DE1648706B2

DE1648706B2 - DEVICE FOR AN AMPLITUDE-LIMITED VIBRATING STRING OSCILLATOR IN AN ACOUSTIC FORCE MEASURING CELL

Info

Publication number: DE1648706B2
Application number: DE19671648706
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr 7500 Karlsruhe Horn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-10-27
Filing date: 1967-10-27
Publication date: 1973-08-30
Also published as: DE1648706C3; DE1648706A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für einen ampln^denbegrenzten Schwingsaitenoszillator in einer akustischen Kraftrr^aßzelle mit einer eine Erregerspule und eine Pückkoppelspule magnetomechanisch koppelnden Schwin saite. Bei solchen akustischen Kraftmeßzellen wird eine Saite in Schwingungen versetzt. Um die Frequenz dieser Schwingungen messen zu können, wird eine Oszillatorschaltung mit Erreger- und Rückkoppelspule verwendet. Die magnetisierbare Saite induziert eine Wechselspannung in den Spulen, die die gleiche Frequenz wie die Saitenbewegung hat.The invention relates to a device for a ampln ^ denbegrenzten vibrating wire in an acoustic oscillator Kraftrr ^a ßzelle with an excitation coil and a Pückkoppelspule magneto mechanical coupling oscillations string. In such acoustic load cells, a string is made to vibrate. In order to be able to measure the frequency of these oscillations, an oscillator circuit with an excitation and feedback coil is used. The magnetizable string induces an alternating voltage in the coils, which has the same frequency as the string movement.

Es wird nun verlangt, daß mit solchen Oszillatorschaltungen die Wechselspannung möglichst klirrfaktorarm und amplitudenstabil unabhängig von der Speisespannung gewonnen wird. Voraussetzung dafür sind wirksame Amplitudenbegrenzer, die bei den bekannten Anordnungen entweder aufwendig sind oder den an die Meßgenauigkeit gestellten Anforderungen nicht genügen.It is now required that with such oscillator circuits the alternating voltage should be as distortion-free as possible and is obtained in a stable amplitude independent of the supply voltage. Prerequisite for this are effective amplitude limiters, which in the known arrangements are either expensive or do not meet the requirements placed on the measurement accuracy.

Die obenerwähnte, der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer eingangs genannten Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Magnetjoche der Erreger- und Rückkoppelspule symmetrisch zur Schwingsaite einander gegenüberliegen und die durch beide Schenkel jedes der Magnetjoche verlaufenden Symmetrieebenen senkrecht aufeinanderstehen, daß die Polschuhe der Rückkoppelspule zu Gabeln, zwischen deren Zinken die Saite beim Auslenkvorgang schwingt, geformt sind und daß mit zunehmender Auslenkung die Gabeln des Polschuhs eine gegen Null gehende Auslenkkraft aufweisen. The above-mentioned object on which the invention is based is achieved in a device according to the invention mentioned at the outset in that magnet yokes of the excitation and feedback coil are symmetrically opposite to the vibrating string and the planes of symmetry running through both legs of each of the magnet yokes are perpendicular to one another, so that the pole shoes of the feedback coil to form forks, between the prongs of which the string oscillates during the deflection process, and that with increasing deflection, the forks of the pole piece have a deflection force approaching zero.

Die Erreger- und die Rückkoppelspule werden also so angeordnet, daß sich die von der Vormagnetisierung der beiden Spulenjoche herrührenden magnetischen Auslenkkräfte an der Saite, die aus magnetisierbarem Material, z. B. Stahl, besteht, kompensieren. Außerdem liegen die Erreger- und Rückkoppelspule so, daß sich die Magnetflüsse, welche jeweils von Pol zu Pol des dazugehörigen Spulenjochs reichen, in der Saite senkrecht durchsetzen und so eine direkte induktive Kopplung vermeiden. Der Magnetfluß der Erregerspule durchsetzt die Saite senkrecht zu ihrer Längsachse, während der Magnetfluß der Rückkoppelspule der Längsachse der Saite gleichgerichtet ist.The excitation coil and the feedback coil are so arranged that the magnetic deflection forces resulting from the premagnetization of the two coil yokes on the string, which are made of magnetizable material, e.g. B. steel, there is, compensate. In addition, the excitation and feedback coils are located in such a way that the magnetic fluxes, which each extend from pole to pole of the associated coil yoke, prevail vertically in the string and thus avoid direct inductive coupling. The magnetic flux of the excitation coil passes through the string perpendicular to its longitudinal axis, while the magnetic flux of the feedback coil is rectified to the longitudinal axis of the string.

Die Polschuhe der Rückkoppelspule sind als Gabeln ausgebildet. Mit zunehmender Auslenkung der Saite wird von der Erregerspule auf die Saite eine kleinere, gegen Null strebende Auslenkkraft ausgeübt. Die Gabelzinken sind nämlich derart geformt, daß das Magnetfeld, welches von den Zinken zur Saite reicht, immer homogener wird, je weiter die Saite in den Raum zwischen den Gabelzinken eindringt. Die Auslenkkraft wird somit immer geringer.The pole shoes of the feedback coil are designed as forks. With increasing deflection of the The exciter coil exerts a smaller deflection force tending towards zero on the string. The fork prongs are shaped in such a way that the magnetic field which flows from the prongs to the string range, becomes more and more homogeneous the further the string in penetrates the space between the forks. The deflection force is therefore getting smaller.

Auch das Magnetjoch der Erregerspule selbst ist derart gabelförmig ausgebildet, so daß auch hier die magnetische Auslenkkraft auf die Saite je nach Lage der Saite variiert. Die gabelförmigen Ausbildungen der Polschuhe der Rückkoppel- bzw. des Magnetjoches der Erregerspule haben außerdem den Vorteil, daß auch bei noch so großer Auslenkung ein Anschlagen der Saiten an die Polschuhe vermieden wird.The magnet yoke of the excitation coil itself is fork-shaped so that here too the magnetic deflection force on the string depending on the position the string varies. The fork-shaped formations of the pole shoes of the feedback yoke or the magnetic yoke the excitation coil also have the advantage that no matter how great a deflection Striking the strings on the pole pieces is avoided.

Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 4, die ein Ausführungs*'eispiel darstellen, näher erläutert.The invention is illustrated with reference to FIGS. 1 to 4, which represent an exemplary embodiment, explained in more detail.

In F i g. 1 wird die Lage der Erregerspule E zur Rückkoppelspuie R in bezug auf die Saite 5a gezeigt. Die Saite Sa ist beidseitig eingespannt und kann in Schwingungen versetzt werden. Die Magnetjoche M₁ und M₂ sind U- bzw. gabelförmig ausgebildet und stehen um 90° zueinander verdreht. Die durch beide Schenkel jeder der Magnetjoche M₁ und M₂ verlaufenden Symmetrieebenen stehen senkrecht aufeinander. Der Magnetfluß des Magnetjoches M_x durchdringt die Saite Sa senkrecht zur Achsenrichtung, also senkrecht zur Figurenebene, und der Magnetfluß des Magnetjoches M., durchsetzt Q.e Saite 5a in axialer Richtung vom Nordpol N zum Südpol S, also in der Figurenebene.In Fig. 1 shows the position of the excitation coil E in relation to the feedback coil R in relation to the string 5a. The string Sa is clamped on both sides and can be made to vibrate. The magnet yokes M ₁ and M ₂ are U-shaped or fork-shaped and are rotated by 90 ° to one another. The planes of symmetry running through both legs of each of the magnet yokes M ₁ and M ₂ are perpendicular to one another. The magnetic flux of the magnetic yoke M _x penetrates the string Sa perpendicular to the axis direction, i.e. perpendicular to the plane of the figure, and the magnetic flux of the magnetic yoke M passes through the string 5a in the axial direction from the north pole N to the south pole S, i.e. in the plane of the figure.

In F i g. 2 ist die Erregerspule E mit Magnetjoch M₁ dargestellt. Die Magnetfeldlinien gehen vom Nordpol N des Magnetjoches M₁ aus, durchdringen die Saite 5a und treten im Südpol 5 wieder ein. Zwischen den Polschuhen ist die Saite Sa in zwei Stellungen gezeigt. Da das Erregerspulenjoch vormagnetisiert ist, wirkt auf die Saite Sa in der Stellung 1 eine magnetische Kraft, die die Saite 5a zwischen die Polschuhe des Magnetjoches M₁ zieht. Dabei wird das magnetische Feld, wie oben schon erwähnt, im Polschuhluftraum immer homogener, und damit wirkt auf die Saite 5a eine immer kleiner werdende Kraft. In Stellung 2 wird die Saite Sa nicht mehr weiter von dem Magnetfeld ausgelenkt.In Fig. 2 shows the excitation coil E with magnet yoke M ₁ . The magnetic field lines emanate from the north pole N of the magnetic yoke M ₁ , penetrate the string 5a and reenter the south pole 5. The string Sa is shown in two positions between the pole pieces. Since the excitation coil yoke is premagnetized, a magnetic force acts on the string Sa in position 1, which pulls the string 5a between the pole shoes of the magnet yoke M _1. As already mentioned above, the magnetic field in the pole shoe air space becomes more and more homogeneous, and thus a force that is becoming smaller and smaller acts on the string 5a. In position 2, the string Sa is no longer deflected further by the magnetic field.

F i g. 3 stellt den Südpol 5 des Magnetjoches M₂ dar. Der Noidpol N ist abgeschnitten, so daß die Wicklungen der Rückkoppelspule R sichtbar sind. Der Südpol S und auch der Nordpol N sind zu Gabeln geformt, zwischen deren Zinken Z₁ und Z₂ die Saite Sa, im Schnitt gezeichnet, schwingen kann. Die Magnetfeldlinien dringen am Nordpol N in die Saite Sa ein, durchlaufen sie in axialer Richtung und treten im Bereich des Südpols allseitig wieder aus, um in die Zinken Z₁ und Z₂ des Südpols S einzudringen. Außerdem wird, wie bei der Ausbildung des Magnetjoches M₁ nach F i g. 2, eine Homogenisierung des Magnetfeldes im Polschuhluftraum zwischen den Zin ken Z₁ und Z₂ der Polschuhgabeln erreicht, je mehr F i g. 3 shows the south pole 5 of the magnetic yoke M _2. The Noid pole N is cut off so that the windings of the feedback coil R are visible. The south pole S and also the north pole N are shaped into forks , between whose prongs Z ₁ and Z ₂ the string Sa, drawn in section, can vibrate. The magnetic field lines penetrate the string Sa at the north pole N , pass through it in the axial direction and emerge again on all sides in the area of the south pole in order to penetrate _{the prongs Z 1} and Z _{2 of} the south pole S. In addition, as is the case with the formation of the magnetic yoke M ₁ according to FIG. 2, a homogenization of the magnetic field in the pole shoe air space between the Zin ken Z ₁ and Z _{2 of} the pole shoe forks is achieved, the more

die Saite 5α ausgeleckt ist. Erreger- und Rückkoppelspule E und R sind damit, wie gewünscht, induktivvollständig entkoppelt. Dagegen heben sich bei geeigneter Dimensionierung der Vorrichtung die Auslenkkräfte der vormagnetisierten Magnetjoche Λ/, und M... die auf die Saite Sa einwirken, gegenseitig in der Ruhelage der Saite Sa auf.the string 5α is licked. The excitation and feedback coils E and R are thus completely inductively decoupled, as desired. In contrast, if the device is suitably dimensioned, the deflection forces of the pre-magnetized magnet yokes Λ /, and M ... which act on the string Sa cancel each other out in the rest position of the string Sa.

Ein Anwendungsbeispiel dieser Vorrichtung ist in F i g. 4 aufgezeichnet. Die Erregerspule E und die Rückkoppelspule R liegen in einem elektrischen Schaltkreis mit einem Transistor T od. dgl. Eine Speisespannung U_sp ist an den Kollektor und über die Erregerspule F. an den Emitter des Transistors T angelegt. Die Rückkoppelspule R liegt zwischen Emitterabgriff A und Basis B. Eine Spannung U wird zwischen dem positiven Pol der Speisespannung U_fP und dem Emitterabgriff A abgegriffen. Die Saite Sa ist am. einen Ende C fest und am anderen Ende D beweglich angebracht. Sie kann in Schwingungen versetzt weiden und koppelt magneto-mechanisch die Erregerspule E und die Rückkoppelspule R des dargestellten Transistor-Oszillatorkreises. Die abgegriffene Spannung U ist sinusförmig mit einer Frequenz, die der Schwingfrequenz der Saite Sa entspricht. Wird nun die Länge der Saite Sa verändert, z. B. durch Variation des Endes D in der gezeichneten Pfeilr';htung, so verändert sich die Schwingfrequenz der Saite Sa. Genauso ändert sich aber die Frequenz der abgegriffenen Spannung U, so daß mit dieser Methode eine Messung der Frequenzänderung der Saitenschwingung ermöglicht ist. Da die Längenänderung einer Saite 5a proportional zur auf sie einwirkenden Transversalkraft ist bzw. in einem mathematischphysikalischen Zusammenhang zu ihr steht, hat man somit ein Mittel, diese Transversalkraft aus der Frequenzänderung der Spannung U zu ermitteln.An application example of this device is shown in FIG. 4 recorded. The excitation coil E and the feedback coil R are in an electrical circuit with a transistor T or the like. A supply voltage U _sp is applied to the collector and via the excitation coil F. to the emitter of the transistor T. The feedback coil R lies between the emitter tap A and base B. A voltage U is tapped between the positive pole of the supply voltage U _fP and the emitter tap A. The string Sa is attached fixedly at one end C and movably attached to the other end D. It can vibrate and magneto-mechanically couples the excitation coil E and the feedback coil R of the illustrated transistor oscillator circuit. The tapped voltage U is sinusoidal with a frequency which corresponds to the oscillation frequency of the string Sa. If the length of the string Sa is now changed, e.g. B. by varying the end D in the direction of the arrow drawn, the oscillation frequency of the string Sa changes. However, the frequency of the tapped voltage U also changes, so that this method enables the frequency change of the string oscillation to be measured. Since the change in length of a string 5a is proportional to the transverse force acting on it or has a mathematical-physical relationship to it, one has a means of determining this transverse force from the frequency change of the voltage U.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for an amplitude-limited vibrating string oscillator in an acoustic load cell with an excitation coil and a feedback coil magneto-mechanically coupling vibrating string, characterized in that magnet yokes (/ VZ ₁ and M.,) of the excitation and feedback coil ( E and R) symmetrically to the vibrating string ( Sa) are opposite one another and the planes of symmetry running through both legs of each of the magnet yokes (Ai ₁ and M ₂ ) are perpendicular to one another so that the pole shoes of the feedback coil (E) form forks, between their prongs (Z ₁ and Z.) the string (Sa ) oscillates during the deflection process, are shaped and that with increasing deflection the forks of the pole piece J, ne have deflecting force approaching zero.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the vibrating string (5a) from magnetizable material.