Saitenmessgerät mit Phasenanzeige der Resonanz
Die Erfindung betrifft ein neues Saitenmessgerät mib Phasenanzeige zur Messung von Kräften, Drücken, Temperaturen und von anderen Grössen, die eine Verformung der Messsaite hervorrufen, wobei das Saitenmessgerät auf dem Prinzip 1des Resonanzvergleiches der Schwingungen der Mess- und einer Vergleichssaite und unter Verwendung von elektromagnetischen Erregern und Abtastern (Gebern) arbeitet. Die Saite, gewöhnlich aus Stahl, ist vorzugsweise in einen Fühler eingebaut. Die Messung der Eigenfrequenz dieser Saite kann z. B. leicht auf grössere Entfernungen elektrisch erfolgen. Die bisher bekannten Typen arbeiten mit gedämpften sowie mit ungedämpften Saitenschwingungen.
In Systemen mit ungedämpften Schwingungen bildet die Saite mit den erwähnten elektromagnetischen Erregern und Abtastern (Gebern) und insgesamt mit einem geeigneten elektronischen Verstärker ein elektromechanisches Autooszillabionssystem. Bei den bisher bekannten Geräten erfolgt die Frequenzmessung entweder direkt durch Impulszählung oder durch die Vergleichung der Frequenz der Messsaite (der Saite im Fühler) mit der Frequenz der Vergleichssaite im Vergleichsgerät oder mit der Frequenz des elektronischen Frequenzgenerators. Der Vergleich der beiden Frequenzen erfolgt dann entweder auf oszilloskopische Art (Lissajous-Figuren) oder unter Verwendung der Schwebungsmethode.
Einen besonderen Fall bildet die Resonanzmethode, bei welcher durch die veränderliche Frequenz der Vengleichssaite, die erzwungenen Schwingungen der Messsaite und umgekehrt erregt werden.
Das heisst, dass zum Beispiel die Vergleichssaite im ungedämpften Oszillabionszustand elektronisch gehalten wird und durch ihre Frequenz die Messsaite erregt wird. Die Vergleichssaite wird von Hand derart abgestimmt, dass die Messsaite mit der maximalen Amplitude der erregten Schwingungen schwingt. Dieses cha rakteristische Maximum wird d zum Beispiel anhand des Aus schlages des über den Verstärker vom elektromagnetischen Abtaster (Geber) der Messsaite gespeisten Zeigermessgerätes bestimmt. Die bekannten Typen der Saitenmessgeräte arbeiten mit der der Amplitude erzwungenen Schwingungen entsprechenden Resonanzanzeige.
Der gemeinsame Nachteil aller dieser Systeme im Hinblick auf die Entwicklungstendenzen der Messtechnik liegt in den ausserordentlichen Schwierigkeiten, die sich der Automatisierung des Saitenmessens entgegenstellen. Der bekannte Typ des automatischen Saitenmessgerätes arbeitet auf dem Prinzip der Frequenzmessung mit Hilfe des Zählers, was aber einen Nachteil bei der Auswertung mit sich bringt, da das Verhältnis zwischen der zu messenden Deformation und der Geräteanzeige nicht linear ist. Die Verwendung der Resonanzmethode mit der Amplitudenanzeige ist im Prinzip möglich, aber sie verursacht eine Verminderung der Genauigkeit, da die Amplitude nicht nur von der Abstimmung, sondern auch von der Grösse der Erregung und der Dämpfung abhängt.
Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt, indem die Resonanzanzeige in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen dem Erregerstrom und der Induktionsspannung des Abtasters (Gebers) der Vergleichssaite erfolgt. Einen weiteren Vorteil in diesem Falle bildet auch die wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit mit Rücksicht auf die grosse Steilheit der Phasencharakteristik der vorzugsweise stark gedämpften Saite.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Erreger und dem Abtaster (Geber) der Vengleichssaite ein Phasendetektor eingeschaltet ist, der die Resonanz auf Grund der Phasenverschiebung des Erregerstromes des Erregers und der Induktionsspannung des Abtasters (Gebers) anzeigt, wobei an den Ausgang des Phasendetektors einerseits ein elektroma genetisch gesteuertes, zwischen einen Antriebsmotor und eine Mikrometerschraube des Spannwerkes der Vergleichssaite befindliches Getriebe und anderseits ein mit dem Spannwerk verbundenes und die der Resonanz entsprechende Spannwerklage anzeigendes Registrierwerk angeschaltet ist.
Auf der beigelegten Zeichnung wird schematisch ein Beispiel der Ausführung des erfindungsgemässen Gegenstandes dargestellt. In den Abbildungen wird Sdie Vergleichssaite des Messgerätes mit 11, der elektromagnetische Erreger der Vergleichssaite mit 12, der elektromagnetische Abtaster (Geber) der Vergleichssaite mit 13, der Spannhebel der Vergleichssaite mit 14, die Mikrometerschraube mit 15, die Messsaite mit 21, der elektromagnetische Erreger der Messsaite mit 23, der elektromagnetische Abtaster (Geber) der Messsaite mit 22, die Verstärker mit 24, 31, 32, der Verformungskreis mit 33, 34, der Koinzidenzkreis mit 35, der Integrator mit 36, der Steuerschalter mit 37, das elektromagnetisch gesteuerte Wechselgetriebe mit 5, das Registrierwerk eventuell der Digital-Lage-Umsetzer mit 6 und der Motor mit 4 bezeichnet.
Die Elemente 21, 22, 23, 24 bilden den durch die Messsaite gesteuerten Frequenzgenerator 2. Die Blöcke 31, 32, 33, 34, 35 und 37 bilden den Phasendetektor 3.
Beim Messen nach dem erfindungsgemässen Prinzip wird die Frequenz der Vergleichssaite 11 mechanisch abgestimmt. Die durch den Motor 4 über das elektro magnetisch gesteuerte Wechselgetriebe 5 angetriebene Mikrometerschraube 15 wirkt auf den Spannhebel 14.
Mit dem Antrieb der Mikrometerschraube 15 ist das Registrierwerk 6 mechanisch verbunden, das die gemessene, der Verformung der Vergleichssaite proportionale Angabe registriert. Der Abstimmungsbereich deckt den ganzen erforderlichen Messbereich. Während der Abstimmung wird die Vergleichssaite 11 elektromagnetisch durch die konstante Frequenz der Mess- saite derart erregt, dass sie erzwungen mit einer sehr kleinen Amplitude schwingt. Der Phasendetektor 3 vergleicht die Phase des Erregerstromes des Erregers 12 mit der Phase der induzierten Spannung des Abtasters (Gebers) 13. Ausserhalb der Resonanz ist der Phasenunterschied dieser zwei Signale positiv oder negativ, aber er überschreitet nicht t 900.
Im Moment der Resonanz, wenn die Frequenz der beiden Saiten gleich ist, wird die gegenseitige Phasenverschiebung der beiden angeführten Signale Null unter der Voraussetzung des genügend langsamen quasi stationären Durchganges durch die Resonanz. Das harmonische Signal des Erregers 12 und des Abtasters (Gebers) 13 wird in den Verstärkern 31, 32 auf den erforderlichen Pegel verstärkt und in den Verformungskreisen 34, 33 in das diskrete Signal in Form von Impulsen mit der Periode, die gleich der Periode der beiden harmonischen Signale ist, umgewandelt. Diese so verformten Signale werden dem Koinzidenzkreise 35 in der Form des logischen Produktes zugeführt. In der Resonanz, das heisst bei Phasenverschiebung Null der beiden Ein gangssignale, erscheinen am Ausgange des logischen Produktes die Impulse mit gleicher Periode.
Nach der Integration der gewählten Anzahl von Produktimpulsen wird der Steuerschalter 37 eingeschaltet. Der zwischen den Koinzidenzkreis und den Steuerschalter eingeschaltete Integrator 36 vermeidet eine irrtümliche Anzeige der Resonanz, die leicht durch elektrische, in den Koinzidenzkreis 35 eingedrungene Störungen entstehen könnte.
Das Signal kommt in den Koinzidenzkreis aus dem Errelger 12 über die Blöcke 31 und 33 in ununterbrochener Folge, während das Signal des Abtasters (Gebers) 13 nur in der Resonanznähe (Umgebung) in Erschei- nung tritt. Diese Ausführung des Phasendetektors ermöglicht eine absolut genaue Anzeige der Resonanz ohne Rücksicht auf den Pegel der elektrischen, aus dem Speisenetz oder aus der Leitung der Messsaite in das Gerät eindringenden Störungen. Die Genauigkeit der Resonanzanzeige wird nicht einmal durch die bedeutenden Spannungsschwankungen der Speisequellen der elektrischen, den Phasendetektor bildenden Blöcke beeinflusst. Im Moment der Resonanz gibt der Schalter 37 des Phasendetektors 3 den Befehl an das elektromagnetisch gesteuerte Getriebe 5 und an das Registrierwerk 6.
Dadurch wird die weitere Abstimmung der Saite eingestellt und die augenblickliche Lage des Spannwerkes der Vergleichs saite registriert. Dazu dient das Registrierwerk 6, das ein graphischer Anzeiger oder ein Digital-Lage-Umsetzer sein kann. Nach der erfolgten Registrierung der Messung kehrt der Mechanismus in die Ausgangslage zurück, und der Abstimmungszyklus und die Resonanzanzeige kann wiederholt werden.