Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schwingbrücke für einen Schwingsaitensensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und einen Schwingsaitensensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 13 und 14.

Schwingsaitensensoren sind bekannt und werden auf breiter Basis für viele messtechnische Anwendungen verwendet. Dem Grundprinzip nach weist ein Schwingsaitensensor eine Me chanik auf, in der eine Schwingsaite aufgespannt ist, wobei die Spannung der Schwingsaite durch eine elastische Deformation der Mechanik erzeugt wird.

Die Mechanik wiederum kann bestimmungsgemäss an zwei Messpunkten an einem Bauteil irgendwelcher Art oder an einem Maschinenelement angeordnet werden und so dessen De formation aufgrund der gegenseitigen Verschiebung der Messpunkte abnehmen. Dieser De formationsweg bewirkt eine elastische Deformation der Mechanik des Schwingsaitensensors, welche dadurch wiederum eine veränderte Spannung in der Schwingsaite bewirkt. Mit der ver änderten Spannung ändert sich die Resonanzfrequenz der im Betrieb durch eine Anregerano rdnung in Schwingung versetzten Schwingsaite, was wiederum durch eine Auswertungsanord nung erkannt werden kann. Damit entspricht eine bestimmte Resonanzfrequenz der Schwingsaite einer bestimmten Verschiebung der Messpunkte.

Dem Fachmann ist bekannt, dass der Schwingsaitensensor so aufgrund des hohen Q-Faktors bzw. der hohen Güte der Schwingsaite zur präzisen Wegmessung im Bereich von Mikrometern oder bis hin zu Nanometern eingesetzt werden kann. Ebenso ist bekannt, dass auch eine Kraft messung erfolgen kann, indem die auf die Mechanik wirkende Kraft bestimmt wird, da für eine bestimmte elastische Deformation der Mechanik eine bestimmte Kraft benötigt wird. Der Q- Faktor bzw. die Güte ist ein Mass für die Dämpfung bzw. den Energieverlust eines zu Schwin gungen fähigen Systems. Ein hoher Q-Faktor besagt, dass das System - hier die Schwingsaite - schwach gedämpft ist, damit eine hohe Amplitude im Resonanzbereich aufweist, wodurch die ser scharf abgrenzbar ist. Schwingsaitensensoren sind entsprechend präziser als beispielsweise Dehnmessstreifen, und weisen diesen gegenüber eine höhere Auflösung und ein geringeres Kriechverhalten auf. Um gekehrt sind aber Schwingsaitensensoren vergleichsweise gross und bestehen aus vielen Bau elementen; zusätzlich nehmen sie im Betrieb eine vergleichsweise grosse elektrische Leistung auf. Insbesondere besitzen auf magnetischer Erregung einer Schwingsaite basierende Schwingsaitensensoren eine vergleichsweise viel Energie konsumierende, aufwendige und vo luminöse Baugruppe zur Erzeugung des dazu notwendigen Magnetfelds.

Deshalb liegt ein besonderer Fokus auf Schwingsaitensensoren mit metallischen Schwingbrü cken, die zwar streng genommen keine (mehr oder weniger) flexible Schwingsaite besitzen mögen, sondern einen federelastischen Schwinger mit höherer Federkonstante, die aber auf grund des grundlegenden Funktionsprinzips der Resonanzanregung vorliegend zu der Gattung der Schwingsaitensensoren gezählt werden.

Schwingbrücken weisen beispielsweise an Stelle einer an beiden Enden eingespannten Schwingsaite einen oder mehrere endseitig eingespannte, nebeneinanderliegende Schwing balken auf, die gegenphasig schwingen, so dass im Betrieb der Schwerpunkt der Schwingbrü cke selbst mit Vorteil kaum schwingt, was wiederum zu einer geringeren elektrischen Leis tungsaufnahme führt.

Neben anderen Anregungsmethoden für die Schwingbalken sind auf diesem angeordnete Piezo-Aktoren bekannt geworden. Jedoch hat es sich gezeigt, dass durch das Aufbringen von Piezokeramiken auf den Schwingbalken Störfaktoren in das Verhalten der Schwingbrücken ge bracht werden, die neben weiteren Nachteilen zu ungenauen Messwerten (für Weg/Kraft) und vor allem zu einer Drift der Messwerte über die Zeit führen, so dass die charakteristischen Vorteile der Schwingsaitensensoren erheblich vermindert werden bzw. verloren gehen. Gründe dafür können gesehen werden im Einsatz von Bauteilen und Montagematerialien auf einem Schwingbalken, da diese der Masseänderung durch Wasseraufnahme oder Ausgasung, der Elastizitätsänderung durch Temperatur oder Alterung unterliegen, was das Resonanzver halten des Schwingbalkens ändert, und schliesslich auch eine unerwünschte, die Resonanzfre quenz beeinflussende Versteifung des Schwingbalkens bewirken können.

Die CA 2 619 996 offenbart nun eine Schwingbrücke für einen Schwingsaitensensor mit drei nebeneinanderliegenden Schwingbalken, die durch einen Piezo-Aktor angeregt werden, wobei weitere Piezo-Sensoren die aktuelle Frequenz der Schwingbalken abnehmen. Alle Piezo-Ele- mente sind ausserhalb der Schwingbalken in der Nähe der Einspannstellen der Schwingbrücke angeordnet, wodurch die oben erwähnten Nachteile behoben sind, so dass genaue Messwerte zu erwarten sind. Allerdings führt diese Anordnung wiederum zu andern Nachteilen, welche die bei Schwingsaitensensoren an sich mögliche genaue Messung bzw. Messpräzision erheb lich verschlechtern.

Einer dieser Nachteile besteht in der Anordnung von zwei piezoelektrischen Elementen als Schwingungserreger und Schwingungsdetektor direkt nebeneinander, so dass ein zusätzliches piezoelektrisches Element als zweiter Schwingungsdetektor vorgesehen werden muss, damit ein Differenzsignal der beiden Schwingungsdetektoren gebildet werden kann, dass doppelt so stark und ist wie das Signal nur eines Schwingungsdetektors und damit für die weitere Verar beitung durch eine Auswertelektronik erst geeignet ist und weniger Fehler erzeugt.

Andere Nachteile werden nach den Erkenntnissen der Anmelderin beispielsweise dadurch ver ursacht, dass bei der offenbarten Anordnung der piezoelektrischen Elemente wohl starke Oberschwingungen in den Schwingbalken entstehen, und kinetische Energie direkt vom Erre ger- zum Detektorelement oder in die Einspannstellen der Schwingbrücke fliesst. Andere Ur sachen für das ungünstige Verhalten der offenbarten Anordnung sind unklar geblieben.

Damit ist es trotz der auf diese Weise an sich möglichen Anordnung von piezoelektrischen Ele menten immer noch so, dass die Messpräzision der in der CA 2 619 996 offenbarten Schwing brücke die bei Schwingsaitensensoren mögliche Qualität nicht erreicht, obschon die kritische Anordnung der Piezo-Elemente auf den Schwingbalken vermieden wird.

Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schwingbrücke bzw. einen Schwingsaitensensor bereit zu stellen, die eine hohe und konstante Messpräzision erreichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Schwingbrücke mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch einen Schwingsaitensensor mit den Merkmalen der Ansprüche 13 und 14 gelöst.

Dadurch, dass einer der Schwinger frei ist von einem Erregerelement oder Schwingungsdetek tor, kann dieser als Resonanz-Schwinger eingesetzt werden, dessen Resonanzeigenschaften unbeeinflusst sind, der deshalb einen hohen Q-Faktor besitzt und so eine optimale Messpräzi sion grundsätzlich erlaubt. Durch die Anordnung des Schwingungserregerelements auf einem weiteren Schwinger, der als Erreger-Schwinger wirkt, ergibt sich trotz des voraussehbar nega tiv beeinflussten Schwingungsverhaltens des Erreger-Schwingers überraschenderweise kein negativer Einfluss auf die Anregung und das Resonanzverhalten des Resonanz-Schwingers selbst. Dasselbe gilt - ebenso überraschend - auch für die Anordnung eines Schwingungsdetek torelements auf einem Detektor-Schwinger. Im Ergebnis kann durch eine erfindungsgemässe Schwingbrücke die von Schwingsaitensensoren grundsätzlich erreichbare höchste Messpräzi sion erreicht werden, wobei auch eine Drift der Messwerte entfällt.

Über die gestellte Aufgabe hinaus kann durch eine Anregungsanordnung nach Anspruch 14 der zeitliche Abstand einzelner Messungen verkürzt werden, da ein repetitiver Frequenzsuchlauf für die jeweilige Resonanzfrequenz überwiegend entfällt.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren noch etwas näher beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schwingbrücke,

Figur 2 schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schwingbücke,

Figur 3 schematisch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schwingbrücke, und

Figur 4 schematisch Diagramm zu einem Schwingsaitensensor mit einer Ausführungsform ei ner erfindungsgemässen Schwingbücke, die einen Schwingungserreger und einen Schwin gungsdetektor mit abweichenden Resonanzfrequenzen aufweist.

Figur 1 zeigt schematisch einen Schwingsaitensensor 1 mit Anschlussstellen la und lb für seine Festlegung an Messpunkten eines Bauteils oder Maschinenteils beliebiger Art. Weiter ist der Schwingsaitensensor 1 mit einer Schwingbrücke 2 und und einer elektronischen Anregerano rdnung 3 für ein hier als piezoelektrischen Aktor 4 ausgebildetes Schwingungserregerelement versehen, wobei der Aktor 4 mit der Anregeranordnung 3 über Leitungen 5,6 verbunden ist.

Die Schwingbrücke 2 weist in der gezeigten Ausführungsform einen als Erregerschwinger 7 und einen als Resonanzschwinger 8 ausgebildeten Schwinger in der Form von im Querschnitt bei spielsweise rechteckigen Schwingbalken auf. Mit diesen einstückig verbunden ist ein linker 10 und rechter Basisabschnitt 11 der Schwingbrücke 2, zwischen denen sich der Erregerschwinger 7 und der Resonanzschwinger 8 erstrecken. In jedem Basisabschnitt 10,11 ist eine Einspann stelle 12,13 für die Einspannung der Schwingbrücke 2 in eine zur Entlastung der Figur nicht dargestellte, aber dem Fachmann grundsätzlich bekannte Mechanik des Schwingsaitensensors 1 vorgesehen. Über die Basisbereiche 10,11 sind damit der Erregerschwinger 7 sowie der Re sonanzschwinger 8 mechanisch mit den einander gegenüberliegenden Einspannstellen 12,13 verbunden. Der Erregerschwinger 7 und der Resonanzschwinger 8 selbst besitzen grundsätz lich dieselbe Resonanzfrequenz und denselben Q-Faktor, da sie hier (aber nicht notwendiger weise für alle Ausführungsformen) aus demselben Material bestehen; weiter sind sie im Be trieb derselben Zugbeanspruchung ausgesetzt. Der Q-Faktor des Erregerschwingers 7 ist aber durch den auf ihm angebrachten Aktor 4 erheblich vermindert, wobei auch dessen Resonanz frequenz aus den eingangs genannten Gründen einer Drift unterliegt.

Im Betrieb eines Schwingsaitensensors 1 führt die Anregeranordnung 3 einen Frequenzsuch lauf aus, indem sie über die Leitungen 5,6 an den piezoelektrischen Aktor 4 eine Spannung mit in einem vorbestimmten Frequenzintervall laufend wechselnder Frequenz anlegt (das Erreger signal). Der Aktor 4 versetzt dadurch den Erregerschwinger 7 in eine Zwangsschwingung, wo bei diese wiederum über die angrenzenden Bereiche der Basisabschnitte 10,11 den Resonanz schwinger 8 anregt. Dieser gerät dadurch in Resonanz, sobald die von der Anregeranordnung 3 generierte Frequenz bzw. die Frequenz des Erregersignals seiner aktuellen Resonanzfre quenz entspricht, die wiederum durch die momentan von den Einspannstellen 12,13 bewirk ten Zugbeanspruchung des Resonanzschwingers 8 gegeben ist.

Die Anregeranordnung 3 wechselt in der gezeigten Ausführungsform während dem Frequenz suchlauf zyklisch zwischen einer Anregungsphase und einer Detektionsphase, d.h. einer der Anregungsphase nachfolgenden Phase ohne Anregung. In der jeweiligen Detektionsphase klingt die Zwangsschwingung des Erregerschwingers 7 auf grund seiner Dämpfung schnell ab, es sei denn, er wird nun seinerseits durch den Resonanz schwinger 8 (über die angrenzenden Bereiche der Basisabschnitte 10,11) erheblich angeregt, was aber nur dann der Fall ist, wenn sich dieser in Resonanz befindet (und solange dessen Amplitude dafür während einer kurzen Zeit noch gross genug ist, was aber genügend lange der Fall ist). Diese Anregung erzeugt über den Piezoeffekt im Aktor 4 wiederum eine Wechselspan nung, die in der Detektionsphase über die Leitungen 5,6 an der Anregeranordnung 3 anliegt und ein Frequenz- und Amplitudensignal der aktuellen Schwingungsfrequenz des Erreger schwingers 7 darstellt (das Detektorsignal). Durch dieses Detektorsignal wird anhand dessen grosser Amplitude detektiert, dass sich der Resonanzschwinger in Resonanz befindet, und wel ches die Resonanzfrequenz ist.

In der Detektionsphase detektiert damit die Anregeranordnung 3, ob sich der Resonanzschwin ger 8 in Resonanz befindet oder nicht. Ist das der Fall, detektiert sie damit dessen aktuelle Resonanzfrequenz.

Es ergibt sich, dass bevorzugt der Schwingungserreger (bei der gezeigten Ausführungsform aufgrund seiner piezoelektrischen Eigenschaften) auch als Schwingungsdetektor betreibbar ist und wird.

Die Anregeranordnung 3 kann nun durch eine geeignete Oszillationsschaltung weiter derart ausgebildet werden, dass im Fall einer detektierten Resonanzfrequenz des Resonanzschwin gers 8 diese Frequenz für die der Detektionsphase nachfolgende Anregungsphase verwendet wird, so dass der Frequenzsuchlauf unterbrochen ist und der Erregerschwinger 7 fortgesetzt in einer Zwangsschwingung mit der aktuellen Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 8 gehalten wird. Damit wird einerseits die Dämpfung im Resonanzschwinger 8 ausgeglichen, so dass dessen Amplitude nicht abfällt.

Andererseits kann so aber auch eine sich ändernde Resonanzfrequenz verfolgt werden: Ändert sich die Zugbeanspruchung des Resonanzschwingers 8, schwingt dieser spätestens in der da rauffolgenden Phase ohne Anregung aufgrund der in ihm enthaltenen Schwingungsenergie von selbst in der neuen Resonanzfrequenz weiter. Dies trifft dann in dieser Detektionsphase auch (über die angrenzenden Bereiche der Basisabschnitte 10,11) für den Erregerschwinger 7 zu, wobei wiederum die geänderte Frequenz von der Anregeranordnung 3 als neue Resonanz frequenz detektiert wiederum und zur Anregung des Erregerschwingers in der nächsten Phase der Anregung verwendet wird.

Mit dieser Rückkopplung der Resonanzfrequenz kann eine sich verändernde Zugbelastung der Schwingbrücke 2 rasch verfolgt werden - ein zeitintensiver, neuer Frequenzsuchlauf entfällt. Sollte die Änderung der Zugbelastung aber zu abrupt erfolgen, wird keine Resonanzfrequenz mehr detektiert. Der Frequenzsuchlauf kann dann einfach neu gestartet werden.

Es ergibt sich ein Schwingsaitensensor mit einer Schwingbrücke, der bevorzugt eine Anreger anordnung für das Schwingungserregerelement aufweist, die ausgebildet ist, in einer Detekti onsphase des Schwingungserregerelements ein von diesem generiertes, aktuelles Detektions signal zu erkennen. Weiter bevorzugt ist die Anregeranordnung ausgebildet, in einer auf eine Detektionsphase folgenden Anregungsphase des Schwingungserregerelements dieses durch das Erregersignal mit einer Frequenz anzuregen, welche dem von diesem in der vorangehen den Detektionsphase generierten Detektorsignal entspricht.

Dieser Zyklus "anregen/detektieren" der Anregeranordnung 3 wird während den ganzen Fre quenzsuchlauf bevorzugt für jede Suchfrequenz wiederholt. Ebenso der Frequenzsuchlauf als solcher, um eine Resonanz des Resonanzschwingers auch bei stark oder abrupt wechselnder Zugbeanspruchung der Schwingbrücke 2 jeweils festzustellen, wenn durch die Rückkopplung eine geänderte Resonanzfrequenz nicht mehr detektierbar sein sollte.

An Stelle eines Frequenzsuchlaufs ist es auch möglich, als Erregersignal einen einzigen Anre gungsimpuls (Fleaviside-Impuls) auf den Erregerschwingers 7 aufzubringen. In einem Fleavi- side-lmpuls sind alle Frequenzen vertreten. Dadurch wird der Resonanzschwinger 8 in seiner Resonanzfrequenz angeregt, so dass in der nachfolgenden Detektionsphase beispielsweise ein piezoelektrisches Element wie der Aktor 4 das entsprechende Detektorsignal generieren und an die Anregeranordnung 3 übermitteln kann. Dem Fachmann ist es möglich, einem Piezoele- ment über die entsprechende Ausbildung der Elektronik eine Spannungs-Sprungfunktion zu zuleiten, so dass damit ein Fleaviside-Impuls dem Erregerschwinger 7 zugeleitet wird.

Eine zur Entlastung nicht dargestellte, dem Fachmann grundsätzlich bekannte, bevorzugt in der Anregeranordnung 3 vorgesehene Auswerteeinheit des Schwingsaitensensors gibt anhand der detektierten Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 8 einen Messwert für die ge wünschte Kraft-/Wegmessung aus.

Zwar ist es so, dass der Erregerschwinger 7 aufgrund des auf ihm angebrachten piezoelektri schen Elements 4 für eine Resonanzmessung verschlechterte Eigenschaften zu haben scheint, insbesondere den reduzierten Q-Faktor (erhöhte Dämpfung) so dass dessen Resonanzkurve einen breiten Bereich um die Resonanzfrequenz herum noch grosse Amplituden aufweist (im Gegensatz zu bei nur geringer Dämpfung sehr schnell abnehmender Amplitude um die Reso nanzfrequenz herum, wie dies beim Resonanzschwinger der Fall ist) sowie eine Drift der eige nen Resonanzfrequenz aus den eingangs angegebenen Gründen (Änderung der Masse, lokale Versteifung mit ändernden Eigenschaften des Klebstoffes etc.). Durch diese Güteverluste kann der Erregerschwinger 7 auch ausserhalb der Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 8 nennenswerte Amplituden haben, was jedoch aufgrund des hohen Q-Faktors des Resonanz schwingers 8 nicht stört, da dieser ausserhalb seiner Resonanzfrequenz keine nennenswerte Amplitude aufweist, und damit in der Detektionsphase zu wenig Schwingungsenergie besitzt, um den Erregerschwinger 7 für ein Resonanz-Frequenzsignal stark genug anzuregen.

Der reduzierte Q-Faktor des Erregerschwingers 7 kann sich durch einen breiten Bereich mit hoher Amplitude um seine Resonanzfrequenz herum im Gegenteil positiv auswirken, wenn die Resonanzfrequenzen der beiden Schwinger 7,8 voneinander abweichen. Z.B. dann, wenn durch eine nicht ideale Montage die Zugspannungen in den Schwingern 7,8 voneinander ab weichen, so z.B. wenn die Einspannstellen nicht ideal verschraubt werden, so dass in den Ba sisabschnitten ein Drehmoment entsteht, oder wegen Temperaturspannungen nach dem Schweissen. Dann ist trotz der verschiedenen Resonanzfrequenzen die Amplitude des Erreger schwingers 7 im Resonanzbereich des Resonanzschwingers 8 noch hoch genug, um diesen ge nügend stark anregen zu können, so dass dieser in Resonanz fallen kann (s. dazu auch die Be schreibung zu Figur 4).

Demgegenüber entfallen aber die negativen Effekte der Platzierung eines Schwingungserre gers im Basisabschnitt, wie sie etwa in der Eingangs genannten CA 2 619 996 offenbart wird und eine Generierung von erheblichen und damit störenden Oberschwingungen, Abfluss von kinetischer Energie durch die nahe gelegene Einspannstelle etc.zur Folge hat. Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schwingbrücke 20, die statt zwei drei parallele, in einer gemeinsamen Ebene angeordnete Schwinger aufweist, näm lich einen in der Mitte liegenden Resonanzschwinger 21, einen seitlichen Erregerschwinger 22 und einen auf der anderen Seite des Resonanzschwingers 21 gelegenen Detektorschwinger 23. Auf dem Erregerschwinger befindet sich ein hier ebenfalls als piezoelektrischer Aktor 24 aus gebildeter Schwingungserregerelement, auf dem Detektorschwinger 23 ein als piezoelektri sches Element ausgebildeter Schwingungsdetektor 25. Leitungen 26,27 und 28,29 verbinden den Aktor 24 und den Detektor 25 mit einer symbolisch und gestrichelt dargestellten Anreger anordnung 30. Zur Entlastung der Figur nicht dargestellt ist der Schwingsaitensensor selbst, in welchen die Schwingbrücke 20 eingebaut ist.

Wiederum wird im Betrieb über die Anregeranordnung 30 ein Frequenzsuchlauf durchgeführt, wobei eine Detektionsphase entsprechend der in der Figur 2 gezeigten Ausführungsform ent fällt, da der Schwingungsdetektor 25 Frequenz und Amplitude des Detektorschwingers 23 zeit gleich zur Anregung des Erregerschwingers 22 erfasst, ein entsprechendes Detektorsignal ge neriert und dieses an einen in der Figur schematisch dargestellten Eingang 31 für das Detek torsignal an die Anregeranordnung 30 ausgibt, so dass die Anregeranordnung 30 das Detek torsignal verarbeiten kann.

Wird während dem Frequenzsuchlauf der Erregerschwinger 22 durch den Aktor 24 angeregt, fällt dieser in eine Zwangsschwingung mit der vom Aktor 24 vorgegebenen Frequenz. Ent spricht diese nicht in einem dem hohen Q-Faktor entsprechenden engen Bereich der Reso nanzfrequenz des Resonanzschwingers 21, schwingt dieser nicht mit, ebenso schwingt dann der Detektorschwinger 23 nicht mit, da keine nennenswerten Deformationen der Randberei che der Basisabschnitte 10,11 zwischen ihm und dem Resonanzschwinger 21 stattfinden.

Wenn jedoch der Aktor 24 während dem Frequenzsuchlauf hinreichend genau die Resonanz frequenz des Resonanzschwingers 21 trifft, gerät dieser in Schwingung. Erst dann wird ausrei chend Energie zum Detektorschwinger 23 übertragen, so dass dieser mitschwingt. Dessen Amplitude erhöht sich signifikant, auch wenn sein Q-Faktor herabgesetzt ist oder eine Drift seiner Resonanzfrequenz aufgrund des auf ihm angeordneten Detektorschwingers 25 vorliegt. Die Schwingung des Detektorschwingers 23 ist gegenphasig zum Resonanzschwinger 21, aber mit der gleichen Frequenz, der Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 21. Der Schwingungsdetektor 25 generiert nun ein Detektorsignal für die Amplitude des Detektor schwingers 23, ebenso dessen Frequenz, wobeidie signifikante Erhöhung der Amplitude zeigt, dass die dazu gehörende Frequenz die Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 22 ist. Es sei aber nochmals angemerkt, dass auch nur über die Amplitude die Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 22 erkannt werden kann, da diese der Frequenz des Erregersignals ent spricht. Bevorzugt enthält aber das Detektorsignal die Amplitude und die Frequenz, und als Resonanzfrequenz wird dann die Frequenz des Detektorsignals bei grosser Amplitude erkannt.

Ist damit die Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 22 gefunden, kann wiederum durch eine phasenkorrekte Rückkopplung der Frequenz des Detektorsignaldurch die Anregeranord nung 3 auf den Aktor 24 erfolgen, der dadurch die aktuelle Schwingungsamplitude mit der Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers aufrechterhält. Der Fachmann kann dazu die An regeranordnung 3 (wie auch in der Ausführungsform nach Figur 1) mit einer entsprechenden Oszillatorschaltung versehen. Dadurch kann auch einer Änderung der Resonanzfrequenz ge folgt werden, wie dies anhand der Ausführungsform von Figur 1 der Fall ist, wobei bei einer zu starken Änderung einfach der Frequenzsuchlauf neu gestartet werden kann.

Der schon für die Anordnung von Figur 1 beschriebene Start der Resonanzschwingung des Re sonanzschwingers 22 durch einen Fleaviside-Impuls ist auch hier (wie überhaupt in allen erfin- dungsgemässen Ausführungsformen) möglich.

Es ergibt sich nach Figur 2 eine Schwingbrücke, bei der drei sich in einer Ebene parallel zu ei nander vorgesehene Schwinger 21 bis 23 vorgesehen sind, dabei einer der Äusseren mit dem Schwingungserreger 24 und der Andere mit dem Schwingungsdetektor 25 versehen ist und der mittlere Schwinger 21 frei ist von diesen, wobei bevorzugt auch die Äusseren Schwinger unter Zug gesetzt werden können. Weiter bevorzugt ist der mittlere Schwinger 21 vollständig unbe deckt, weist also auch keine Beschichtung oder ein anderes Element für irgendeinen Zweck auf. Damit ist der Resonanzschwinger weiter (neben einem Schwingungserreger oder -detek- tor) auch frei von einem anderen Element für irgendeinen Zweck und bevorzugt unbeschichtet.

Eine minimale Energieaufnahme der Schwingbrücke 2,20 ergibt sich, wenn deren Schwerpunkt im Betrieb im Wesentlichen in Ruhe bleibt. Da die Schwinger 7,8 und 21 bis 23 gegenphasig schwingen, ergibt sich, dass bevorzugt die Masse der äusseren Schwinger 22,23 mit dem Schwingungserreger 24 und - Abnehmer 25 im Wesentlichen gleich ist wie die Masse des mitt leren Schwingers 21 und die Schwingbrücke 20 derart ausgebildet ist, dass bei einer Gegen- phasigen Schwingung der äusseren Schwinger 22,23 zum mittleren Schwinger 21 der Schwer punkt der Schwingbrücke 20 im Wesentlichen in Ruhe bleibt.

Bevorzugt ist der Schwingungserreger (Aktoren 4,24 in den Figuren 1 und 2) in der Mitte des Erregerschwingers 7,22 vorgesehen, wodurch die Erzeugung von störenden Oberschwingun gen in seinem Schwingungsverhalten vermieden wird. Weiter bevorzugt ist das auch für den Schwingungsdetektor 25 auf dem Detektor der Fall.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Schwingbrücke 40 für einen Schwingsaiten sensor. Im Unterschied zur Schwingbrücke 20 (Figur 2) sind der Erregerschwinger und der De tektorschwinger nicht als Schwingbalken, sondern als Schwingzungen, hier als Erregerschwing zunge 41 und Detektorschwingzunge 42 ausgebildet, die jeweils an ihrem Ende einen bevor zugt piezoelektrischen Aktor 43 als Schwingungserregerelement bzw. piezoelektrischen Schwingungsdetektor 44 aufweisen, die beide über entsprechende Leitungen 45,46 bzw. 47,48 mit der Anregeranordnung 30 bzw. deren Eingang 31 für das Detektorsignal betriebsfähig ver bunden sind.

Der Erregerschwingzunge 41 liegt eine mit einem Ausgleichsgewicht 49 versehene Ausgleichs schwingzunge 50 gegenüber, der Detektorschwingzunge 42 eine mit einem Ausgleichsgewicht 51 versehene Ausgleichsschwingzunge 52. Dadurch bleibt die Schwingbrücke 40 als Ganzes im Betrieb besser in Ruhe, ebenso insbesondere deren Schwerpunkt.

Wiederum ist der Resonanzschwinger 53 frei von Schwingungserregern oder Schwingungsde tektoren, und bevorzugt frei von anderen Elementen, auch Beschichtungen irgendwelcher Art. Frequenzsuchlauf, Generierung des Detektorsignals und Rückkopplung erfolgen analog zur Ausführungsform gemäss Figur 1 und insbesondere Figur 2.

Gegenüber der Ausführungsform von Figur 2 (gleiche Mechanik im Schwingsaitensensor vo rausgesetzt) ergibt sich ein halb so grosser Messbereich, da die Zugbeanspruchung nur vom Resonanzschwinger 53 aufgenommen werden muss - die Auflösung bleibt an sich gleich. Da der Messbereich halb so gross ist, resultiert aber im Ergebnis eine doppelt so feine Auflösung für diesen halben Messbereich. Es ergibt sich, dass bevorzugt der mit dem Schwingungserreger versehene Schwinger als Schwingzunge ausgebildet ist, wobei weiter bevorzugt ein weiterer, als Schwingzunge ausge bildeter Schwinger vorgesehen ist, der einen Schwingungsdetektor aufweist. Dabei liegt weiter bevorzugt einem als Schwingzunge ausgebildeten Schwinger eine Gegenschwingzunge gegen über. Schliesslich ist weiter bevorzugt eine Gegenschwingzunge mit einem Gewicht versehen ist, das eine Masse derart aufweist, dass die Gegenschwingzunge im Betrieb der Schwingbrü cke im Wesentlichen mit gleicher Phase schwingt wie die Schwingzunge, der sie zugeordnet ist.

Erfindungsgemäss ist den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen eine Schwingbrücke für einen Schwingsaitensensor gemeinsam, mit einander gegenüberliegenden Einspannstellen für die Verbindung der Schwingbrücke mit dem Schwingsaitensensor und mit mehreren, zwischen den Einspannstellen vorgesehenen Schwingern, die mechanisch mit den Befestigungsstellen verbunden sind , wobei wenigstens einer der Schwinger über diese unter Zug gesetzt werden kann und frei ist von einem Schwingungserreger oder Schwingungsdetek tor und ein weiterer Schwinger mit einem Schwingungserreger versehen ist.

Genauer und allgemein ist es so, dass eine Schwingbrücke für einen Schwingsaitensensor mit einander gegenüberliegenden Einspannstellen für die Verbindung der Schwingbrücke mit dem Schwingsaitensensor und mit mehreren, zwischen den Einspannstellen vorgesehenen Schwin gern, von denen einer als Resonanzschwinger ausgebildet ist, die mechanisch mit den Ein spannstellen verbunden sind, wobei der Resonanzschwinger über die Einspannstellen unter Zug gesetzt werden kann und frei ist von einem Schwingungserreger oder Schwingungsdetek tor und auf einem weiteren Schwinger mit-einem Schwingungserreger angeordnet ist.

Dabei ist bevorzugt wenigstens einer der vorgesehenen Schwingungserreger oder -detektor als piezoelektrisches Element ausgebildet. Weiter ist bevorzugt wenigstens einer einer der Schwinger als langgestreckter Stab, bevorzugt als Vierkant ausgebildet (weiter bevorzugt sind alle Schwinger einer Ausführungsform gleich ausgebildet). Weiter bevorzugt besteht wenigs tens einer der Schwinger, noch weiter bevorzugt die Schwingbrücke als Ganzes, aus einem Metall, Federstahl oder aus einem anderen geeigneten Material. Geeignet sind federelastische Materialien mit geringer Dämpfung, so dass über den steilen Amplitudenanstieg eine Reso nanzkurve mit einer scharf abgrenzbaren Resonanzfrequenz vorliegt. Bevorzugt besitzt das federelastische Material weiter eine hohe Streckgrenze, was dann zu einem breiten Messbe reich führt. Bevorzugt ist dieses Material jedoch verschieden von einem piezoelektrischen Ma terial, da es nicht sich selbst erregen oder detektieren soll, sondern durch Schwingungserreger oder -detektoren, womit besser geeignete Materialien als piezoelektrische Materialien ver wendet werden können.

Schliesslich ist erfindungsgemäss ein Schwingsaitensensor mit einer Schwingbrücke, der eine mit einem Eingang für ein Frequenzsignal des Schwingungsdetektors versehene Anregungsan ordnung für den Schwingungserreger aufweist, und die Anregungsanordnung ausgebildet ist, eine dem Frequenzsignal entsprechende Frequenz als Anregungsfrequenz an den Schwin gungserreger auszugeben.

Figur 4 zeigt ein Diagramm 60 mit der Resonanzkurve 61 eines Resonanzschwingers 7,22,41 nach den Figuren 1 bis 3 und der Resonanzkurve 62 eines eines Detektorschwingers 8,23,42 nach den Figuren 1 bis 3. Dabei bezeichnet die vertikale Achse die Amplitude A und die hori zontale Achse die Frequenz f der Schwingung des jeweiligen Schwingers.

Im Diagramm ersichtlich ist weiter eine Detetktionsamplitude AD der Anregungsanordnung 3,30, die anzeigt, wann eine Amplitude des Detektorsignals (Resonanzkurver 62) als Amplitude erfasst und als solche verarbeitet bzw. wann diese beispielsweise als blosses Rauschen im De tektorsignal (oder aus anderen Gründen) als Amplitude verworfen wird. Entsprechend ist die Resonanzkurven 62 unterhalb der Schwelle der Detetktionsamplitude AD nicht mehr durch eine jeweilige Anregungsanordnung 3,30 erkennbar und in der Figur 4 gestrichelt eingezeich net.

Die Detetktionsamplitude A _D ist in der Figur 4 schematisch dargestellt, hängt von der durch den Fachmann jeweils im konkreten Fall gewählten Ausbildung der Schwingbrücke, des Schwingungsdetektors und der Anregeranordnung 3,30 ab und muss über den interessieren den Frequenzbereich nicht konstant sein, ist aber der einfachen Darstellung halber als Gerade in der Figur 4 eingezeichnet.

Die Detetktionsamplitude AD ist für die Resonanzkurve 61 des Resonanzschwingers 7,22,41 nicht relevant, da diese nicht detektiert wird - entsprechend ist die Resonanzkurve 61 ohne gestrichelten Bereich dargestellt. Die Detektionsamplitude AD kann aber auch für den Vergleich der Resonanzkurven 61,62 verwendet werden, da ein Vergleich bei einer gleichen Amplitude möglich ist.

Wie oben beschrieben sind die Resonanzfrequenzen f _Rres des Resonanzschwingers 7,22,41 und f _üres des Detektorschwingers 8,23,42 hier verschieden, wobei die Resonanzkurve 61 des Reso nanzschwingers 7,22,41 aufgrund seines hohen Q Faktor einen schmalen Frequenzbereich f _RBe - _{re h} und die Resonanzkurve 62 des Detektorschwingers 8,23,42 aufgrund seines tieferen Q Fak tors einen breiteren Frequenzbereich f _DBereich aufweist. Damit verläuft die Resonanzkurve 62 flacher als die Resonanzkurve 61.

Durch Anregung im Resonanzfrequenzbereich f _RBereich durch den piezoelektrischen Aktor 4,24,43 vergrössert sich die Amplitude des Resonanzschwingers 7,22,41 und überträgt ver mehrt Energie auf den Detektorschwinger 8,23,42, dessen Amplitude ebenfalls wächst, bis sie die Detektionsamplitude AD überschreitet.

Die dafür notwendige Amplitude des Resonanzschwingers 7,22,41, die Übertragungsampli tude A _a , hängt von der konkreten Ausbildung der Schwingbrücke 1 ab. Ist die Übertragungs amplitude A _A überschritten, ergibt sich im entsprechenden Frequenzbereich des Resonanz schwingers 7,22,41 eine Schwingung des Detektorschwingers 8,23,42 gemäss der Resonanz kurve 62, die wiederum, da oberhalb der Detektionsamplitude AD, durch die Anregeranord nung 3,30 erfasst werden kann.

Mit anderen Worten müssen sich bevorzugt für eine Bestimmung der Resonanzfrequenz des Resonanzschwingers 7,22,41 durch die Anregeranordnung 3,30 die Resonanzkurve 61 des Re sonanzschwingers 7,22,41 oberhalb der Übertragungsamplitude A _A und die Resonanzkurve 62 des Detektorschwingers 8,23,42 oberhalb der Detektionsamplitude A _D überlappen, d.h. we nigstens eine gemeinsame Frequenz, bevorzugt einen gemeinsamen Frequenzbereich aufwei sen. Bevorzugt werden die Schwingbrücke 1 und die Anregeranordnung 3,30 derart ausgelegt, dass die Detektionsamplitude AD und die Übertragungsamplitude A _A zusammenfallen, um den möglichen Überlappungsbereich am grössten zu halten.

Das bedeutet, dass ein Auseinanderfallen der Resonanzfrequenzen (beispielsweise durch Montagefehler oder aus anderen Gründen) und ein tieferer Q Faktor des Detektorschwingers 8,23,42 problemlos sind, solange die Überlappung vorliegt. Ein tiefer Q Faktor ist damit durch aus wünschenswert, weil mit einer flacheren Resonanzkurve 62 eine grössere Abweichung der Resonanzfrequenzen erlaubt wird.

Es ergibt sich damit ein Schwingsaitensensor 1 mit einer Schwingbrücke 20,40 nach Anspruch 1, wobei die Schwingbrücke 20,40 weiter einen Detektorschwinger 23,42 aufweist mit einer von der Resonanzfrequenz f _Rres des Resonanzschwingers 21,53 verschiedenen Resonanzfre quenz f _Dres , und mit einer Resonanzkurve 62, die flacher verläuft als die Resonanzkurve 61 des Resonanzschwingers 21,53, und die Schwingbrücke 20,40 derart ausgebildet ist, dass der De tektorschwinger 23,42 im Betrieb bei einer Schwingung des Resonanzschwingers 21,53 mit ei ner Amplitude oberhalbe einer Übertragungsamplitude A _A seinerseits mit einer Amplitude oberhalb einer Detektionsamplitude AD der Anregungsanordnung 30 schwingt, und der Schwingsaitensensor 1 mit einer Anregungsanordnung 30 versehen ist, die ausgebildet ist, ein Erregersignal für einen Schwingungserreger 24,44 zu generieren und ein aktuell detektiertes Detektorsignal eines auf dem Detektorschwinger 23,42 angeordneten Schwingungsdetektors 25, 45 zu verarbeiten, dabei dieses Detektorsignal für die Bestimmung der Frequenz- und Amplitude des Detektorschwingers 7,23,42 unterhalb der Detektionsamplitude A ₀ nicht zu ver wenden, wobei sich die Resonanzkurven 61,62 des Resonanzschwingers (21,53) und des De tektorschwingers (23,42) im Bereich oberhalb der höheren der Detektionsamplitude AD und der Übertragungsamplitude A _A überlappen. Bei solch einem Schwingsaitensensor sind beab sichtigt oder unbeabsichtigt verschiedene Resonanzfrequenzen 61,62 und ein tieferer Q Faktor des Detektorschwingers zulässig.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anregungsanordnung 30 weiter ausgebildet, das aktuell detektierte Detektorsignal für die Bestimmung der Frequenz- und Amplitude des Detektorschwingers 7,23,42 nicht zu verwenden, wenn dessen Frequenz nicht in einem vorbe stimmten zulässigen Frequenzintervall innerhalb des Frequenzbereichs des Resonanzschwin gers oberhalb der Übertragungsamplitude A _A liegt. Damit kann eine nicht durch den Reso nanzschwinger 21,53 ausgelöste Schwingung des Detektorschwingers 23,42 zum vornherein verworfen werden.