DE19912974A1 - Dämpfungsvorrichtung und Aktuator hierfür - Google Patents

Abstract

Eine Dämpfungsvorrichtung für Vibrationen, vorzugsweise für solche an einem Meßgerät, insbesondere für eine Waage (3), weist einen Regelkreis mit einem die Vibrationen aufnehmenden Sensor (7), einer dessen Ausgangssignal erhaltende Verknüpfungsstufe (9) und einem die Dämpfung durchführenden Stellglied (12) auf. Das die Dämpfung durchführende Stellglied ist vorzugsweise ein Vibrationen in Gegenphase zu den vom Sensor (7) aufgenommenen Vibrationen abgebender Aktuator (12) und kann einen Halter (13) und einen an dem Halter (13) über eine flexible Aufhängung (17) befestigten Hammer (15) umfassen, der mittels einer Schwingeinrichtung (16) erregbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie auf einen Aktuator nach Anspruch 25.

Dämpfungsvorrichtungen für Vibrationen sind im allgemeinen passiv, d. h. die Vibrationen werden mittels eines Fluids, einer plastischen Masse und/oder magnetisch oder induktiv gedämpft. Eine solche Dämpfung eignet sich gut für Vibrationen einer Frequenz oberhalb von etwa 300 Hz. In darunterliegenden Frequenzbereichen, insbesondere ab 100 Hz, ist die Vibration zu "langsam", um eine wirksame Dämpfung hervorzurufen. Gerade bei ho­ hen Präzisionsanforderungen spielen aber auch solche Störfrequenzen aus der Umge­ bung eines Meßgerätes eine nicht unbeträchtliche Rolle.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine besser wirksame Dämpfungsvor­ richtung vorzuschlagen, und dies gelingt erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Im Prinzip könnte das Stellglied auf die verschiedenste Weise, beispielsweise auch sehr ähnlich dem Stande der Technik, ausgebildet sein, indem etwa eine Ventilöffnung eines Dämpfungszylinders mit einem Fluid oder ein die Dämpfung hervorrufender Stromver­ stärkung für ein induktives Dämpfungsglied entsprechend dem gewonnen Regelsignal verstellt wird. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform nach Anspruch 2, welche prak­ tisch so arbeitet, wie dies von aktiven Schalldämpfungen bekannt und in vielen Doku­ menten beschrieben ist. Es versteht sich daher, daß all jene Maßnahmen analog ange­ wandt werden können, die aus diesem technischen Gebiet bekannt sind.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß eine digitale Verarbeitung des Sensorsignales zu weit besserer Dämpfung führt als eine analoge Verarbeitung. Deshalb ist eine Ausführung gemäß Anspruch 3 besonders bevorzugt. In diesem Falle ist aber auch die Maßnahme nach Anspruch 4 besonders sinnvoll, obwohl auch eine weitere Verwendung eines Digi­ talsignals möglich wäre.

Zur Verarbeitung wird es zweckmäßig sein, die Maßnahme nach Anspruch 5 vorzusehen. Dabei hat es sich herausgestellt, daß die Ausführung eines solchen filternden Gliedes als Resonanzglied, das also selektiv einzelne Frequenzen verstärkt, im Sinne des Anspru­ ches 6 besonders günstig ist. Hierbei ist es vorteilhaft, nicht nur die an sich interessieren­ den Vibrationsfrequenzen auszufiltern, sondern auch deren Harmonische. Interessieren mehrere Vibrationsfrequenzen, was nicht zuletzt anwendungsabhängig ist, so werden die Ausgänge der jeweiligen filternden Glieder zweckmäßig einer Mischstufe zugeführt, die an sich verschieden ausgebildet sein und gegebenenfalls auch als Multiplikations- oder Differenzstufe ausgeführt sein kann, im einfachsten Fall jedoch eine Summierstufe ist.

An sich würde man erwarten, daß für bestimmte Vibrationen eine relativ einfache Ver­ knüpfung genügt. Deshalb ist es überraschend, daß mit einer Verknüpfungsstufe gemäß Anspruch 10 deutlich bessere Resultate erhalten werden.

Es wurde oben bereits erwähnt, daß das Stellglied bevorzugt ein Aktuator im Sinne des Anspruches 2 ist. Ein solcher Aktuator ist bevorzugt entsprechend Anspruch 25 aufge­ baut.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden Beschrei­ bung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsformen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht des Gesamtaufbaues, aus dem auch eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Aktuators zu ersehen ist, samt einem Blockschaltbild;

Fig. 2 ein Blockschaltbild für eine Stromregelung auf Zeitbereichsbasis;

Fig. 3 ein Blockschaltbild für eine modell-adaptive Regelung auf Zeitbereichsbasis; und

Fig. 4 ein Blockschaltbild für eine adaptive Regelung auf Frequenzbereichsbasis.

Gemäß Fig. 1 besteht ein mechanischer Aufbau 1 aus einem tischartigen Träger 2, auf dem ein vor von außen kommenden Vibrationen zu schützendes Meßinstrument, im vor­ liegenden Falle eine Waage 3, aufgestellt werden kann. Die Tischplatte 2 ruht auf einem kreisförmig in regelmäßigen Abständen um eine zentrale Achse A aufgestellten elasti­ schen Beinen 4, beispielsweise nur drei Beinen 4, zweckmäßig aus Gummi oder einem anderen elastischen Material, die auf einer Unterlagsplatte 5 stehen. Die Beine 4 sind zweckmäßig so ausgebildet, daß sie eine nicht-lineare Charakteristik aufweisen, bei­ spielsweise indem sie den aus Fig. 1 ersichtliche karo-förmigen Längsschnitt besitzen, der bewirkt, daß die elastische Kraft bei Kompression überproportional zum Verfor­ mungsweg zunimmt. Besonders bevorzugt ist eine Nicht-Linearität bezüglich der Verfor­ mungsgeschwindigkeit.

Es sei erwähnt, daß bezüglich dieser Anordnung zahlreiche Modifikationen möglich sind. Beispielsweise könnten mindestens zwei Unterlagsplatten untereinander vorgesehen und jeweils in ähnlicher Weise aufeinander abgestützt sein, wie die Platten 2 und 5. In diesem Falle wären also drei Platten, nämlich die Trägerplatte 2 und zwei Unterlagsplatten 5 übereinander angeordnet und gegenseitig jeweils durch Beine 4 abgestützt. Es wäre fer­ ner möglich, vertikal wirkende Geradführungen an den Beinen bzw. zwischen den jeweili­ gen Platten vorzusehen, um zu erreichen, daß die elastischen Abstützbeine 4 nur in verti­ kaler Richtung schwingen können, nicht aber in Querrichtung dazu.

Der oben beschriebene Trägeraufbau soll mehrere Anforderungen erfüllen. Zum einen soll er so stark wie möglich sein und bei Veränderungen der Belastung, etwa bei Aus­ tausch der Waage 3 durch ein größeres Modell oder bei unterschiedlich schweren zu wiegenden Gegenständen einer zu vernachlässigenden Verformung unterworfen sein. Zum anderen aber soll er gleichzeitig "weich" genug sein, damit die später beschriebene Wirkung eines äußere Vibrationen auslöschenden Aktuators leichter und mit weniger Aufwand erreicht werden kann. Dazu dienen, nicht zuletzt, die elastischen Abstützungen 4. In einem konkreten Beispiel wurde für drei Beine 4 ein K-Wert von 1,56 × 10⁵ N/m er­ reicht. Für eine vertikale Verformung war daher eine Kraft von 15,6 N erforderlich. Dabei ist die Größe des Trägers 2 auch hinsichtlich seiner Eigenresonanz zu überprüfen, um Störungen von dieser Seite her auszuschließen. In dem erwähnten Beispiel wurde die Platte 2 so groß gewählt, daß ihre Eigenresonanz mindestens das Fünffache, zweckmä­ ßig sogar etwa um das Zehnfache, der interessierenden Frequenzen höher lag und daher die Dämpfung des unteren Frequenzbereiches nicht zu beeinflussen vermochte. Es sei jedoch erwähnt, daß die Ausbildung des Trägers weitgehend vom Bereich auszulöschen­ der bzw. interessierender Frequenzen abhängig ist. Interessieren etwa hohe Frequenzen, dann ist es sehr gut möglich, den Träger 2 so auszubilden, daß seine Eigenresonanz in einem Bereich tiefer Frequenzen liegt. Allerdings ist die Wahl der elastischen Abstützbei­ ne 4 genau zu überlegen, sind sie nämlich zu weich, so können sie unter der Last der Platte 2 und der Waage 3 gegebenenfalls seitlich ausweichen, was möglichst vermieden werden soll. In einem solchen Falle ist es vorteilhaft, eine Geradführung für sie vorzuse­ hen, beispielsweise einen in der Mitte jedes mittig hohlen Beines 4 angeordneten Füh­ rungsstab 4' (nur einer ist in Fig. 1 strichliert dargestellt).

Für diese Anpassung an die jeweiligen Bedürfnisse ist auch die elastische Abstützung entsprechend zu wählen, die ja eigentlich bereits eine passive Dämpfung darstellt, im vorliegenden Beispiel um die tiefer liegenden Frequenzbereiche von maximal etwa 300 Hz und insbesondere maximal 100 Hz durch die nachfolgend beschriebene aktive Dämpfung optimal unterdrücken zu können. Es sei jedoch erwähnt, daß die Ausbildung der passiven Dämpfungsglieder 4 (die je nach Anwendung verschiedener, an sich be­ kannter Natur sein können) sowie auch der Anbringung möglicher vertikaler Geradfüh­ rungen sich als nicht kritisch erwiesen hat, da die später beschriebene aktive Dämpfung über einen Regelkreis allfällige Störungen weitgehend auszugleichen vermag.

Dieser Regelkreis ist in einem ersten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 dargestellt und umfaßt einen die Vibrationen der Platte 2 aufnehmenden, und daher beispielsweise über einen stethoskopartigen Stab 6 mit der Platte 2 verbundenen, Sensor 7, der vorzugsweise ein Akzelerometer ist und dementsprechend ein Beschleunigungssignal e(k) abgibt. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Beschleunigung die zweite Ableitung des Verformungs­ weges der Platte 2 bzw. ihrer Beine 4 ist, wodurch die Empfindlichkeit und Genauigkeit gegenüber einer direkten Messung des Verformungsweges entsprechend erhöht wird. Als Akzelerometer kann jedes herkömmliche und am Markt erhältliche Akzelerometer ver­ wendet werden, beispielsweise ein piezo-resistives. Die ganze stethoskopartige Anord­ nung wird zweckmäßig etwa in der Mitte der Platte 2 angeordnet.

An das Akzelerometer 7 ist ein analoges Filter 8 angeschlossen, um die weniger interes­ sierenden Frequenzbänder auszuschalten. Im vorliegenden Falle ist das Filter 8 ein Tief­ paßfilter, insbesondere ein Butterworth-Filter dritter Ordnung, beispielsweise mit einer Abschneidefrequenz (cut-off frequency) fc von 6 kHz. Hier ist zu erwähnen, daß an sich bereits der Träger 2 mit seiner relativ großen Masse ein mechanisches Tiefpaßfilter dar­ stellt. Das Filter 8 bietet gegebenenfalls dazu lediglich eine Ergänzung. Anderseits mag es sein, daß man zum Zwecke der aktiven Dämpfung (Auslöschung) höherer Frequenzen oberhalb von etwa 300 Hz auf einen Träger 2 ganz verzichtet. Dazu kommt, daß die vor­ liegende Erfindung auch nicht auf die in Fig. 1 gezeigte mechanische Ausgestaltung be­ schränkt ist, vielmehr es möglich wäre, besonders bei größeren Meßinstrumenten, wie etwa größeren Waagen, den im folgenden im einzelnen erläuterten Regelkreis mit Sensor 7 und dem später besprochenen Aktuator innerhalb des Gehäuses des betreffenden Meßgerätes unterzubringen.

Das Ausgangssignal des Filters 8 mit den zu dämpfenden Frequenzen geht an eine pro­ grammierbare Steuerung 9, vorzugsweise mit einem digitalen Signal-Prozessor, deren möglicher Aufbau beispielhaft an Hand der Fig. 2 und 4 beschrieben wird, der aber - ähn­ lich dem Aufbau der Fig. 2 - für die digitale Verarbeitung zweckmäßig einen Analog/Digi­ tal-Wandler AD am Eingang zur Umwandlung der Analogsignale des Sensors 7 bzw. des aus seinem Ausgangssignal mittels des Filters 8 ausgefilterten Frequenzbandes aufweist. Hier sei lediglich erwähnt, daß das Ausgangssignal dieser Steuerung 9 ein Wellensignal sein wird, das vorzugsweise in der in Fig. 2 gezeigten Weise noch über einen Digital/Ana­ log-Wandler DA am Ausgang wiederum in ein Analogsignal rückverwandelt wird. Die bei­ den Wandler AD und DA können beispielsweise sukzessive Approximationswandler mit einer Auflösung von 12 bit und einem Spannungsbereich von ±10 Volt sein.

Es ist bevorzugt, der Steuerung 9 (und den an ihrem Ausgang gegebenenfalls vorgese­ henen Digital/Analog-Wandler) einen Frequenzteiler 10 zur Teilung durch zwei nachzu­ schalten. Der Grund hierfür liegt einfach darin, daß ein am Ausgang der Steuerung 9 vor­ gesehener Wandler ein Signal sowohl negativen als auch positiven Wertes, wie -10 bis +10 Volt, geben wird, der dem später beschriebenen Aktuator vorgeschaltete Verstärker 11 aber nur im positiven Bereich arbeitet. So könnte man an sich nur die halbe Bereichs­ breite des Wandlers, nämlich die im positiven Bereich, ausnützen. Teilt man aber das Ausgangssignal der Steuerung 9 durch zwei, so kann der volle Arbeitsbereich des am Ausgang der Steuerung 9 vorgesehenen, nur aus Fig. 2 ersichtlichen, Digital/Analog- Wandlers ausgenützt werden (im oben erwähnten Beispiel mit einem Off-Set von 5 Volt). Jedenfalls wird am Eingang eines nachfolgend zweckmäßig vorgesehenen und in etwa dem Filter 8 entsprechend dimensionierten Tiefpaßfilters 8' ein Analogsignal anliegen.

Nach der weiteren Filterung durch das Filter 8' wird das Ausgangssignal über den Opera­ tionsverstärker 11 einem allgemein mit 12 bezeichneten, zweckmäßig an dar Mitte der Trägerplatte 2 angebrachten Aktuator unterhalb der Trägerplatte 2 zugeführt, der die das Meßergebnis des Instrumentes 3 beeinflussendes Störfrequenzen durch Abgabe von ebensolchen Frequenzen in Gegenphase (180° gedreht) auslöschen bzw. dämpfen soll.

Der Aktuator 12 kann an sich verschiedenen Aufbau haben, ist aber vorzugsweise in der gezeigten Weise derart ausgestaltet, daß er selbst bei relativ geringer Steifheit der Platte 2 gute Dämpfungsergebnisse liefert. Im wesentlichen umfaßt der Aktuator 12 in der dar­ gestellten, nicht maßstäblich dargestellten Ausführungsform einen, vorteilhaft hohlzylin­ drischen, äußeren Halter 13, der mittels Schrauben 14 an der Platte 2 befestigt ist, und einen an dem Halter 13 über eine flexible Aufhängung befestigten Hammer 15, der mittels einer Schwingeinrichtung 16 erregbar ist. Die Ausführung von Halter 13 und Hammer 15 als Zylinder sichert eine große Steifheit und damit die Vermeidung einer Einführung stö­ render Nebenfrequenzen. Die Aufhängung ist vorteilhaft mindestens zweifach ausgeführt und weist im besonderen zwei ringförmige Membranen 17 auf, die hier also nach Art von Lenkern eine Geradführung des Hammers 15 innerhalb des Halters 13 und koaxial zu diesem sichern. Die Membranen 17 können strukturiert, beispielsweise mit Speichen oder Sektoren versehen sein. Damit kann dieser Hammer 15 praktisch ausschließlich eine Bewegung nur in einer Dimension, nämlich entsprechend einem Pfeil a in vertikaler EZichtung ausführen. Es ist bevorzugt, die Membranen 17 aus einem relativ steifen Mate­ rial, insbesondere aus Metall zu fertigen. Der Hammer 15 ist vorteilhaft gleichfalls ein mindestens teilweise hohler Zylinder, der die Schwingeinrichtung 16 in sich aufnimmt. Es sei erwähnt, daß es wiederum stark von der gewünschten Anwendung abhängt, ob der Aktuator 12 in der dargestellten Weise mit einer an der Platte 2 befestigten Schwingein­ richtung 16 oder umgekehrt, mit der Schwingeinrichtung 16 an der Unterlagsplatte 5 (oder jeder anderen Unterlage) befestigt, zwischen den beiden Platten 2 und 5 eingebaut wird. In vielen Fällen wird die genannte umgekehrte Montage sogar günstiger sein, wobei dann ein Kopf 18 des Hammers 15 nicht gegen die Unterlagsplatte 5, sondern an die Trägerplatte 2 schlägt, um die dämpfenden Schwingungen zu erzeugen. Schließlich wäre es aber auch möglich, den Aktuator etwa spiegelbildlich aufzubauen, so daß er sowohl auf die Platte 2 als auch auf die Platte 5 schlägt.

Die Masse des Hammers 15 kann auf den gewünschten, zu dämpfenden Frequenzbe­ reich abgestimmt werden. Für den im vorliegenden Falle für Waagen besonders interes­ sierenden Frequenzbereich von maximal 300 Hz, und insbesondere maximal 100 Hz, kann der Hammer aus Metall bestehen und ein Gewicht von weniger als 450 g haben.

Die Schwingeinrichtung 16 selbst ist für die Erregung von Schwingungen vorzugsweise eine Piezoeinrichtung, insbesondere aus piezo-elektrischem Material, und kann in der in Fig. 1 angedeuteten Weise aus einzelnen aneinandergefügten Plättchen, vorzugsweise in einem gemeinsamen, sie umgebenden Gehäuse, aufgebaut sein, um relativ starke Schwingungen zu erzeugen. Eine Variante wäre die Verwendung eines Elektromagneten, der ähnlich aufgebaut ist, wie ein Lautsprechersystem. Diese Schwingungen werden auf den Hammerkopf 18 übertragen. Zur Einstellung der Übertragung und für diese selbst dient eine im Kopf 18 eingeschraubte Stellschraube 19, die an der Oberseite einen Schraubenkopf 20, z. B. einen Sechskant, mit einem Rundkopf 21 darauf. Über diesen Rundkopf ist der Hammer 15 praktisch kraftschlüssig an der Schwingeinrichtung 16 ab­ gestützt.

Der Grund für eine lediglich kraftschlüssige Koppelung liegt darin, daß eine piezoelektri­ sche Schwingeinrichtung 16 recht empfindlich für darauf wirkende Momente ist und so besser dagegen geschützt wird. Die ballige Koppelung über den Rundkopf 21 dient dazu, selbst bei leicht zur Vertikalen geneigter Lage der Justierschraube 19 eine einwandfreie Übertragung zu sichern. Im vorliegenden Falle sei angenommen, daß der Rundkopf an einer im wesentlichen ebenen Stirnfläche der Schwingeinrichtung 16 anliegt, obwohl es an sich auch denkbar wäre, ihn in eine komplementären abgerundeten, gegebenenfalls aber auch größeren, Vertiefung einzusetzen. Es ist wichtig zu wissen, daß eine Schrägla­ ge der Übertragungseinrichtung (in Form der Justierschraube 19) mechanische Harmoni­ sche in das System eingeführt werden, was die Dämpfung etwas komplizierter macht. Beträgt die Frequenz der zu dämpfenden Vibrationen beispielsweise 50 Hz, so ergeben sich Harmonische von 100, 150 Hz. usw. Es wird daher bevorzugt sein, den Regelkreis so auszulegen, daß er wenigstens die am meisten störenden Harmonischen mit berück­ sichtigt und dämpft, für Waagen insbesondere bis zu einer Frequenz von 300 Hz. Eine wichtige Funktion der Justiereinrichtung in Form der Schraube 19 ist die Anpassung der vertikalen Steifheit und damit der sich ergebenden Resonanzen. Selbstverständlich kann anstelle der Schraube 19 auch elektromechanische oder andere an sich bekannte Ver­ stellvorrichtungen zur Anwendung kommen. Justiereinrichtung: Damit läßt sich also min­ destens zum Teil die Empfindlichkeit des Systems einstellen, beispielsweise um die Re­ sonanzen der Vibrationen in einen gewünschten Bereich zu verschieben (die natürlich auch von der Belastung abhängen, die auf die Schwingeinrichtung 16 wirkt).

Fig. 2 zeigt das Prinzip einer möglichen Ausführung einer Steuerung 9. Auf die Verwen­ dung der Wandler AD und DA am Eingang und am Ausgang der Steuerung 9 wurde be­ reits hingewiesen. Es hat sich überraschend gezeigt, daß damit gegenüber einer reinen Analogsteuerung ein wesentlich günstigeres Dämpfungsergebnis erzielen ließ. Zweck­ mäßig enthält der Wandler AD ein Anti-Alias-Filter 22 (das auch für sich von Vorteil sein kann), der Wandler DA ein Glättungsfilter 23.

Die eigentliche Verknüpfungsstufe 9 kann gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 als wesentliches Element eine Reihe von eine Filterfunktion ausübenden Gliedern 24.1 bis 24.4 aufweisen. Im Prinzip genügt, je nach den Anforderungen, ein einziges Filterglied 24. Wenn jedoch, wie im vorliegenden Beispiel angenommen wird, ein relativ breites Fre­ quenzspektrum gedämpft werden soll, kann es vorteilhaft sein, für einzelne ausgewählte und schmale Frequenzbänder je ein spezifisch darauf ausgerichtetes Filterglied 24.1 bzw. 24.2 bzw. 24.3 und/oder 24.4. zu verwenden. Beispielsweise ist das Filterglied 24.1 spe­ ziell auf ein Frequenzband um 35 Hz, das Filterglied 24.2 auf ein Frequenzband um 50 Hz, das Filterglied 24.3 auf ein Frequenzband um 65 Hz und das Filterglied 24.4 auf ein Frequenzband um 80 Hz ausgerichtet. Dabei können als filternde Glieder 24.1 bis 24.4 Resonatoren mit der angegebenen Resonanzfrequenz verwendet werden, die also die in ihrem Bereich liegenden Frequenzen verstärken, andere hingegen nicht. Die parallele Anordnung der Resonatoren 24.1 bis 24.4 (an Stelle einer seriellen) hat den Vorteil, den Fluß der Verarbeitung zu beschleunigen.

Wie erwähnt, werden durch die Resonatoren 24.1 bis 24.4 nur die ausgewählten Fre­ quenzen verstärkt, andere in einem beherrschbaren Zustand gehalten, dabei aber der Gleichstromanteil völlig unterdrückt. Wegen der erwähnten auftretenden Harmonischen ist es vorteilhaft, wenn zu den Resonatoren 24.1 bis 24.4 auch noch solche für die Har­ monischen, z. B. für zwei derselben (da die Harmonischen jeweils in einem ziemlichen Abstand auseinander liegen, genügt dies für einen Bereich bis zu 300 Hz), hinzugefügt werden. Es versteht sich aber jedenfalls, daß im Rahmen der Erfindung andere Arten von Filtern und andere Frequenzen gewählt werden können, wie auch aus der späteren Be­ schreibung etwa der Fig. 4 ersichtlich wird.

Wenn man davon ausgeht, daß für manche Anwendungsfälle ein einziges filterndes Glied ausreichend ist, so ist verständlich, daß das weiterhin zu verarbeitende Signal über eine Leitung 25 einer weiteren Verarbeitungsstufe 26 zuzuführen ist. Sind aber, wie im vorlie­ genden Fall, mehrere Filterglieder 24.1 bis 24.4 vorgesehen, so müssen die Ergebnisse dieser Filterungen in irgendeiner Form einander überlagert bzw. nach einem vorgegebe­ nen Algorithmus gemischt werden. An sich sind dabei verschiedene Algorithmen denkbar, wie Multiplikation, Differenzbildung usw., doch ist es am einfachsten, wenn als Mischstufe am Ausgange der Filterglieder 24.1 bis 24.4 eine Summierstufe 27 vorgesehen ist. Diese Stufe 27 summiert also die Resonanzsignals, wodurch die nicht verstärkten Frequenzen im Verhältnis noch stärker unterdrückt werden, und gibt ein entsprechendes Misch- bzw. Summensignal an die Ausgangsleitung 25 ab. Damit wird die Regelbarkeit gerade der ausgewählten Frequenzen verbessert.

In der nachfolgenden Verarbeitungsstufe 26 wird zweckmäßig die Inversion der interes­ sierenden und durch die Filterglieder 24.1 bis 24.4 ausgewählten Frequenzbänder durch­ geführt, um den Aktuator 12 (Fig. 1) mit einer Dämpfungsfrequenz betreiben zu können, die 180° in Gegenphase zu den erregenden Störfrequenzen liegt. Dazu ist zu bedenken, daß im beschriebenen Beispiel der Sensor 7 ein Akzelerometer ist, der also die zweite Ableitung des Verformungsweges durch die Störfrequenzen mißt und dann ein Beschleu­ nigungssignal e(k) abgibt, wogegen der Aktuator 12 diesem Schwingungsverformungs­ weg entgegenwirken soll. Daher wird die Verarbeitungsstufe 26 zweckmäßig das erhalte­ ne Beschleunigungssignal durch doppelte Integration wieder auf ein Verformungssignal bringen. Im Prinzip können diese Funktionen durch sehr unterschiedlichen Aufbau und verschiedene Auslegung der Verarbeitungsstufe 26 gelöst werden, die ja eigentlich eine bloße Stromregelung beinhaltet. Bevorzugt ist jedoch die Auslegung als adaptive Rege­ lung insbesondere in der Form einer sog. Zustandsregelung, der ein Modell der Trans­ ferfunktionen der einzelnen Teile des mechanischen Systems 1 unter Berücksichtigung der Masse der einzelnen betroffenen mechanischen Teile und deren individuellen Trans­ ferfunktion zugrundeliegt. Denn da die einzelnen mechanischen Teile auch für sich als mechanische Filter anzusehen sind, ist klar, daß sie bestimmte Übertragungseigen­ schaften für gewisse Frequenzbänder besitzen. Die Beschleunigung wird also am Ende für jede Frequenz durch die gesamte Transferfunktion des mechanischen Teiles 1 be­ stimmt werden. Es ist aus diesen Erläuterungen wohl klar, daß der erfindungsgemäße Regelkreis mindestens einen Integralanteil besitzen wird, vorzugsweise aber als PID- Regler ausgebildet ist.

Die Transferfunktion des mechanischen Teiles 1, deren Modell der Verarbeitungsstufe 9 zugrundegelegt werden soll, ist daher leicht experimentell zu bestimmen. Die Prinzipen solcher adaptiver Regelungen unter Verwendung eines Modells sind an sich bekannt (vgl. Widrow, Berard, Stearns, Samuel D., "Adaptive signal processing", Prentice Hall, Engle­ wood Cliffs, New Jersey, 1985), so daß hier eine nähere Erläuterung entfallen kann, wenngleich später an Hand der Fig. 3 und 4 auf vorteilhafte Ausgestaltungen solcher Re­ gelungen noch im Detail eingegangen wird.

Hier sei nur kurz darauf eingegangen, wie die an Hand von Versuchen mit einem kon­ kreten gegebenen mechanischen System 1 ermittelte Transferfunktion zur Grundlage eines mathematischen Modells gemacht werden kann. Im Prinzip gibt es dafür eine Reihe von Methoden, wie etwa dem Dokument Johanson, Rolf, "System Modeling and Identifi­ cation", Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1993 zu entnehmen ist. Werden die Hauptresonanzen unabhängig voneinander und jeweils für sich modelliert, so hat eine jede die folgende Übertragungsfunktion:

worin m die Masse oberhalb des Aktuators 12 ist, λ das Dämpfungsverhältnis der Reso­ nanz darstellt und k die Steifheit ist. Der Ausdruck s² im Zähler bedeutet, daß das ge­ messene Signal die Beschleunigung ist. Hat man die Transferfunktion für die Resonanz jedes einzelnen mechanischen Teiles berechnet, so ergibt die Summe das vollständige Modell der Übertragungs- oder Transferfunktion. Sobald man das mathematische Modell erstellt hat, sollten die Transferfunktionen des mechanischen Teils 1 und die des (von Anfang an inversen oder später invertierten) Modells idealerweise einander auslöschen.

Bei der möglichen Auslegung kann sowohl die obige modell-adaptive Methode für die Transferfunktion als auch ein adaptives Modell der Störungen selbst herangezogen wer­ den. Diese letztere Methode und eine entsprechende Schaltung soll nun an Hand der Fig. 3 beschrieben werden. Grundlage dafür ist allerdings die Erstellung eines Modells der Transferfunktion, wie sie oben beschrieben wurde, weil man erst dann bestimmen kann, wie sich Störungsschwingungen auswirken.

In Fig. 3 spielt das oben an Hand der Fig. 1 und 2 beschriebene mechanische System 1 die Rolle eines ersten Demonstrators. Dessen Vibrationen werden zunächst als negatives Signal y(k) einer Summierstufe 28 zugeführt, die auch ein positives Geräuschsignal d(k) erhält. Durch die Summierung des negativen und des positiven Signals erhält man die Differenz. Alternativ können beide Signale y(k) und d(k) gleiches Vorzeichen haben und voneinander in einer Differenzstufe 28 abgezogen werden.

Das Ausgangssignal der arithmetischen Stufe 28 wird zunächst einer weiteren arithmeti­ schen Stufe 29 zugeführt, die zweckmäßig ebenfalls als Summierstufe ausgebildet ist. Diese Stufe 29 erhält an ihrem zweiten Eingang das auf Grund eines mathematischen, in einer Verarbeitungsstufe 30 gespeicherten Modells geschätzte Aktuatorsignal y(k), bildet die Summe und gibt ein Signal d(k) für das geschätzte Geräusch ab. Dieses geschätzte Störsignal d(k) entspricht somit der Formel

d(k) = e(k) + y(k)

und wird zwei folgenden Stufen 31 und 32 zugeleitet. Zum einen erhält es nämlich die Stufe 31 (sog. "Beobachter"), deren anderes Eingangssignal vom in der arithmetischen Stufe 28 ermittelten Fehlersignal für die Beschleunigung e(k) gebildet wird. Die Beobach­ terstufe 31 vergleicht das geschätzte Störsignal d(k) mit dem Beschleunigungssignal e(k) und gibt dann ein Korrektursignal an eine Regelstufe 32 ab, die auch das geschätzte Störsignal d(k) erhält. Ein solcher Beobachter 31 kann auch für eine Schaltung nach Fig. 2 zur Korrektur bzw. Anpassung des mathematischen Modells vorgesehen werden und kann in jedem Fall in verschiedener Weise ausgebildet sein und mit unterschiedlichen Algorithmen arbeiten, wie etwa dem schon genannten Buch Widrow, Berard, Stearns, Samuel D., "Adaptive signal processing", Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1985 zu entnehmen ist. Dort zu findende Beispiele ist die Methode der kleinsten Fehler­ quadrate oder der sequentiellen Regression. Für die vorliegenden Zwecke hat sich die Methode der kleinsten Fehlerquadrate (LMS) als besonders geeigneter Algorithmus er­ wiesen. Demnach wird also im Beispiel der Fig. 3 der Regler 32 stets mittels der LMS- Methode korrigiert, welche die Korrelation zwischen der geschätzten Störung d(k) und dem Beschleunigungssignal e(k) errechnet. Die Reglerstufe 32 wird, wie schon im vorhe­ rigen Ausführungsbeispiel der Fig. 2, mindestens ein filterndes Glied 24 enthalten, das hier zweckmäßig von mindestens einem FIR- oder IIR-Filter gebildet sein wird, welches gegebenenfalls durch den Beobachter 31 steuerbar ist. Die Reglerstufe 32 gibt dann ein Regelsignal u(k) an die mechanische Einrichtung 1 ab, aber auch an die Verarbeitungs­ stufe 30, um dort das mathematische Modell entsprechend dem durch den Beobachter festgestellten Fehler zu adaptieren. Die Verarbeitungsstufe 30 stellt hier also den zweiten Demonstrator dar, der zum ersten parallel liegt.

Fig. 4 zeigt eine Variante zu Fig. 1, welche mit auf dem Frequenzbereich basierenden Algorithmen, aber nicht-adaptiv arbeitet. Dabei wird zusätzlich zu dem in der Mitte ange­ ordneten, die Störungsreferenz bildenden Akzelerometer 7 auch noch ein weiteres Akze­ lerometer 7' als Fehlersensor verwendet. Der Fehlersensor 7' wird aber dann vorteilhaft an eine ändere Unterlage angelegt als der Störungsreferenzsensor 7, d. h. während der letztere an der Platte 2 anliegt wird man den Fehlersensor 7' an die Unterlagsplatte 7' legen. Gerade dann, wenn aber die Unterlage etwa ein Betonbett od. dgl. ist, wird gege­ benenfalls der Aufbau des nachgeschalteten Tiefpaßfilters 8'' von dem des Tiefpaßfilters 8 abweichen, um der unterschiedlichen Übertragungs- bzw. Transferfunktion Rechnung zu tragen. Eine andere Möglichkeit ist es, die Unterlagsplatte 5 genau mit der Masse und den Maßen der Trägerplatte 2 auszubilden.

Dementsprechend sind zweckmäßig drei Tiefpaßfilter vorgesehen, nämlich außer den schon an Hand der Fig. 2 besprochenen Tiefpaßfiltern 8 und 8' auch noch eines (8'') am Ausgang des Fehlersensors 7'. Dementsprechend weicht der Aufbau der Verknüpfungs­ stufe 9 von dem der Fig. 2 ab, wogegen die restlichen Stufen 8, 10 und 11 bereits oben an Hand der Fig. 1 beschrieben worden sind.

Nach Fig. 4 gehen die Ausgänge der beiden den Sensoren 7, 7' nachgeschalteten Tief­ paßfilter 8 und 8'' in dis Regelstufe 9 ein, und zwar das Signal des die störenden Vibratio­ nen aufnehmenden Störungsreferenzsensors 7 nach Durchlaufen durch das Tiefpaßfilter 8 unmittelbar in eine Regelstufe 32' (ähnlich der Regelstufe 32 der Fig. 3) der Verknüp­ fungsstufe 9, wogegen das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 8'' erst einen Analysekreis 33 durchläuft, um den ermittelten Fehler zu analysieren. Der Analysekreis besteht an sei­ nem Eingang aus einer Frequenzanalysestation 34, in welcher eine Fourieranalyse, vor­ zugsweise eine Fast-Fourier-Analyse (FFT) durchgeführt und eine Korrekturfrequenz ge­ wählt wird.

Das Ausgangssignal der Frequenzanalysestation 34 geht je nach Aufbau entweder an einen Signalumformer (falls die gewählte Frequenz in der Station 34 unmittelbar ausge­ geben wird), der aber gegebenenfalls auch entfallen kann, oder dient erst zum Anstoßen eines Frequenzgenerators 35 zur Erzeugung von Sinus-Wellen. Die Verknüpfungsstufe enthält aber vorzugsweise dann noch ein filterndes Glied 24a, das zweckmäßig als PLL- Filter (phase-locked-loop) ausgebildet ist. Damit wird gesichert, daß das so gewonnene Korrektursignal frequenz- und phasenrichtig in eine Mischstufe 27a (ähnlich der Stufe 27 in Fig. 2) eingespeist und dort zweckmäßig zur Korrektur des von der Regelstufe 32' kommenden Signals aufaddiert wird. Der weitere Signalverlauf wurde bereits an Hand der Fig. 1 besprochen, die gegebenenfalls eine entsprechend Fig. 2 oder Fig. 4 aufgebaute Verknüpfungsstufe 9 enthalten kann.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Varianten sowie Kombinationen der gezeigten Merkmale sowohl untereinander als auch mit Merkmalen des Standes der Technik mög­ lich; beispielsweise kann an Stelle eines modell-adaptiven Regelkreises (im Sinne der obigen Erläuterungen) ein parameter-adaptiver Regelkreis im Sinne der oben zitierten Literatur verwendet werden. Ferner ist die vorliegende Erfindung zwar an Hand eines tischartigen Trägers 2 für eine Waage 3 beschrieben worden, eignet sich aber auch für andere Anwendungen. So ist etwa ein Fahrzeug (zwar nicht primär, aber doch auch) ein Träger von Meßinstrumenten und kann mit einer erfindungsgemäßen aktiven Dämpfung ausgerüstet werden.

Claims (39)

1. Dämpfungsvorrichtung für Vibrationen, vorzugsweise für solche an einem Meß­ gerät, insbesondere für eine Waage (3), dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis mit einem die Vibrationen aufnehmenden Sensor (7), einer dessen Ausgangssignal erhalten­ de Verknüpfungsstufe (9) und einem die Dämpfung durchführenden Stellglied (12) vorge­ sehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Dämpfung durchführende Stellglied ein Vibrationen in Gegenphase zu den vom Sensor (7) aufge­ nommenen Vibrationen abgebender Aktuator (12) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sen­ sor (7) ein die interessierenden Frequenzen ausfilterndes Filter (8) nachgeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein Tief­ paßfilter, vorzugsweise einer Abschneidefrequenz von etwa 6 kHz, ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Regelkreis einen Analog/Digital-Wandler (AD) und/oder ein Anti-Alias- Filter (22) am Eingang der Verknüpfungsstufe (9) zur Umwandlung der Analogsignale des Sensors (7) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Regelkreis einen Digital/Analog-Wandler (DA), vorzugsweise mit einem Glättungsfilter (23) am Ausgang der Verknüpfungsstufe (9) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verknüpfungsstufe (9) mindestens ein filterndes Glied (24), insbesonde­ re ein solches (24.1-24.4) für ein ausgewähltes Frequenzband interessierende Vibratio­ nen, enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine filternde Glied (24) eine Resonanzstufe für das ausgewählte Frequenzband umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das minde­ stens eine filternde Glied (24) zumindest eine Resonanzstufe für eine Harmonische des ausgewählten Frequenzbandes umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei filternde Glieder (24.1-24.4) für unterschiedliche Frequenzen zueinander parallel geschaltet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge von mindestens zwei filternden Gliedern (24.1-24.4) an den Eingang einer Mischstufe, insbesondere einer Summierstufe (27), gelegt sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein filterndes Glied (24) für eine Frequenz von maximal 300 Hz, vorzugsweise maximal 100 Hz, ausgelegt ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens ein weiterer Sensor (7') als Fehlersensor zur Aufnahme von ungedämpft gebliebenen Fehlervibrationen vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlersensor (7') an einen anderen, entfernten Ort als der die Vibrationen aufnehmenden Sensor (7) angelegt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fehlersen­ sor (7') ein Filter, insbesondere ein Tiefpaßfilter (8''), zur Ausfilterung interessierender Frequenzen nachgeschaltet ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verknüpfungsstufe (9) als adaptiver Regler ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verknüpfungsstufe (9) als Zustandsregler mit einem mathematischen Model und vorzugsweise mit mindestens einer Anpassungsstufe (31) ausgebildet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das mathemati­ sche Modell die Transfer-Funktion wenigstens eines Teiles des Meßgerätes (3) oder ei­ nes es tragenden Trägers (2, 4) umfaßt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das ma­ thematische Modell die die Funktion der Vibrationsstörungen umfaßt.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verknüpfungsstufe (9) als Regler mit einem Integralanteil, insbesondere als PID-Regler, ausgebildet ist (Fig. 2).

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Aktuator (12) an einem das Meßgerät (3) abstützenden Träger (2, 4) vorgesehen ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2, 4) eine elastisch abgestützte Platte (2) aufweist, unterhalb derselben der Aktuator (12) an­ geordnet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Abstützung (4) eine nicht-lineare Charakteristik besitzt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der ela­ stischen Abstützung (4) eine Geradführung (4') zugeordnet ist.

25. Aktuator für eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß er einen Halter (13) und einen an dem Halter (13) über eine flexible Aufhängung (17) befestigten Hammer (15) umfaßt, der mittels einer Schwingein­ richtung (16) erregbar ist.

26. Aktuator nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (13) von einem den Hammer (15) umgebenden Zylinder gebildet ist.

27. Aktuator nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhän­ gung von wenigstens einer, vorzugsweise kreisringförmigen, Membrane (17) gebildet ist.

28. Aktuator nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (17) aus Metall ist.

29. Aktuator nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Membranen (17) in einem Abstand voneinander angeordnet sind, die den Hammer (15) lenkerartig geradeführen.

30. Aktuator nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Hammer (15) an der Schwingeinrichtung (16) über eine in Schwingungsrichtung ver­ stellbare Justiereinrichtung (19-21) abgestützt ist.

31. Aktuator nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiereinrich­ tung (19-21) eine Stellschraube (19) aufweist.

32. Aktuator nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellschraube (19) an der Schwingeinrichtung (16) kraftschlüssig abgestützt ist.

33. Aktuator nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellschraube (19) einen sich an der Schwingeinrichtung (16) abstützenden Rundkopf (21) besitzt.

34. Aktuator nach einem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Hammer (15) als die Schwingeinrichtung (16) mindestens zum Teil umgebender Zy­ linder ausgebildet ist.

35. Aktuator nach den Ansprüchen 26, 27 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß der zylinderförmige Halter (13) über mindestens zwei Membrane (17) mit dem koaxial in seinem Inneren aufgehängten Hammer (15) verbunden ist.

36. Aktuator nach einem der Ansprüche 25 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingeinrichtung (16) eine piezoelektrische Schwingeinrichtung ist.

37. Aktuator nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Schwingeinrichtung (16) elektrostriktiv ist.

38. Aktuator nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, daß die piezo­ elektrische Schwingeinrichtung (16) aus einer Vielzahl von Lagen besteht.

39. Aktuator nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von la­ gen von einem gemeinsamen Gehäuse (16') umgeben sind.