsigen Beschleunigungsmessers
gemäß der Erfindung, Fig. 2 a und 2b Seiten- und Schrägansicht eines Wandlerelements
gemäß der Erfindung, Fig. 3 das schematische Schaltbild eines im Zusammenhang mit
der Erfindung geeigneten Oszillators,
F i g. 4 ein Blockschaltbild
einer Registriervorrichtung für einen Beschleunigungsmesser gemäß der Erfindung,
F i g. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel eines dreiachsigen Beschleunigungsmessers
gemäß der Erfindung, F i g. 6 ein Schrägbild eines abgeänderten Wandlerelements
gemäß der Erfindung und F i g. 7 ein Schrägbild eines Wandlerelements, das zur Umwandlung
von Analogwerten in Digitalwerte geeignet ist.
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Fig. 1 zeigt als Anwendungsbeispiel der Erfindung einen dreiachsigen
Beschleunigungsmesser, der die Beschleunigungen eines Gestells 10 in drei zueinander
senkrechten Achsen X, Y und Z mißt. Der Beschleunigungsmesser enthält drei Paar
Wandlerelemente 11 a und 11 b, 13 a und 13 b, 15 a und 15 b, die aus piezoelektrischem
Material bestehen. Die Längsachsen der Wandlerelemente sind zu je zweien in den
drei Koordinatenachsen angeordnet. Das eine Ende jedes Wandlerelementes ist starr
mit dem Gestell 10 verbunden, während die anderen Enden der Elementella, 13 a und
15 a mit einer trägen Masse 17 verbunden sind. Ebenso sind die anderen Enden der
Elemente laub, 13 b und 15 b mit einer zweiten trägen Masse 19 verbunden. Die effektive
Masse der trägen Massen 17 und 19 ist gleich.
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Bei einer Beschleunigung längs einer der Bezugsachsen des Beschleunigungsmessers
ergibt sich jeweils eine Druck- oder Zugkraft auf das Element a des betreffenden
Paares und die entgegengesetzte Last auf das Element 6. Erfährt das Gestell 10 z.
B. eine Beschleunigung längs der X-Achse in Richtung der oberen linken Ecke der
Figur, so erfährt das Wandlerelement 13a einerx Druck in Achsrichtung und das Wandlerelement
13 b einen Zug in der gleichen Richtung. Aus der Änderung der Eigenfrequenz der
beiden Wandlerelemente läßt sich in noch zu beschreibender Weise ein Signal ableiten,
das unmittelbar proportional zur Beschleunigung ist.
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Eines der sechs Wandlerelemente ist in-Fig.2a und 2b im einzelnen
dargestellt. Es besteht aus zwei parallelen Stäben 21 und 23, die an ihren Enden
miteinander verbunden sind. In der Nähe des einen Endes sind die Stäbe 21 und 23
seitlich mit einem leitenden überzug oder einem Blech 25 versehen, während die gegenüberliegende
Seite des Stabes 23 einen Überzug bzw. ein Blech27 und die gegenüberliegende Seite
des Stabes 21 einen Überzug 29 trägt. Die Überzüge 27 und 29 sind mit der einen
Klemme eines Oszillators 31 verbunden, während der Überzug 25 an die andere Klemme
desselben angeschlossen ist.
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Da die Wandlerelemente piezoelektrische Eigenschaften besitzen sollen,
ergibt sich bei der Einwirkung einer elektrischen Schwingung eine modulierte Schubspannung
auf die Stäbe, die sie zu mechanischen Schwingungen anregt. Wenn z. B. an der Elektrode
25 eine negative und an der Elektrode 29 eine positive Spannung vorhanden ist, so
dehnt sich der Teil des Stabes 21 in der Nähe der Elektrode 25 und ruft eine mechanische
Spannung in Richtung der oberen Pfeile hervor, während der Teil des Stabes 21 in
der Nähe der Elektrode 29 sich zusammenzieht und dadurch eine Spannung in Richtung
der unteren Pfeile hervorruft. Infolgedessen erleidet der Stab eine Schubspannung,
die entsprechend der elektrischen Schwingung des Oszillators 31 sinusförmig schwankt.
Da durch wird der Stab zu Querschwingungen angeregt,
deren stärkste Auslenkung in
seiner Mitte stattfindet, während an den Verbindungsstellen der beiden Stäbe Schwingungsknoten
auftreten.
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Betrachtet man die beiden Arme des Wandlerelementes zugleich, so
sieht man, daß bei der Resonanzfrequenz beide Arme phasengleich nach außen und innen
schwingen. Wegen der Verbindung der beiden Arme an den Knoten geht während jeder
Schwingungsperiode nur wenig Energie verloren. Die Gestalt des Wandlerelementes
ergibt also eine geringe Dämpfungskonstante und damit eine hohe mechanische Schwingungsgüte
Q. Das ergibt sich auch daraus, daß das Wandlerelement Ähnlichkeit mit zwei an den
Stirnflächen ihrer Zinken miteinander verbundenen Stimmgabeln hat. Bekanntlich hat
eine Stimmgabel eine hohe mechanische Schwingungsgüte.
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Infolge der hohen Schwingungsgüte schwingt das Wandlerelement mit
großer Genauigkeit bei seiner Eigenfrequenz, solange diese nicht durch ein äußeres
Ereignis, wie das Auftreten einer Vorspannung in Längsachse des Elementes, geändert
wird. Beim Vorhandensein einer solchen Vorspannung ändert sich bekanntlich die Schwingfrequenz
im gleichen Ausmaß wie die Größe der Vorspannung, wobei das Vorzeichen der Frequenzänderung
von der Richtung der Vorspannung bzw. der entsprechenden Beschleunigung abhängt.
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Zur Anregung des Wandlerelementes kann jeder beliebige kristallgesteuerte
Oszillator dienen. Ein bekanntes Beispiel eines solchen ist in F i g. 3 gezeigt.
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Er ist z. B. mit Transistoren bestückt. Das Wandlerelement liegt hierbei
in einer Brückenschaltung. Es wird nicht nur vom Oszillator zur Schwingung angeregt,
sondern bestimmt auch die Schwingungsfrequenz des Oszillators und damit die Frequenz
des Ausgangssignals. Der Oszillator ist stets auf die gleiche Frequenz wie das Wandlerelement
abgestimmt, so daß das Ausgangssignal des Oszillators ein Maß für die Beschleunigung
des Wandlerelementes darstellt.
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Es kann gezeigt werden, daß die Eigenfrequenz der erfindungsgemäßen
Wandlerelemente in folgender Weise von der Vorspannung in Achsenrichtung und damit
von der Beschleunigung abhängt: Wenn w0 die übereinstimmende Schwingfrequenz der
Wandlerelemente eines Paars ohne das Vorhandensein von Vorspannungen, w1 die Schwingfrequenz
bei einer bestimmten Druckspannung und w2 die Schwingfrequenz bei einer gleich großen
Zugspannung ist, während S die eingeprägte Axialkraft und K eine Materialkonstante
ist, so gilt: w12 = w02 - KS; (1) W22 = Wo2 + RS; (2) daraus folgt: 2KS (W2 W2 =
(w2 + W1) (3) Es zeigt sich also, daß die Differenz der Schwingfrequenzen der beiden
Wandlerelemente unmittelbar proportional zur axialen Beschleunigungskraft S und
umgekehrt proportional zur Summenfrequenz (w2+wl) ist. Baut man den Beschleunigungsmesser
so auf, daß die Summenfrequenz (w2+w) im ganzen Bereich der auftretenden Beschleunigungen
konstant ist, so wird die Differenzfrequenz (w1 - w2) stets proportional zur Axialbeschleunigung
sein.
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Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer Meßvorrichtung, mit deren
Hilfe dies durchzuführen ist. Die beiden Wandlerelemente einer Bezugsachse befinden
sich in einer Gegenkopplungsschleife, die die Summe (w1 + w2) stets auf einen konstanten
Wert einregelt, so daß die Differenzfrequenz (w1-w2) unmittelbar proportional zur
Axialbeschleunigung bleibt. Zur Registrierung der Beschleunigungswerte dient eine
Subtraktionsvorrichtung 36, die den Wert (w1- w2) bildet und an die ein Zähler 38
angeschlossen ist. Dieser wird periodisch durch die Rückstellvorrichtung 40 zurückgestellt
und unmittelbar vorher abgelesen.
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Das Ablesungsergebnis ist jeweils proportional zur herrschenden Axialbeschleunigung.
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Die Oszillatoren31a und 31b für die beiden zusammengehörigen Wandlerelemente
11 a und 11 b (dasselbe gilt für die entsprechenden Wandlerelemente 13 a und 13
b bzw. 15 a und 15b) liefern die Ausgangsfrequenzen w1 und w2, welche der jeweiligen
Eigenfrequenz der Wandlerelemente entsprechen. Die Ausgangssignale werden einem
Addierwerk 33 zugeführt, das ein Signal mit der Summenfrequenz (w1 + w) erzeugt.
Dieses wird einer Vergleichsschaltung 35 zugeführt. Die Vergleichsschaltung 35 vergleicht
die Summenfrequenz (w,+w,) mit einer Bezugsfrequenz 2wo, das von einem festen Oszillator
42 geliefert wird. Die Frequenzabweichung A w wird einem Verstärker 37 zugeführt
und dann auf eine Stellvorrichtung 39 gegeben, welche Zug- oder Druckkräfte derart
auf die beiden Wandler 11 a und 11 b aufprägt, daß ihre Eigenfrequenzen sich so
lange verändern, bis (w1 + w2) mit der Vergleichsfrequenz 2w, übereinstimmt.
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Die Stellvorrichtung 39 kann in an sich bekannter Weise aufgebaut
sein. Sie besteht z. B. aus einem Elektromagneten, der einen mit den beiden Wandlerelementen
verbundenen magnetischen Anker anzieht bzw. abstößt. Dabei ist zu beachten, daß
beide Wandlerelemente zur Regelung die gleiche Vorbelastung erfahren sollen. Sie
müssen also gleichzeitig einer Druckspannung bzw. einer Zugspannung unterworfen
werden, um die gewünschte Kompensation zu erreichen.
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Bei dem Beschleunigungsmesser nach Fig. 1 ist nun für jede der drei
Achsen eine Meß- und Regelordnung gemäß Fig.4 vorgesehen. Infolge der Trägheit der
großen Massen 17 und 19 führen Beschleunigungen des Gestells 10 zum Auftreten von
Zug- und Druckkräften in Axialrichtung auf ein oder mehrere Wandlerelemente, die
in der oben beschriebenen Weise gemessen werden. Am Zähler 38 wird für jede Achse
ein digitales Signal abgenommen, dessen Zahlenwert der aufgetretenen Beschleunigung
entspricht. Der Beschleunigungsmesser in Fig. 1 kann übrigens leicht zu einem Geschwindigkeitsmesser
umgestaltet werden, indem einfach die periodische Rückstellung des Fehlers 38 weggelassen
wird. Dann zeigt der Zähler jeweils eine Zahl, welche der Geschwindigkeit des Gestells
10 entspricht.
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Die Anordnung nach Fig. 1 gestattet eine freie Bewegung der trägen
Masse 17 und 19, so daß Abmessungsänderungen infolge von Temp eraturschwankungen
zugelassen werden können. Wenn dagegen der Beschleunigungsmesser keinen wesentlichen
Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, so kann eine andere Ausführungsform eines
Dreiachsenbeschleunigungsmessers gemäß F i g. 5 Verwendung finden. Diese Anordnung
ist etwas vereinfacht, da
nur eine träge Masse 17 vorhanden ist, die sich zwischen
den Wandlerelementen jedes Paares befindet.
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Auch die Wandlerelemente selbst können anders ausgeführt sein als
in Fig. 2 a und 2b dargestellt. So können sie z. B. statt aus einem Stück aus mehreren
Teilen eines Kristallwerkstoffs wie Quarz bestehen und entsprechend F i g. 6 zusammengekittet
sein.
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Statt zur Beschleunigungsmessung können die erfindungsgemäßen Wandlerelemente
auch für zahlreiche andere Aufgaben herangezogen werden. Dazu gehören z. B. Gewichtsmessung
in einer Waage oder die Umwandlung eines Signals aus einem Analogwert in einen Digitalwert
auf dem Umweg über eine Kraftmessung. Letztere Anwendung ist in Fig. 7 beispielsweise
dargestellt. Hierbei sind zwei Wandlerelemente 51 a und 51 b so angeordnet, daß
sie eine gemeinsame LängsachseB-B aufweisen. Sie sind starr an einer zwischen ihnen
liegenden Masse 53 befestigt. Jede Bewegung der Masse 53 längs der Achse B-B ergibt
also eine Druckbelastung des einen Wandlerelementes und eine gleich große Zugbelastung
des anderen Elemenfes. Ferner ist ein Elektromagnet 55 unabhängig von der Masse
53 in der Nähe derselben angeordnet, so daß Relativbewegungen zwischen dem Elektromagneten
und der Masse stattfinden können.
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Ist die Masse 53 selbst magnetisch, so wird sie bei Zuführung eines
Analogsignals zum Elektromagneten 55 in Richtung der AchseB-B angezogen oder abgestoßen,
wodurch sich entsprechende Zug- und Druckkräfte in den Wandlerelementen ergeben.
Die dadurch hervorgerufene änderung der Eigenfrequenz der Wandlerelemente 51 a und
51 b kann mittels der Schaltung nach F i g. 4 in ein Digitalsignal umgewandelt werden,
das dem eingegebenen Analogsignal entspricht.
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Es ist auch der Aufbau einer Vorrichtung zur Umwandlung von Analog-
in Digitalsignale unter Verwendung eines einzigen Wandlerelementes möglich. Hierbei
müssen aber verschiedene Abänderungen in der Schaltung nach Fig. 4 vorgenommen werden,
um die Proportionalität herbeizuführen.
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Auch andere Abänderungen sind ohne weiteres denkbar, z. B. die Anbringung
der Spule 55 auf der Masse 53 und eine unabhängige Aufhängung eines damit zusammenwirkenden
Magneten.