EP4359749A1 - Schwingbrücke für einen schwingsaitensensor und schwingsaitensensor - Google Patents

Schwingbrücke für einen schwingsaitensensor und schwingsaitensensor

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Publication number
EP4359749A1
EP4359749A1 EP22744380.1A EP22744380A EP4359749A1 EP 4359749 A1 EP4359749 A1 EP 4359749A1 EP 22744380 A EP22744380 A EP 22744380A EP 4359749 A1 EP4359749 A1 EP 4359749A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
oscillating
bridge
detector
frequency
oscillator
Prior art date
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Pending
Application number
EP22744380.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ingo Leonard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Digi Sens Holding AG
Original Assignee
Digi Sens Holding AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Digi Sens Holding AG filed Critical Digi Sens Holding AG
Publication of EP4359749A1 publication Critical patent/EP4359749A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/10—Measuring force or stress, in general by measuring variations of frequency of stressed vibrating elements, e.g. of stressed strings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G01L1/162—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators

Definitions

  • the present invention relates to an oscillating bridge for an oscillating wire sensor according to the preamble of claim 1 and an oscillating wire sensor according to the preamble of claims 13 and 14.
  • Vibrating wire sensors are known and are widely used for many metrological applications. According to the basic principle, a vibrating wire sensor has a mechanism in which a vibrating wire is clamped, with the tension of the vibrating wire being generated by an elastic deformation of the mechanism.
  • the mechanics in turn, can be arranged as intended at two measuring points on a component of any kind or on a machine element and its deformation can thus decrease due to the mutual displacement of the measuring points.
  • This deformation path causes an elastic deformation of the mechanics of the vibrating wire sensor, which in turn causes a changed tension in the vibrating wire.
  • the resonant frequency of the oscillating wire set into vibration by an exciter arrangement during operation changes, which in turn can be recognized by an evaluation arrangement.
  • a specific resonant frequency of the oscillating wire thus corresponds to a specific displacement of the measurement points.
  • the vibrating wire sensor can be used for precise path measurement in the range of micrometers or up to nanometers due to the high Q factor or the high quality of the vibrating wire. It is also known that a force measurement can also be carried out by determining the force acting on the mechanism, since a specific force is required for a specific elastic deformation of the mechanism.
  • the Q factor or the quality is a measure of the damping or the energy loss of a system capable of vibrating.
  • a high Q factor means that the system - in this case the vibrating wire - is weakly damped, so that it has a high amplitude in the resonance range, which means that this can be clearly defined.
  • Vibrating wire sensors are correspondingly more precise than strain gauges, for example, and have a higher resolution and lower creep behavior than these.
  • oscillating wire sensors are comparatively large and consist of many construction elements; in addition, they consume a comparatively large amount of electrical power during operation.
  • vibrating wire sensors based on magnetic excitation of a vibrating wire have a complex and bulky assembly that consumes a comparatively large amount of energy for generating the magnetic field required for this purpose.
  • oscillating bridges instead of an oscillating wire clamped at both ends, oscillating bridges have, for example, one or more oscillating beams clamped at the ends and located next to each other, which oscillate in antiphase, so that during operation the center of gravity of the oscillating bridge itself advantageously hardly oscillates, which in turn leads to lower electrical power consumption .
  • piezo actuators arranged on the oscillating beam have become known.
  • the application of piezoceramics to the vibrating beam introduces disruptive factors into the behavior of the vibrating bridges, which, in addition to other disadvantages, lead to inaccurate measured values (for displacement/force) and, above all, to a drift of the measured values over time , so that the characteristic advantages of the vibrating wire sensors are significantly reduced or lost.
  • CA 2 619 996 now discloses an oscillating bridge for an oscillating wire sensor with three adjacent oscillating beams which are excited by a piezo actuator, wherein other piezo sensors pick up the current frequency of the vibrating beam. All piezo elements are arranged outside of the oscillating beams near the clamping points of the oscillating bridge, which eliminates the disadvantages mentioned above, so that precise measured values can be expected. However, this arrangement in turn leads to other disadvantages, which significantly worsen the exact measurement or measurement precision that is possible with oscillating wire sensors.
  • one of the oscillators is free of an excitation element or vibration detector, it can be used as a resonant oscillator whose resonance properties are unaffected, which therefore has a high Q-factor and thus fundamentally allows optimal measurement precision. Due to the arrangement of the vibration exciter element on another vibrator, which acts as exciter vibrator, surprisingly there is no negative influence on the excitation and the resonance behavior of the resonance vibrator itself, despite the foreseeable negatively influenced vibration behavior of the exciter vibrator. The same applies - equally surprising - also for the arrangement of a vibration detector element on a detector oscillator. As a result, the highest measuring precision that can in principle be achieved by vibrating wire sensors can be achieved by means of an oscillating bridge according to the invention, with a drift of the measured values also being eliminated.
  • the time interval between individual measurements can be shortened by an excitation arrangement according to claim 14, since a repetitive frequency search for the respective resonance frequency is largely eliminated.
  • Figure 1 shows schematically a first embodiment of an oscillating bridge according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic of a second embodiment of a swing bridge according to the invention
  • FIG. 3 schematically shows a third embodiment of an oscillating bridge according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of a vibrating wire sensor with an embodiment of a vibrating bridge according to the invention, which has a vibration exciter and a vibration detector with different resonance frequencies.
  • FIG. 1 shows schematically a vibrating wire sensor 1 with connection points la and lb for fixing it to measuring points of a component or machine part of any kind
  • Vibrating wire sensor 1 is provided with a vibrating bridge 2 and an electronic exciter arrangement 3 for a vibration exciter element designed here as a piezoelectric actuator 4, the actuator 4 being connected to the exciter arrangement 3 via lines 5.6.
  • the oscillating bridge 2 has a vibrator designed as an exciter vibrator 7 and a vibrator designed as a resonant vibrator 8 in the form of vibrating beams with a rectangular cross section, for example.
  • a left 10 and right base section 11 of the oscillating bridge 2 are connected to these in one piece, between which the excitation oscillator 7 and the resonant oscillator 8 extend.
  • In each base section 10,11 there is a clamping point 12,13 for clamping the oscillating bridge 2 in a mechanism of the oscillating wire sensor 1 which is not shown to relieve the figure but is fundamentally known to those skilled in the art.
  • the excitation vibrator 7 and the resonant vibrator 8 are mechanically connected to the opposite clamping points 12,13 via the base regions 10,11.
  • the excitation vibrator 7 and the resonant vibrator 8 itself have in principle the same resonant frequency and the same Q factor, since they are made of the same material here (but not necessarily for all embodiments); they are also exposed to the same tensile stress when operating.
  • the Q-factor of the excitation oscillator 7 is significantly reduced by the actuator 4 mounted on it, and its resonance frequency is also subject to a drift for the reasons mentioned above.
  • the exciter arrangement 3 performs a frequency search run by applying a voltage with a predetermined frequency interval to the piezoelectric actuator 4 via the lines 5,6 (the exciter signal).
  • the actuator 4 thereby puts the excitation vibrator 7 in a forced vibration, which in turn excites the resonant vibrator 8 via the adjacent areas of the base sections 10,11. This gets into resonance as soon as the frequency generated by the excitation arrangement 3 or the frequency of the excitation signal corresponds to its current resonance frequency, which in turn is given by the tensile stress of the resonant vibrator 8 that is currently effected by the clamping points 12,13.
  • the exciter arrangement 3 alternates cyclically during the frequency search between an excitation phase and a detection phase, ie a phase without excitation following the excitation phase.
  • the forced oscillation of the exciter oscillator 7 quickly decays due to its damping, unless it is now in turn significantly excited by the resonant oscillator 8 (via the adjacent areas of the base sections 10,11), which is only the case is when it is in resonance (and as long as its amplitude is still large enough for a short time, which is the case for a sufficiently long time).
  • This excitation generates via the piezo effect in the actuator 4 in turn an alternating voltage, which is present in the detection phase via the lines 5.6 to the exciter arrangement 3 and a frequency and amplitude signal of the current oscillation frequency of the exciter vibrator 7 represents (the detector signal).
  • This detector signal uses its large amplitude to detect that the resonant oscillator is in resonance and what the resonant frequency is.
  • the exciter arrangement 3 thus detects whether the resonant oscillator 8 is in resonance or not. If this is the case, it uses it to detect its current resonant frequency.
  • the vibration exciter in the embodiment shown due to its piezoelectric properties can and will preferably also be operated as a vibration detector.
  • the exciter arrangement 3 can now be designed further by means of a suitable oscillation circuit in such a way that if a resonant frequency of the resonant oscillator 8 is detected, this frequency is used for the excitation phase that follows the detection phase, so that the frequency search is interrupted and the exciter oscillator 7 continues in forced oscillation the current resonant frequency of the resonant vibrator 8 is maintained. On the one hand, this compensates for the damping in the resonant oscillator 8 so that its amplitude does not drop.
  • a changing resonant frequency can also be tracked in this way: If the tensile stress on the resonant vibrator 8 changes, it continues to oscillate at the new resonant frequency by itself at the latest in the subsequent phase without excitation due to the vibration energy it contains. In this detection phase, this also applies (via the adjoining areas of the base sections 10, 11) to the exciter oscillator 7 to, in turn, the changed frequency of the exciter arrangement 3 as a new resonance frequency detected in turn and used to excite the exciter oscillator in the next phase of the excitation.
  • the result is a vibrating wire sensor with a vibrating bridge, which preferably has an exciter arrangement for the vibration exciter element, which is designed to recognize a current detection signal generated by the vibration exciter element in a detection phase. More preferably, the exciter arrangement is designed, in an excitation phase of the vibration exciter element following a detection phase, to excite the latter with the exciter signal at a frequency which corresponds to the detector signal generated by it in the preceding detection phase.
  • This "stimulate/detect" cycle of the exciter arrangement 3 is preferably repeated for each search frequency throughout the entire frequency search. The same applies to the frequency search as such, in order to determine a resonance of the resonant vibrator even in the case of strongly or abruptly changing tensile stress on the vibrating bridge 2 if a changed resonant frequency should no longer be detectable as a result of the feedback.
  • a single excitation pulse (Fleaviside pulse) to the excitation oscillator 7 as the excitation signal. All frequencies are represented in a Fleaviside pulse.
  • the resonant vibrator 8 is excited in its resonant frequency, so that in the subsequent detection phase, for example, a piezoelectric element such as the actuator 4 can generate the corresponding detector signal and transmit it to the exciter arrangement 3 .
  • a person skilled in the art to feed a voltage step function to a piezo element via the corresponding design of the electronics, so that a Fleaviside pulse is fed to the exciter oscillator 7.
  • An evaluation unit of the vibrating wire sensor which is not shown for the sake of relief and is basically known to a person skilled in the art and is preferably provided in the exciter arrangement 3, provides the basis the detected resonant frequency of the resonant vibrator 8 from a measured value for the ge desired force / displacement measurement.
  • the exciter oscillator 7 seems to have deteriorated properties for a resonance measurement due to the piezoelectric element 4 attached to it, in particular the reduced Q factor (increased damping) so that its resonance curve is still large over a wide range around the resonance frequency amplitudes (in contrast to the amplitude that decreases very quickly around the resonance frequency with only slight damping, as is the case with resonant vibrators) and a drift in its own resonance frequency for the reasons given at the beginning (change in mass, local stiffening with changing properties of the adhesive etc.).
  • the excitation oscillator 7 can also have appreciable amplitudes outside the resonant frequency of the resonant vibrator 8, but this is not a problem due to the high Q factor of the resonant vibrator 8, since it has no appreciable amplitude outside its resonant frequency, and therefore too little in the detection phase Vibration energy has to excite the exciter vibrator 7 strong enough for a resonance frequency signal.
  • the reduced Q factor of the exciter oscillator 7 can have a positive effect due to a wide range with a high amplitude around its resonant frequency if the resonant frequencies of the two oscillators 7.8 differ from one another.
  • the tensile stresses in the oscillators 7, 8 deviate from one another due to non-ideal assembly, e.g. if the clamping points are not screwed together ideally, so that a torque is generated in the base sections, or because of temperature stresses after welding.
  • the amplitude of exciter vibrator 7 in the resonance range of resonant vibrator 8 is still high enough to excite it sufficiently so that it can resonate (see also the description of FIG. 4).
  • FIG. 2 shows a further embodiment of an oscillating bridge 20 according to the invention, which instead of two has three parallel oscillators arranged in a common plane, namely a resonant oscillator 21 located in the middle, a lateral exciter oscillator 22 and a detector oscillator located on the other side of the resonant oscillator 21 23.
  • a frequency search is carried out via the exciter arrangement 30, with a detection phase corresponding to the embodiment shown in FIG and outputs this to an input 31, shown schematically in the figure, for the detector signal to the exciter arrangement 30, so that the exciter arrangement 30 can process the detector signal.
  • the exciter oscillator 22 If the exciter oscillator 22 is excited by the actuator 24 during the frequency search, it falls into forced oscillation at the frequency specified by the actuator 24 . If this does not correspond to a narrow range of the resonance frequency of the resonant vibrator 21 corresponding to the high Q factor, it does not oscillate, and the detector vibrator 23 does not oscillate either, since there are no significant deformations of the edge regions of the base sections 10, 11 between it and the resonant vibrator 21 take place.
  • the actuator 24 meets the resonant frequency of the resonant vibrator 21 with sufficient accuracy during the frequency search, it begins to oscillate. Only then is sufficient energy transmitted to the detector oscillator 23 so that it oscillates. Its amplitude increases significantly, even if its Q factor is reduced or there is a drift in its resonant frequency due to the detector oscillator 25 arranged on it.
  • the oscillation of the detector oscillator 23 is in phase opposition to the resonant oscillator 21, but at the same frequency, the resonant frequency of the resonant oscillator 21.
  • the vibration detector 25 now generates a detector signal for the amplitude of the detector vibrator 23, as well as its frequency, with the significant increase in the amplitude showing that the associated frequency is the resonant frequency of the resonant vibrator 22.
  • the resonant frequency of the resonant vibrator 22 can only be recognized via the amplitude, since this corresponds to the frequency of the excitation signal.
  • the detector signal preferably contains the amplitude and the frequency, and the frequency of the detector signal with a large amplitude is then recognized as the resonant frequency.
  • the frequency of the detector signal can be fed back in phase by the excitation arrangement 3 to the actuator 24, which thereby maintains the current vibration amplitude at the resonant frequency of the resonant vibrator.
  • a person skilled in the art can provide the exciter arrangement 3 (as also in the embodiment according to FIG. 1) with a corresponding oscillator circuit.
  • a change in the resonant frequency can also be followed, as is the case with the embodiment of FIG. 1, in which case the frequency search can simply be restarted if the change is too great.
  • a minimum energy consumption of the oscillating bridge 2.20 results when its center of gravity remains essentially at rest during operation. Since the vibrators 7.8 and 21 to 23 oscillate in antiphase, it follows that the mass of the outer vibrators 22,23 preferably with the Vibration exciter 24 and collector 25 is essentially the same as the mass of the middle vibrator 21 and the vibrating bridge 20 is designed in such a way that when the outer vibrators 22, 23 vibrate in phase opposition to the middle vibrator 21, the center of gravity of the vibrating bridge 20 is in the essentially remains at rest.
  • the vibration exciter (actuators 4.24 in FIGS. 1 and 2) is preferably provided in the middle of the excitation vibrator 7.22, as a result of which the generation of disturbing harmonics in its vibration behavior is avoided. More preferably, this is also the case for the vibration detector 25 on the detector.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of an oscillating bridge 40 for an oscillating wire sensor.
  • the vibratory exciter and the detector vibrator are not designed as vibrating beams, but as vibrating tongues, here as vibrating exciter tongue 41 and vibrating detector tongue 42, each of which has a preferably piezoelectric actuator 43 at its end as a vibration exciter element or piezoelectric Have vibration detector 44, both of which are operatively connected via corresponding lines 45,46 and 47,48 to the exciter arrangement 30 and its input 31 for the detector signal.
  • the exciter oscillating tongue 41 is opposite a compensating oscillating tongue 50 provided with a counterweight 49, and a compensating oscillating tongue 52 provided with a counterweight 51 is opposite the detector oscillating tongue 42.
  • the oscillating bridge 40 as a whole remains more stable during operation, as does its center of gravity in particular.
  • the resonant vibrator 53 is free of vibration exciters or vibration detectors, and preferably free of other elements, including coatings of any kind. Frequency search, generation of the detector signal and feedback are carried out analogously to the embodiment according to FIG.
  • the measurement range is half as large, since the tensile stress only has to be absorbed by the resonant vibrator 53—the resolution remains the same. Since the measuring range is half as large, the result is a resolution that is twice as fine for half the measuring range.
  • the vibrator provided with the vibration exciter is preferably designed as a vibrating tongue, with a further vibrator designed as a vibrating tongue being more preferably provided, which has a vibration detector. In this case, more preferably, a vibrator designed as a vibrating tongue is opposite a counter-vibrating tongue.
  • a counter-oscillating tongue is preferably provided with a weight that has a mass such that the counter-oscillating tongue oscillates during operation of the oscillating bridge essentially in the same phase as the oscillating tongue to which it is assigned.
  • the embodiments shown in Figures 1 to 3 have an oscillating bridge for an oscillating wire sensor in common, with clamping points located opposite one another for connecting the oscillating bridge to the oscillating wire sensor and with a plurality of oscillators provided between the clamping points, which are mechanically connected to the fastening points, with at least one of the oscillators can be put under train via this and is free of a vibration exciter or vibration detector and another oscillator is provided with a vibration exciter.
  • an oscillating bridge for an oscillating wire sensor is provided with opposite clamping points for connecting the oscillating bridge to the oscillating wire sensor and with a plurality of oscillators provided between the clamping points, one of which is designed as a resonant oscillator, which is mechanically connected to the clamping points are connected, wherein the resonant vibrator can be placed under tension via the clamping points and is free of a vibration exciter or vibration detector and is arranged on a further vibrator with-a vibration exciter.
  • At least one of the vibration exciters or detectors provided is preferably designed as a piezoelectric element.
  • at least one of the vibrators is preferably designed as an elongated rod, preferably as a square (further preferably, all vibrators of an embodiment are designed the same).
  • at least one of the oscillators even more preferably the oscillating bridge as a whole, consists of a metal, spring steel or another suitable material. Spring-elastic materials with low damping are suitable, so that there is a resonance curve with a sharply defined resonance frequency over the steep increase in amplitude.
  • the resilient material also has a high yield point, which then leads to a wide measuring range.
  • this material is preferably different from a piezoelectric material, since it should not be self-excited or detected, but by vibration exciters or detectors, which means that more suitable materials than piezoelectric materials can be used.
  • a vibrating wire sensor with a vibrating bridge which has an excitation arrangement for the vibration exciter provided with an input for a frequency signal of the vibration detector, and the excitation arrangement is designed to output a frequency corresponding to the frequency signal as an excitation frequency to the vibrating exciter.
  • Figure 4 shows a diagram 60 with the resonance curve 61 of a resonance oscillator 7,22,41 according to Figures 1 to 3 and the resonance curve 62 of a detector oscillator 8,23,42 according to Figures 1 to 3.
  • the vertical axis designates the amplitude A and the horizontal axis the frequency f of the vibration of the respective vibrator.
  • the diagram also shows a detection amplitude AD of the excitation arrangement 3,30, which indicates when an amplitude of the detector signal (resonance curve 62) is recorded as an amplitude and processed as such, or when this is, for example, mere noise in the detector signal (or for other reasons). is discarded as amplitude.
  • the resonance curve 62 below the threshold of the detection amplitude AD can no longer be recognized by a respective excitation arrangement 3, 30 and is shown in broken lines in FIG.
  • the detection amplitude A D is shown schematically in Figure 4, depends on the design of the vibrating bridge, the vibration detector and the exciter arrangement 3,30 selected by the person skilled in the specific case and does not have to be constant over the frequency range of interest, but it is shown as a straight line in FIG. 4 for the sake of simplicity.
  • the detection amplitude AD is not relevant for the resonance curve 61 of the resonance oscillator 7, 22, 41, since it is not detected—the resonance curve 61 is correspondingly shown without a dashed area.
  • the detection amplitude AD can also be used for the comparison of the resonance curves 61, 62 are used since a comparison is possible with the same amplitude.
  • the resonance frequencies f Rres of the resonance oscillator 7,22,41 and for the detector oscillator 8,23,42 are different here, with the resonance curve 61 of the resonance oscillator 7,22,41 having a narrow frequency range f RBe due to its high Q factor - re h and the resonance curve 62 of the detector oscillator 8,23,42 due to its lower Q factor has a wider frequency range f Drange .
  • the resonance curve 62 is therefore flatter than the resonance curve 61.
  • Excitation in the resonant frequency range f R area by the piezoelectric actuator 4,24,43 increases the amplitude of the resonant vibrator 7,22,41 and transmits more energy to the detector vibrator 8,23,42, whose amplitude also increases until it reaches the detection amplitude AD exceeds.
  • the amplitude of the resonant oscillator 7,22,41 required for this, the transmission amplitude A a depends on the specific design of the oscillating bridge 1 . If the transmission amplitude A A is exceeded, the detector oscillator 8,23,42 oscillates in the corresponding frequency range of the resonance oscillator 7,22,41 according to the resonance curve 62, which in turn, because it is above the detection amplitude AD, is caused by the exciter arrangement 3 .30 can be recorded.
  • the oscillating bridge 1 and the exciter arrangement 3, 30 are preferably designed in such a way that the detection amplitude AD and the transmission amplitude A A coincide in order to keep the possible overlapping area as large as possible.
  • a vibrating string sensor 1 with an oscillating bridge 20,40 according to claim 1 the oscillating bridge 20,40 further having a detector oscillator 23,42 with a frequency f Dres different from the resonance frequency f Rres of the resonance oscillator 21,53, and with a resonance curve 62, which is flatter than the resonance curve 61 of the resonant vibrator 21,53, and the oscillating bridge 20,40 is designed such that the De tektorschwinger 23,42 in operation when the resonant vibrator 21,53 oscillates with an amplitude above one Transmission amplitude A A in turn oscillates with an amplitude above a detection amplitude AD of the excitation arrangement 30, and the vibrating wire sensor 1 is provided with an excitation arrangement 30 which is designed to generate an excitation signal for a vibration exciter 24,44 and a currently detected detector signal on the detector vibrator 23.42 arranged vibration detector 25, 45 to vera Work not to use this detector signal for determining the frequency and amplitude of the detector oscillator 7,23,42 below the
  • the excitation arrangement 30 is further designed not to use the currently detected detector signal for determining the frequency and amplitude of the detector oscillator 7,23,42 if its frequency is not within a predetermined permissible frequency interval within the frequency range of the resonant oscillator is above the transmission amplitude A A. This means that an oscillation of the detector oscillator 23.42 that is not triggered by the resonator 21.53 can be discarded from the outset.

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Abstract

Schwingbrücke für einen Schwingsaitensensor 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 und über diese unter Zug gesetzt werden können, wobei einer der Schwinger frei ist von einem Schwingungserreger oder Schwingungsdetektor und ein weiterer Schwinger mit einem Schwingungserreger versehen ist.

Description

Schwingbrücke für einen Schwingsaitensensor und Schwingsaitensensor
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 AD 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 fRres des Resonanzschwingers 7,22,41 und füres 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 fRBe- re h und die Resonanzkurve 62 des Detektorschwingers 8,23,42 aufgrund seines tieferen Q Fak tors einen breiteren Frequenzbereich fDBereich aufweist. Damit verläuft die Resonanzkurve 62 flacher als die Resonanzkurve 61.
Durch Anregung im Resonanzfrequenzbereich fRBereich 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 Aa, hängt von der konkreten Ausbildung der Schwingbrücke 1 ab. Ist die Übertragungs amplitude AA 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 AA und die Resonanzkurve 62 des Detektorschwingers 8,23,42 oberhalb der Detektionsamplitude AD 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 AA 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 fRres des Resonanzschwingers 21,53 verschiedenen Resonanzfre quenz fDres, 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 AA 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 A0 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 AA 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 AA liegt. Damit kann eine nicht durch den Reso nanzschwinger 21,53 ausgelöste Schwingung des Detektorschwingers 23,42 zum vornherein verworfen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Schwingbrücke (2,20,40) für einen Schwingsaitensensor (1) mit einander gegenüberlie genden Einspannstellen (12,13) für die Verbindung der Schwingbrücke (2,20,40) mit dem Schwingsaitensensor (1) und mit mehreren, zwischen den Einspannstellen (12,13) vor gesehenen Schwingern (7,8,21 bis 23), von denen einer als Resonanzschwinger (8,21,53) ausgebildet ist, die mechanisch mit den Einspannstellen (12,13) verbunden sind, wobei der Resonanzschwinger (8,21) im Betrieb über die Einspannstellen (12,13) unter Zug oder Druck gesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzschwinger (8,21) frei ist von einem Schwingungserreger oder Schwingungsdetektor und ein weiterer Schwinger (7,22,23) ein Schwingungserreger (4,24,43) versehen ist.
2. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 1, wobei der Schwingungserreger als Schwin gungsdetektor betreibbar ist.
3. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 1, wobei drei sich in einer Ebene parallel zu ei nander angeordnete Schwinger vorgesehen sind, dabei einer der Äusseren mit dem Schwingungserreger und der Andere mit dem Schwingungsdetektor versehen ist und we nigstens der Mittlere unter Zug gesetzt werden kann und frei ist von diesen, wobei bevor zugt auch die Äusseren Schwinger unter Zug gesetzt werden können.
4. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 3, wobei die Masse der Äusseren Schwinger mit dem Schwingungserreger und - Abnehmer im Wesentlichen gleich ist wie die Masse des mittleren Schwingers und die Schwingbrücke (2,20,40) derart ausgebildet ist, dass bei ei ner Gegenphasigen Schwingung der äusseren Schwinger zum mittleren Schwinger der Schwerpunkt der Schwingbrücke (2,20,40) im Wesentlichen in Ruhe bleibt.
5. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 1, wobei der mit dem Schwingungserreger (43) versehene Schwinger als Schwingzunge (41) ausgebildet ist.
6. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 1, wobei ein weiterer, als Schwingzunge (42) aus gebildeter Schwinger vorgesehen ist, der einen Schwingungsdetektor (44) aufweist.
7. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 5 oder 6, wobei einem als Schwingzunge (41,42) ausgebildeten Schwinger eine Gegenschwingzunge (50,52) gegenüberliegt.
8. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 7, wobei eine Gegenzunge mit einem Gewicht versehen ist, das eine Masse derart aufweist, dass die Gegenzunge im Betrieb der Schwingbrücke (2,20,40) im Wesentlichen mit gleicher Phase schwingt wie die Zunge, der sie zugeordnet ist.
9. Schwingbrücke (2,20,40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der vorgesehenen Schwingungserreger oder -abnehmer ein als Piezokeramik ausge bildet ist.
10. Schwingbrücke (2,20,40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Schwinger, bevorzugt die Schwingbrücke (2,20,40) aus einem Material verschie den von einem piezoelektrischen Material besteht, besonders bevorzugt aus Metall, ganz bevorzugt aus Federstahl besteht.
11. Schwingbrücke (2,20,40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Schwinger als langgestreckter Stab, bevorzugt als Vierkant ausgebildet ist.
12. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 3, wobei der Schwingungserreger (7,22,43) und der Schwingungsdetektor (25,44) in der Mitte des ihm zugeordneten Schwingers vorge sehen ist.
13. Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 1, wobei der Resonanzschwinger (8,21,53) weiter frei ist von einem anderen Element für irgendeinen Zweck und bevorzugt unbeschichtet ist.
14. Schwingsaitensensor (1) mit einer Schwingbrücke (2,20,40) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei dieser eine mit einem Eingang (31) für ein Frequenzsignal des Schwingungs detektors (25,44) versehene Anregungsanordnung (30) für den Schwingungserreger auf weist, und die Anregungsanordnung ausgebildet ist, eine dem Frequenzsignal entspre chende Frequenz als Anregungsfrequenz an den Schwingungserreger auszugeben.
15. Schwingsaitensensor (1) mit einer Schwingbrücke (2,20,40) nach Anspruch 1, wobei dieser eine Anregungsanordnung (30) für das Schwingungserregerelement aufweist, die ausge bildet ist, in einer Phase ohne Anregung des Schwingungserregerelements ein von die- semgeneriertes, aktuelles Detektionssignal zu erkennen.
16. Schwingsaitensensor (1) nach Anspruch 15, wobei die Anregeranordnung (30) weiter aus gebildet ist, in einer auf die Phase ohne Anregung folgenden Anregungsphase des Schwin- gungserregerelemnets dieses durch das Erregersignal mit einer Frequenz anzuregen, wel che dem von diesem in der vorangehenden Phase ohne Anregung generierten Detekti onssignal entspricht.
17. 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 fRres des Resonanzschwingers (21,53) verschiedenen Resonanzfre quenz fDres, 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 Detektorschwinger (23,42) im Betrieb bei einer Schwingung des Resonanz schwingers (21,53) mit einer Amplitude oberhalbe einer Übertragungsamplitude AA sei nerseits mit einer Amplitude oberhalb einer Detektionsamplitude AD der Anregungsan ordnung (3) 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 Detektor schwinger (23,42) angeordneten Schwingungsdetektors (25, 45) zu verarbeiten, dabei die ses Detektorsignal für die Bestimmung der Frequenz- und Amplitude des Detektorschwin gers (7,23,42) unterhalb der Detektionsamplitude A0 nicht zu verwenden, wobei sich die Resonanzkurven (61,62) des Resonanzschwingers (21,53) und des Detektorschwingers (23,42) im Bereich oberhalb der höheren der Detektionsamplitude AD und der Übertra gungsamplitude AA überlappen.
18. Schwingsaitensensor nach Anspruch 16, wobei die Anregungsanordnung (30) weiter aus gebildet ist, 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 vorbestimmten zulässigen Frequenzintervall innerhalb des Frequenzbe reichs der Resonanzschwingers oberhalb der Übertragungsamplitude AA liegt.
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