Die Erfindung ist ein Sch'.vingsaitenv/andler zur Messung mechanischer Versetzungen, der eine an beiden Ξnden befe¬ stigte, mit einer gegebenen Kraft ges-pannte elektrisch leitende Saite enthält. Zur Messung mechanischer Versetzungen sind viele Lösungen bekannt. Eine umfassende 'übersieht über solche Lösungen ist in Buch von H. F. Grave mit dem Titel "Ξlektrische Messung von nicht elektrischen Grossen" /Müszaki Könyvkiadό, Budapest, 1953/ gegeben. In diesem Buch wird auf den Seiten 220-229 anhand der Ab¬ bildungen 224 und 225 eine Lösung zur Messung der öaiton- auαdεhnung erläutert. Bei dieser Lösung wurden beide Enden einer 3tahlsaite in einem Metallblock befestigt, und der

mittlere Bereich der Saite steht mit einem Elektromagneten /Eisenkernspule/ in magnetischer Kopplung. Die Sefestiguπgs- vorrichtung des einen Endes der Mess-saite folgt der.zu messenden Versetzung, so dass die Spannung der Saite von der zu messenden Versetzung abhängt.

Zur Messung wurde auch eine andere Saite ähnlicher Form als Referenz verwandt, deren Ende mit einer bekannten und einer variablen Kraft belastet werden kann. Vor Beginn der Messung wird die gleiche Resonanzfrequenz von Hess- und Refe- renzsaite auf die V/eise eingestellt, dass abwechselnd ein Oszillator an die eine und die andere Saite angeschlossen und am Oszillographen die Lossajous-Kurve beobachtet wird. Im Verlaufe der Messung verändert sich die Resonanzfrequenz der Mess-saite durch die Versetzung, wobei die belastende Kraft der Referenzsaite in solchem Masse verändert- ird, dass wieder Frequenzgleichheit besteht. Die Änderung der Spannkraft der Referenzsaite ist proportional mit der zu messenden Versetzung. ^l .Vie aus dem vorher Beschriebenen festgestellt werden kann, ist diese Messung umständlich und für dynamische Untersuchungen nicht geeignet. Grundsätz- ^" liehe Schwierigkeit bedeutet der Umstand, dass die zwei Enden der Schwingsaite durch die Befestiguπgsvorrichtung miteinander in elektrischer Verbindung stehen, so dass sich im Magnetfeld mit der Saite eine Kurzschluss-schleife er- gibt, wodurch. die Schwingungen der Saite gedämpft bzw. de¬ ren Gütefaktor verschlechtert werden.

Ein anderes grundsätzliches Problem ergibt sich daraus, dass die 3aite aus magnεtisierbarem Material gefertigt werden muss, damit, der Elektromagnet deren Versetzung erfassen kann. Die Saite spielt bei der Gchwingungserzeugung eine passive Rolle.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Vervollkommnung de r seit lanreπ bekannten, aber wegen ihrer Umstände und erwähnten

Nachteile für eine ausgedehnte Anwendung als ungeeignet erwiesenen Methode und die Schaffung eines solchen Schwing¬ saitenwandlers, dessen Anwendung auch für einfache und dynamische Messungen geeignet ist. 5 Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es nicht notwendig ist, die gespannte Saite mit einen Elektromagneten zu induzieren, sondern dass sie - in einem homogenen Magnet¬ feld angebracht - auch selber einen elektrischen Schwing¬ kreis darstellt, der beim Ersatz von Verlusten an der Re- 0 sonanz requenz der Saite Schwingungen verursacht. ^' .7enn die zwei Enden der Saite elektrisch' voneinander getrennt werden, stellen die beiden Enden die zwei Endpunkte des Schwingkrei¬ ses dar, und die vorherige störende Wirkung de r Kurzschluss¬ schleife kommt nicht mehr zur Geltung.- 5 Das Material der Saite des auf diese '.Veise erstellten Schwing kreises muss nicht magnetisierbar sein, und zur Absicherung des grösseren Gütefaktors kann saitenweise Wolfram- und Molibdendraht verwandt werden. Zum Ersatz der Verluste kann ein Konverter mit negativem 0 Widerstand verwendet werden, der, zusammen mit der Schleife in Oszillatorschaltung vorhanden ist. Die Frequenz des Oszillators isst ein frequenzmessender Stromkreis, der un¬ mittelbar nach der zu messenden ^' Versetzung oder nach einer sonstigen nicht elektrischen Grosse entsprechend geeicht 5 ist. ^~

Bei einer vorteilhaften Ausführungsgestalt des erfindungs- gemässen Schwingsaitenwandlers ist die Saite in einem Rohr aus nicht magnetischem Material untergebracht, an dessen einem Ende sich eine vom Rohr isolierte Saitenspannvorrich- C tunc befindet, am anderen Ende ist die Saite jedoch fest oder mit einer längs- bzw. gewinde ässigen Versetzung zu¬ lassenden Verbindung am Rohr befestigt.

Zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist es zweck ässig, wenn sowohl das Material des Beiestigungselementes der Spann¬ vorrichtung /das vorteilhafterweise als Halte oder Ver- schlussεlement ausgebildet werden kann/ für die Saite als auch dessen Länge derart gewählt werden, dass die lineare thermische Ausdehnung der Saite kompensiert wird. Die Anwendung wird dadurch erleichtert, wenn der Wandler ein Rohr mit Cuerprofil aufweist, das an die zu messende Oberflache geklebt werden kann. Für die Erfüllung von mehreren ^" Messaufgaben ist de r Konstruk¬ tionsaufbau vorteilhaft, bei dem das aussere Halteelement mit einem Befestigungsflansch versehen ist, der an der be¬ züglich der isolierten Spannvorrichtung gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, und an dem im Vergleich zu der dem Halteelement gegenüberliegenden Seite des Flansches über ein Lager ein Spannarm angeordnet ist, der starr mit der Saite verbunden ist und an einem Ende des Spannarmes ein Spannelement angeschlossen ist. ^' Besonders zur Messung des Flüssigkeitsniveaus ist es vor- teilhaft, wenn an der Seite des Spannarmes, die gegenüber der Saite liegt, ein Gewicht angeschlossen ist und eine lineare Charakteristik erreicht werden kann, wenn das Ge¬ wicht in der verlängerten Linie der Saite am Spannarm auf¬ gehängt ist und eine Rotationsparaboloidfor aufweist. Die Anwendung des erfindungsgemassen Wandlers mit Schwing¬ saite ist wirklich einfach,und er verfügt über eine derart grosse Genauigkeit, dass auch relative Versetzungen in der Grössenordnung'von 1C~ gemessen -werden können, und durch dessen Konstruktionsoufbau ist der Wandler zur Durchführung sowohl von statischen als auch dynamischen Messungen ge¬ eignet.

Im Weiteren wird der erfindungsgemässe Schwingsaitenwandler anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung ausführ¬ lich erläutert. In der Zeichnung ist in

Abb. 1 die grundsätzliche Anordπungsskizze des erfindungs- gemässen Schwingsaitenwandlers,

Abb. 2 die Blockskizze des Stromkreises, der im erfindungs¬ gemassen Schwingsaitenwαndler enthalten ist,

Abb. 3 die Vorderansicht der ersten Ausführungsgestalt des erfindungsgemassen Schwingsaitenwandlers, Abb. 4 die Seitenansicht des in der Abb. 3 skizzierten Wandlers in querschnittlichsr Darstellung,

Abb. 5 der ^' .uerschnitt entlang der Linie V-V. der Abb. 3,

Abb. 6 der Querschnitt einer weiteren Ausführungsgestalt des erfindungsgemassen Schwingsaitenwandlers und Abb. 7 der Querschnitt entlang der Linie- VI-VI der Abb. 5 ersichtlich.

In der Abb. 1 wurde die grundsätzliche Anordnungsskizze des erfindungsgemassen Schwingsaitenwandlers veranschaulicht.

Die Mitte der an beiden Enden verspannten Saite 1 befindet sich in einem homogenen magnetischen Feld, das- durch einen Dauermagneten 2 hervorgerufen wird. Die Saite 1 wird an bei¬ den ^' Enden derart starr befestigt, dass auf sie eine Spann¬ kraft einstellbarer Grosse wirkt. Die beiden Befestigungspunkte sind elektrisch voneinander isoliert, an die sich elektrische Leitungen anschliessen, deren Enden als Klemmen 3 des ./andlers betrachtet werden können. In der Abb. 1 wurde das verein achte Ersatzschalt¬ bild άe z ..αnαlers arid dessen Kennzeichnung aufgeführt. Die Saite 1 besteht zweckmassicer.voise aus einem nicht ag- netioierbrren Material hoher Festigkeit,- vorteilhaft z. D. aus . ^' n rr _; rι-!r?.ht mit einem Durchmesser von o,l mm, , us dem ist ersichtlich, cssε die !;cπv;ing.~?ite o ns-i - ii oπ .'icerctαπd in i-αr l- ".alschrI un ^~ o s3rie .

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Fig. 2 stellt das Blockschaltbild einer Anordnung zum Ab¬ fühlen der Signale des Wandlers nach Fig. 1 dar. In der Skizze a ist der Wandler 4 über einen Transformator 5 für Impedaπzanpassung an einen Konverter mit negativer I pe- danz angeschlossen, der aus einem Operationsverstärker 5, Rückkopplungswiderständen 7 und S und aus einem Element mit nichtlinearer Kennlinie, z. B. Glühlampe 9, gebildet wird. Wie bekannt, .funktionieren die mit nichtlinearen Elementen versehenen Konverter negativer Impedanz als Oszillatoren, wenn sie an einem gedämpften Schwingkreis angeschlossen sind, falls die Grosse des negativen Widerstandes zur Kom¬ pensation der Verluste des Schwingkreises imstande ist, Fig. 2 b- zeigt den Konverter negativen ^" Widerstandes 10 in einem- it dem Wandler 4 verbundenen Zustand. Diese Anordnung erzeugt an ihrem Ausgang sinusförmige Sig¬ nale konstanter Amplitude, wobei die Schwingfrequenz durch die Gleichu

bestimmt wir . In der 1 ist t di we Lä ^" ng_e der Saite 1, ist die relative Ausdehnung der Saite 1, Ξ ist das Elastizitätsmodul des Saitenmatsrials und ist ein Materialkoeff zient .-

Die relative Ausdehnung wird durch die auf die Saite 1 wirkende Kraft F verursacht, wodurch zwischen der auf der Saite wirkenden Kraft F und der Schwingfrequenz f die Gleichung: f = k " ^"* [2 ) besteht.

Ferner wird auf die Fig. 3-5 Bezug genommen, worin eine vorteilhafte Ausführungsform des Wandlers 4 dargestellt ist. Oer Wandler 4 wurde in einem Aluminiunrohr recht¬ eckigen Querschnittes verwirklicht, dessen Ende durch einen an das Innere des Rohres 11 angepassten Metallverschluss verschlossen ist, an em das unters Ende der Saite starr

befestigt ist. An dem anderen Ende des Rohres 11 ist ein Kunststoffhalter 13 angeschlossen, der das Rohr 11 dicht verschliesst und dessen inerer Aufbau auf der Zeichnung gut dargestellt ist. Der Halter 13 besteht aus zwei Teilen, die eine innere Bohrung aufweisen, und in der Bohrung wird eine Gewindespindel 14 geführt und durch eine Mutter 15 befestigt. Die Spindel 14 und die Mutter 15 dient nicht nur zum Zusammenhalten der beiden Hälften des Halters 13, sondern gleichzeitig zum Überführen der Saite 1. In dem Inneren des Halters 13 wird für die Saite 1 ein Nut IS und ein den Nut überbrückenden Zapfen 17 zum Führen der Saite angeordnet /Fig. 4/. Das andere Ende der Saite 1 kann auf der Spindel 14 befestigt, oder zwischen den Hälften des Halters herausgeführt werden.

Bei der Ausführungsform, worin die Saite zur Spindel 14 befestigt wird, wird der elektrische Anschluss vom Rohr 11 und der Spindel 14 gebildet. Im Inneren des Rohres 11 ist etwa im Mittelbereich ein magnetischer Pol 18 angeordnet, ■ der auf Ouerschnittdarstellung von Fig. 5 ersichtlich ist, und der Pol 13 besteht aus einem Polkörpe.r 19 von magneti- sierbarem Material sowie aus zwei festen Magneten 20,21, zwischen denen ein Luftspalt mit geeigneter Sreite für die Saite 1 ausgebildet ist. Das magnetische Feld und der Luftspalt sind homogen, und die Richtung des Feldes ist quer zu-r Saite 1.

Unter geeigneter Auswahl der Materialien hat der Wandler 4 nach Fig. 3-5 einen thermoko pensierten Aufbau, dessen Be¬ dingung ist, dass der Wärmeausdehnungskoe fizient des Rohras 11 denselben der Saite 1 überschreitet, ferner dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kunststoffhalters 13 wesentlich grössor als derselbe des Materials des Rohres 11 wird. Da der Halter 13 durch Kleben oder eine andere un¬ lösbare Sindung am Ende des Rohres 11 fest verbunden ist,

vermindert die Wa ^' rneausdehnung im Abschnitt zwischen dem Ende des Rohras 11 und dem dos obere Ende der Sai ^' te 1 ab¬ stützenden Zapfens 14 die Spannkraft der Saite 1. Bei ge¬ eigneter Auswahl de r Abmessungen können derartige Sedin- gungen geschaffen werden, wobei die auf die Saite 1 wir¬ kende und durch die Spindel 14 einstellbare Spannkraft von der Temperatur unabhängig unverändert bleibt. Bezugnehmend auf die Figuren δ und 7 wird eine andere Aus¬ führungsform des Wandlers 4- dargestellt. Dieser Wandler verfügt über einen ousseren Schalter 12 aus einem Rohr rund- för igen Querschnittes, dessen oberes Ende mit einem Kunst- stoffverschlussele ent 23 verschlossen ist und in der Mitte des Verschlussele entss eine Saitenspaπnvorrichtung mit Ge¬ windespindel 24- angeordnet ist. Die Vorrichtung dient für die Befestigung des oberen Endes -der Saite und für deren elektrischen Aπschluss. Im Inneren ^' des äusseren Halters 22 ist etwa in mittlerer Höhe ein magnetischer Pol 25 ausgebil¬ det, der - wie auf Fig. 7 dargestellt ist - aus einem Pol¬ körper 26, zwei festen Magneten 27,28 sowie einem diese Elemente abstützenden Kunststoffeinsatz 29 besteht. Die

Saite 1 wird in der Mitte in einem zwischen den festen Mag¬ neten 27,23 gebildeten Luftspalt herausgeführt. Am unteren Ende des ä ^' usseren Rohres 22 ist ein derartiger Flansch 30 ausgebildet, der die dichte Anordnung des 'Wandlers 4 in einer kreisförmigen Öffnung ermöglicht. Unter dem

Flansch 30 ist ein Spannarm 32 angeordnet, der durch Lager 31 festgehalten ist. Die Saite ist derart durch den Spannarm 32 herausgeführt, dass sie damit auch starr verbunden ist. An der Seite des Flansches 30, die gegenüber dem Lager 31 liegt, ist ein als Schraube heraus ebildetes Spannels ent 33 ange-

ordnet, dessen unteres Ende den Spannarm 32 drückt. Das Spaπnele ent 33 ermöglicht die Einstellung der Grundvor¬ spannung der Saite.

Der hier dargestellte Wandler 4 kann in erster Linie zum Messen von Flüssigkeitniveaus angewendet werden. Die den äusseren Halter 23 festhaltende Konstruktionseinheit ist im allgemeinen aus einem Flüssigkeitsbehälter gebildet, worin sich das Flüssigkeitsniveau ändern kann. Auf dem Ab¬ schnitt der Saite 1, der unter den Spannarm 32 liegt, ist ein Gewicht 34 aufgehängt. Es ist zweckmässig, wenn das

Gewicht 34 eine Rotationsparaboloidfor aufweist, weil die¬ se Ausbildung - wie später erläutert wird - ermöglicht, dass die Ausgangsfrequenz des Wandlers 4 mit dem Flüssig¬ keitsniveau linear geändert wird. Das obere Ende des Wandlers 4 nach Fig. 6 und 7 sowie- des¬ selben nach Fig. 3-5 ist hermetisch /dicht/ geschlossen ausgebildet, und die Magnetpole 13 und 25 sind durch Silikon gummi gedämpft im Inneren des Rohres angeordnet, wodurch die eventuellen mechanischen Schwingungen des Rohres keinen nachweisbaren Effekt auf die Saite 1 ausüben können.

Zum Veranschaulichen einer bevorzugten Abmessung sei er¬ wähnt, dass das Länge-Durchmesser-Verhältnis der Saite 1 zweckmässigerweise zwischen 500 und 1500 liegt, was bei dem Aasführungsbeispiel nach Fig. 6-7 eine Lange von 110 mm und' einen Durchmesser von 0,1 mm bedeutet. Der messbare Kraftbereich liegt zwischen 0,5 N und 100 N, wobei die Frequenz zwischen 350 Hz und 3-4 kHz liegt. Die Lange des magnetischen Feldes kann etwa 10-20 de r Saitenlänge be¬ tragen. Die Funktion des erfindungsgemassen Wandlers 4 wird anhand von einigen Anwendungsmöglic'nkeiten erläutert..

Der, Wandler 4 nach Fig. 3-5 kann als ein Messpatron aus¬ gebildet werden und ist zum Messen von verschiedenen De¬ formationen, d. h. Ausknickungen, Durchbiegungen, Verset¬ zungen sowie zu Gewichtsmessungen geeignet. Die Anwendung 5 in Form von einem Messpatron bedeutet, dass das Rohr 11 des vollkommen geschlossenen Wandlers 4 durch Kleben oder eine andere feste Bindung auf dem zu messenden Körper be¬ festigt werden uss. Die Anordnung des Messpatroπs kann wie dieselbe des Deh- C nungs ess-streifens erfolgen, und in einer auf die Meutral¬ linie des zu messenden Körpers symetrischen Anordnung kön¬ nen auch mehrere Messpatrone gleichzeitig angewendet werden. Bei der Anordnung von mehreren Messpatronen kann die Grosse der Deformation entsprechend dem Differenzialmessprinzip 5 mit sehr grosser Genauigkeit gemessen werden, da der Fre- queπzunterschied der im Vergleich zu der Meutrallinie symae- trisch gegenüberliegend angeordneten Wandler mit grosser Genauigkeit mit der Deformationsgrösss identisch ist /falls die Frequenz der unbelasteten Wandler die gleiche ist/. Zur 0 vorzeicheπrichtigen Freςuenzmessung sind schon Meosmethoden bekannt, und jeder derartige Messer kann an den Oszillato¬ ren der betreffenden Wandler angeschlossen werden.

Die Messgenauigkeit Ist so hoch, dass selbst.-eine relative

_7 Versetzung in der Grδssenordnung von 10 gemessen werαen 5 kann. Diese Messgenauigkeit ermöglicht z. 3. das Messen des Lastengewichtes von Kraftfahrzeugen unter Verwendung von auf dem Fahrgestell angeordneten Wandlern. Die Deforma¬ tion des Fahrgestelles ist nämlich von dem Lastεngewicht abhängig. 0 Dei de r Anordnung nach Fig. 5- und 7 wirkt auf dem Gewicht 34 eine Antriebskra t, d.le zu de r Höhe des Flüssigkeits-

niveaus proportional ist. Von der Grosse der Auftriebskraf abhängig ändert sich die auf die Saite 1 wirkende Spann¬ kraft. In Betracht der Tatsache, dass sich die Frequenz mit der Quadratwurzel der Spannkraft ά ^' ndert., ferner dass sich die im Behälter befindliche Flüssigkeit linear mit dem Flüssigkeitsniveau ändert, kann eingesehen werden, dass die Abhängigkeit zwischen dem Flüssigkeitsniveau /der Flüs¬ sigkeitsmenge/ und der Frequenz linear wird, falls sich die auf das Gewicht 34 wirkende Auftriebskraf quadratisch mit dem Flüssigkeitsniveau ändert, d. h. das Gewicht 34 eine Rotationsparaboloidform au weis .

Die Konstruktionslösung nach Fig. 5 und 7 ist nicht nur zum Messen von Flüss-igkeitsniveaus, sondern auch zu beliebigen Kraft- oder Drehmomentmessungen geeignet. Die Mess öglich- keiten sind dadurch erweitert, dass sich die Schwingfrequenz der Saite 1 auch mit deren Verdrehung ändert, und nach dem oben geschilderten Prinzipien kann auch ein Verdrehungsmesser konstruiert werden, z. B. wenn ein Ende der Saite um deren Achse gelagert befestigt wird. Zu der thermisch ko pensier- ten Ausführung des Wandlers nach δ und 7 ist erforderlich, dass das obere Ende des Verschlusselementes 23 starr auf dem Ende des Halters 22 befestigt und ^' die Saitenspannvor- richtung 24 an das innere Ende des Verschlusselementes 23 angeschlossen werden. Die Thermokompensation kann durch die geeignete Wahl des Materials des Verschlusselementes 23 und durch die richtige Bemessung der Entfernung zwischen den beiden Abstützpunkten gesichert werden.

Die erfindungsgemässe Lösung ist zur Durchführung nicht nur statischer, sondern auch dynamischer Messungen geeignet, da die Frequenz de r schwingenden Saite 1 deren Versetzung so¬ fort folgt.

Bei der Durchführung der erfindungsgemassen Messungen muss die Frequenz des an den Wandler- angeschlossenen Konverters negativer Impedanz 10, der als Oszillator funktioniert, ge¬ messen werden. Für Frequenzmessungen sind schon zahlreiche genaue analoge und digitale Lösungen bekannt. Aus diesen Lösungen ist die Verwendung eines Frequenzmessers vorteil¬ haft, de r auf Grund des Freςuenzzahlprinzipes funktioniert, da dieser ein mit de r zu messenden Frequenz proportionales Gleichsoannunrssignal lie ert. Bei Frscuenz nterschiedsmessungsn ist es vorteilhaft, die

Signals de r ewe ligen Oszillatoren an einem Multlpli ations- detsktor anzuschliessen, dessen Λusgang-sspannun vorzoiehon- richtlg den Frsquenzuπterschied wiedergibt. Die unerwünsch¬ ten Hochfrequenzkomponenten können durch einen Tiefpassfil- ter ausgefiltert werden.

Die modernsten und genausten Messungen können unter Verwen¬ dung der Lösungen der Digitalmesstechnik erreicht werden. Bei einer derartigen Lösung werden in vorbestimmten Probeentnahme¬ zeitabschnitten vorgegebene Gatter geöffnet, und es wird ge- zählt, wieviel Perioden des Gszillatorsignales /oder dessen bestimmter Anteil/ wahrend der üffnun sperlode des Gotters erfolgt. Der auf diese Weise erhaltene numerische Wert kann als Adresse eines nur lesbaren Speichers angewendet werden, und es ist zweckmässig, wenn In den leweiligen Speicher- adressen die entsprechenden Frequsn∑werte oder die zu messen¬ den Grossen gespeichert sind.

Bei derartigen Msssunαen liefert die Messanordnung ύnmittel- ba r die zu bestimmende Grösss, wobei der Messbereich durch die Änderung dor Dauer der Zeitabschnitte und/oder des Tei- lunasver bltnisses σenndert werden kann.