DE2109175A1

DE2109175A1 - Vibrating string transducer with compensation of the temperature error

Info

Publication number: DE2109175A1
Application number: DE19712109175
Authority: DE
Inventors: Otto Dip) Phys Dr 2000 Hamburg Blunck
Original assignee: H Maihak AG
Current assignee: H Maihak AG
Priority date: 1971-02-26
Filing date: 1971-02-26
Publication date: 1972-09-07
Also published as: DE2109175B2

Description

Schwingsaif en-iesawertgeber mit Kompensation des Temperaturfehlers Zur Messung mechanischer Grössen, wie Kraft, Druck, Dehnung, Neigung uO dgl., bestehen Messwertgeber, die die Frequenz änderung einer schwingfähig gespannten Saite auswerten.Vibrating sensor with compensation of the temperature error To measure mechanical quantities such as force, pressure, elongation, inclination and the like Measuring transducers that evaluate the change in frequency of a string that is tensioned so that it can vibrate.

Diese-Messwertgeber sind in geeigneter Weise mit dem Messobjekt gekoppelt, um in Abhänggkeit von seiner geometrischen Formanderung infolge Belastung eine möglichst grosse Spannkraftänderung und daraus bedngtegrosse Eigenfrequenzänderung der schwingenden Saite zu erhalten. Sie sind daher so konstruiert, dass sie der Jeweiligen Messaufgabe angepasst werden können. Ihre Anwendung erfolgt in allen Bereichen der Bauwrtschaft.These transducers are suitably coupled to the measurement object, depending on its geometric change in shape as a result of loading as much as possible large change in clamping force and, as a result, a large natural frequency change of the vibrating Get string. They are therefore designed in such a way that they are suitable for the respective measuring task can be customized. They are used in all areas of the construction industry.

Viele Messaufgaben bedingen eine Fernübertragung der Meeswerte, da die eigentlichen Messwertgeber an schwer bzw.Many measurement tasks require remote transmission of the measured values, since the actual transducers to heavy resp.

später überhaupt nicht mehr zugänglichen Stellen angebracht werden müssen. Infolge der notwendigen Langzeitbeobachtungen sollen die Geber eine hohe mechanische Robustheit und trotsdem eine grosse Messgenauigkeit mit gutem Auflösungsvermögen besitzen.later inaccessible places can be attached have to. As a result of the necessary long-term observations, the donors should have a high mechanical robustness and still a high measurement accuracy with good resolution own.

Die Dehnungsiesesaite des Gebers schwingt in einem polarisierten Magnetkreis, bestehend aus Permanentmagnet und Spule. Um den mittleren Teil der Stahlsaite ist eine enge Spirale aus Weicheisendraht als anker gewickelt. Vom Smpfangsgerät wird über das Verbindungskabel ein inirzer Gleichstromimpuls in die Spule gegeben, der eine Elongation der Meßsaite verursacht, die dadurch in gedämpfte mechanische Schwingungen ihrer Eigenfrequenz versetzt wird0 Während des Ausschwingens schneidet die Saite das Magnetfeld und induziert in dieser Spule eine Wechselspannung der gleichen Frequenz. Diese Frequenz wird über dasselbe Kabel auf das Empfangsgerät zurückgegeben.The encoder's extension string oscillates in a polarized magnetic circuit, consisting of permanent magnet and coil. Around the middle part of the steel string is a tight one Spiral made of soft iron wire wound as an anchor. From the receiving device a short direct current impulse is given into the coil via the connecting cable, which causes elongation of the measuring string, which in turn leads to damped mechanical Oscillations are displaced at their natural frequency 0 cuts during the decay the string the magnetic field and induces an alternating voltage in this coil same frequency. This frequency is sent to the receiving device via the same cable returned.

Der Arbeitsfrequenzbereich jeder Saite liegt im hörbaren Niederfrequenzbereich0 Die Eigenfrequenz wird durch die effektive Masse der Saite und des Ankers und die Spannung, die proportional zur Dehnung der Saite ist, bestimmt. Die an beiden Enden fest eingespannte elastische Saite schwingt mit einem Schwingungsbauch in der Mitte. Besitzt diese Saite die Länge L,de effektive Masse m je Längeneinheit und die Spannung T0, so schwingt sie mit der Frequenz wobei b eine Konstante ist. Die Saite wird auf die Frequenz fo entsprechend der iusgangsspannung T0 eingestellt. Die mechanische Spannung darf nicht zu niedrig sein, da sonst der Anker auf die Polflächen des Magneten gezogen wird.The working frequency range of each string is in the audible low frequency range0 The natural frequency is determined by the effective mass of the string and the anchor and the tension, which is proportional to the elongation of the string. The elastic string, firmly clamped at both ends, vibrates with an antinode in the middle. If this string has the length L, the effective mass m per unit of length and the tension T0, then it oscillates with the frequency where b is a constant. The string is set to the frequency fo corresponding to the output voltage T0. The mechanical tension must not be too low, otherwise the armature will be drawn onto the pole faces of the magnet.

Hierdurch wird die niedrigste Frequenz bestimmt.This determines the lowest frequency.

Wenn der Probekörper deformiert wird, erfährt das Messelement eine Dehnung 5. Die Spannung in der Saite erhöht sich deshalb um T1 - T0 3 EA 8, wobei E der Elektrizitätsmodul und A der Querschnitt der Saite sind. Diese zusätzliche Spannung erhöht die Eigenfrequenz der Saite auf einen Wert f1e Wenn die Dehnung der Saite unterhalb ihrer Elastizitätsgrenze bleibt - hierdurch wird die maximale Betriebsfrequenz der Saite bestimmt - gilt für die Frequenzänderung f1² - f0² = b (T1 - T0) = cs Die Konstante c muss für jedes Messelement durch Eichen ermittelt werden0 Aus der gemessenen Dehnung lässt sich die Deformation de Bessobåektes und daraus mit dem entsprechenden Eichfaktor diephysikalische Messgrosse, wie Kraft, Druck u. dgl., ermitteln, Die Grössen B und m einer fest eingespannten Saite können sich nicht andern Der Eichfaktor muss daher praktisch über unbegrenzte Zeit konstant bleiben. Die Tatsache, dass die Frequenz quadratisch mit der Dehnung und damit mit der Messgrösse zusammenhängt, bewirkt das ausserordentlich hohe Auflösungsvermögen des Verfahrens.If the specimen is deformed, the measuring element experiences a Elongation 5. The tension in the string therefore increases by T1 - T0 3 EA 8, where E is the modulus of electricity and A is the cross section of the string. This additional Tension increases the natural frequency of the string to a value f1e when the elongation the string remains below its elastic limit - this is the maximum The operating frequency of the string is determined - applies to the frequency change f1² - f0² = b (T1 - T0) = cs The constant c must pass for each measuring element The deformation can be determined from the measured elongation Bessobåektes and from it with the corresponding calibration factor the physical measurand, such as force, pressure and the like, determine the sizes B and m of a firmly clamped Strings cannot change. The calibration factor must therefore be practically unlimited Stay constant over time. The fact that the frequency is the square of the strain and thus related to the measured variable, causes the extraordinarily high resolution of the procedure.

Die in mechanische Schwingungen umgewandelte Messgrösse wird wieder in elektrische Schwingungen umgeformt und über eine Leitung oder auch drahtlos auf beliebige Entfernungen übertragen. Somit bietet sich dieses Verfahren für Fernmessungen an,da die Frequenz nicht von Schwankungen der Kabel- oder Kontaktwiderstände beeinflusst wird.The measured variable converted into mechanical vibrations becomes again converted into electrical vibrations and transmitted via a line or wirelessly transmit any distance. This method is therefore suitable for remote measurements because the frequency is not influenced by fluctuations in cable or contact resistance will.

Die Frequenzübertragung gewährleistet also eine sichere und unverfälschbare Fernübertragung der Messwerte. Sie stellt keine besonderen Anforderungen an Leitungen, Schalter und Verbindungsstellen0 Zur Frequenzauswertung existieren Verfahren, die einen Frequenzvergleich mit einer Vergleichssaite im Empfangsgerät durchführen, deren physikalische Eigenschaften mit der jeweiligen Meßsaite übereinstimmt, Bei den üblichen Verfahren wird die Dehnung dieser Vergleichssaite durch eine geeichte Spindel verstellt, deren Position nach Frequenzabgleich die mechanische Spannung bzw. Dehnung der Meßsaite angibt. Es kann natürlich auch eine voll elektronische Auswertung der Frequenzen der Dehnungssaiten vorgenommen werden. Die mechanischen Schwingungen werden nach Umsetzung in elektrische Impulsfolgen mit Digitalzählern ausgezählt, oder es wird die Zeitdauer für Je 100 Schwing gungen gemessen. Als Zeitgeber dient in beiden Fällen ein frequenzstabilisierter Quarz-Oszillator, der im ersten Pall eine vorgegebene Anzahl Schwingungen auf eine elektronische Torschaltung zur Steuerung des Digitalzählers gibt oder dessen Schwingungen im zweiten Pall auf einen Anzeigespeicher laufen, der von einer festen Anzahl Saitenschwingungen gestartet und gestoppt wird0 Somit wird entweder die Frequenz oder die Periodendauer gemessen.The frequency transmission thus guarantees a secure and unalterable Remote transmission of the measured values. It does not place any special requirements on cables, Switches and connection points0 There are procedures for frequency evaluation that perform a frequency comparison with a comparison string in the receiving device, whose physical properties match the respective measuring string, Bei The usual procedure is the elongation of this comparison string by a calibrated Adjusted spindle, the position of which determines the mechanical tension after frequency adjustment or elongation of the measuring string. It can of course also be fully electronic Evaluation of the frequencies of the extension strings can be made. The mechanical Vibrations are converted into electrical pulse trains with digital counters counted, or the duration is measured for every 100 oscillations. As a timer A frequency-stabilized quartz oscillator is used in both cases, the first Pall a predetermined number of oscillations on an electronic gate circuit for control of the digital counter or its oscillations in the second pallet on a display memory run that is started and stopped by a fixed number of string vibrations0 Either the frequency or the period is thus measured.

Die Frequenz jedes Messelementes wird jedoch zusätzlich durch die Temperatur beeinflusst, da die Einspannvorrichtung und die Stahlsaite im allgemeinen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben. Dieser Unterschied bewirkt eine temperaturproportionale Spannungsänderung der Meßkante und somit eine Verfälschung der Messgrösse0 Da der Geber in verschiedenen Messobjekten, z.B. Beton, Flüssigkeiten uOäe, eingesetzt wird unidabei erheblichen Temperaturänderungen ausgesetzt ist, kann der Temperaturfehler hohe Werte erreichen.However, the frequency of each measuring element is additionally determined by the Temperature affects as the jig and the steel string in general have different coefficients of thermal expansion. This difference causes a temperature-proportional change in voltage of the measuring edge and thus a falsification of the measured variable 0 Since the encoder is in various objects to be measured, e.g. concrete, liquids uOäe, is used and is exposed to significant temperature changes, the temperature error can reach high values.

Diese Temperaturfehler werden durch die Erfindung beseitigt, Das erfndungsgemässe Verfahren zur Elimination des Temperaturfehlers der Schwingsaite in Schwingsaisen-Messwertgebern ist dadurch gekennzeichnet, aass -C-e temperaturabhängigen Frequenzänderungen einer zusätzlichen Schwingsaite (Referenzsaite), welche den mechanischen Belastungen durch die Messgrösse nicht ausgesetzt ist, zum Ausgleich des Temperaturfehlers des Meßsaite verwendet wird.These temperature errors are eliminated by the invention Procedure for eliminating the temperature error of the vibrating string in vibrating iron sensors is characterized by aass -C-e temperature-dependent frequency changes a additional vibrating string (reference string), which the mechanical loads caused by the measured variable is not exposed to compensate for the temperature error of the measuring string is used.

Das Verfahren zur Auswertung der Signalfrequenzen von Schwingsaiten-Messwertgebern mit Mess- und Referenzsaite ist dadurch gekennzeichnet, dass als temperaturunabhängiger Messwert der Quotient aus der Differenzfrequenz beider Dehnungsmeßsaiten und der Referenzfrequenz gebildet wird0 Die Erfindung betrifft auch ein Gerät, das eine additive Mischstufe zur Bildung der Differenzfrequenz beider Saitenschwingungen, eignen Tiefpassfilter zur Unberdrückung anderer Frequenzgemische als Impulsfolge und einen von dem Xiefpassfilter betätigten Zähler, der von der Zeitbasis einer vorgegebenen Anzahl Referenzsaitenschwingungen gesteuert ist, umfasst.The procedure for evaluating the signal frequencies of vibrating string sensors with measuring and reference string is characterized as being independent of temperature Measured value of the quotient from the difference frequency of the two strain gauges and the Reference frequency is formed0 The invention also relates to a device that has a additive mixer stage to form the difference frequency of both string vibrations, Suitable low-pass filters for suppressing other frequency mixtures as a pulse train and a counter operated by the low-pass filter, which counts from the time base of a predetermined number of reference string vibrations is controlled, includes.

Dabei kann zur Steuerung des Zählers ein weiterer Zähler vorhanden sein, der nach Erreichen einer bestimmten Anzahl von Schwingungen ein Stoppsignal abgibt Ferner kann zur unmittelbaren Bildung der Differenz der beiden Saitenschwingungen in einem bestimmten Zeitintervall ein Vor-/Rückwärts-Zähler vorgesehen sein0 Diese Erfindung ist besonders für solche Geber von grosser Bedeutung, die als Messelement für Sicherheitsmessvorrichtungen, zoBo zur Gewichtsbeschränkung bei Kranlasten, oder für eichbare Geber, zOBO bei Waagen, eingesetzt werden0 Wahrend die eigentliche Meßsaite hinsichtlich ihrer Einspannung den proportionalen Belastungsänderungen durch die Messgrösse ausgesetzt ist, wird die Referenzsaite konstruktiv so im Gebergehäuse angeordnet, dass auf sie nur die veränderlichen Spannungen bei Temperaturänderung der Umgebung einwirkend Die Frequenzänderungen der Meßstrich- und Referenz saite bei gleicher Temperaturänderung d U gegeben durch f1 = f01 (1 + ° d ) bzw. f2 = fo2 (1 t i d T) Hierbei ist als Temperaturkoeffizient oC der unterschiedliche Ausdehnungskoeffizient von Stahlsaite und Einspannvorrichtung eingesetzt, der im allgemeinen klein ist und daher die temperaturbedingte Frequenzbeeinflussung linear angenommen werden kann0 Eine elektronische Auswertung der Frequenzen fj und f2 kann in Abwandlung des vorher beschriebenen Verfahrens auf folgende Weise geschehen. Zunächst wird dabei durch additive Überlagerung der beiden hsrmonischen Saitenschwingungen die Differenzfrequenz f1 - f2 gebildet, wobei mittels eines Tiefpassflters alle anderen Frequenzgemische unterdrückt werden. Bezieht man diese Schwebungsfrequenz auf die Absolutfrequenz der Heferenzsaite f2, so erhält man eine von der Temperatur unabhängige Messgrösse fl - fo1 o2 f2 f02 da sich der temperaturabhängige Paktor herauskürztO Die Frequenz f2 bzwO deren Schwingungsdauer dient in einer entsprechenden Auswerteapparatur als temperaturvariable Zeitbasis anstelle der bisher verwendeten konstanten Quarz-illator-Frequenz. Nach Erreichen einer bestimmten-Anzahl von Schwingungen, die zweckmässigerweise als elektrische Impulse in einem Zähler gespeichert werden, wird ein gleichzeitiger Zrhlvorgang für die Schwebungsimpulse gestoppt, Die erreichte Anzahl stellt dann unmittelbar das gesuchte Messergebnis dar, Anstelle der Schwebungsfrequenz zur Differenz-Frequenzbildung lässt sich auch der jeweilige Zählwert eines Vor/ Rückwärts-Zählers für die Impulsfolgen f1 und f2 verwenden, Anstelle der additiven Mischung müssen dann beide Saitenschwingungen unmittelbar in Impulsfolgen umgesetzt werden Die Erfindung zur Elimination des Temperaturfehlers erlaubt somit eine besonders einfache Eichung und Bewertung der Messgrössen, da die Messempfindlichkeit durch die vorwählbare Schwingungsanzahl der Frequenz + als Eichfaktor in die Messung eingeht, Eine oft wünschenswerte Anfangsbereichsunterdrückung zur Erhöhung der Messwertauflösung kann leicht durch eine vorgegebene Zählwertunterdrückung erreicht werden.Another counter can be used to control the counter be that after reaching a certain number of oscillations a stop signal emits It can also be used to directly form the difference between the two string vibrations an up / down counter can be provided in a certain time interval Invention is particularly important for such donors as the measuring element for safety measuring devices, zoBo for weight limitation with crane loads, or for verifiable encoders, zOBO for scales, 0 While the actual Measuring string with regard to its tensioning the proportional changes in load is exposed by the measured variable, the reference string is structurally so in the encoder housing arranged that on it only the variable voltages with temperature change affecting the environment The frequency changes of the measuring line and reference string given the same temperature change d U given by f1 = f01 (1 + ° d) or f2 = fo2 (1 t i d T) The temperature coefficient oC is the different expansion coefficient used by steel string and jig, which is generally small in size and therefore the temperature-dependent frequency influence can be assumed to be linear kann0 An electronic evaluation of the frequencies fj and f2 can be modified of the previously described procedure can be done in the following way. First will by the additive superimposition of the two hsrmonic string vibrations Difference frequency f1 - f2 formed, with all others by means of a low pass filter Mixed frequencies are suppressed. If you relate this beat frequency to the Absolute frequency of the yeast string f2, a measured variable is obtained that is independent of the temperature fl - fo1 o2 f2 f02 because the temperature-dependent factor cancels out O The frequency f2 or their period of oscillation is used in a corresponding evaluation apparatus as temperature-variable time base instead of the previously used constant quartz illator frequency. After reaching a certain number of vibrations, the appropriate When electrical impulses are stored in a counter, it becomes a simultaneous Counting process for the beat pulses stopped, the number reached then represents directly shows the measurement result you are looking for, instead of the beat frequency for difference frequency formation the respective count value of an up / down counter for the pulse trains can also be set Use f1 and f2. Instead of the additive mixture, both string vibrations must then be used The invention for eliminating the temperature error thus allows a particularly simple calibration and evaluation of the measured variables, since the measuring sensitivity through the preselectable number of oscillations of the frequency + as Calibration factor is included in the measurement, an often desirable initial range suppression to increase the measured value resolution can easily be done by a preset counter value suppression can be achieved.

An den schematischen Zeichnungen wird die Erfindung noch weiter erläutert, Fige 1 zeigt einen Druckgeber mit DehnungsmeßsaiteL Wahrend die Frequenz f1 der eigentlichen Meßsaite sich belastungsabhängig ändert, bleibt die Frequenz f2 der Referenzsaite davon unbeeinflusst. Der auf beide Saiten gleichermassen wirkende Temperatureffekt wird durch die besondere Auswerteelektronik eliminiert0 Gemäss Fig. 2 wird in der Mischstufe mit Tiefpassfilter die Differensfrequenz f1 - f2 gebildet, deren Schwingungen nach Umformung in elektrische Impulsfolgen über eine Torschaltung von einem elektronischen Zähler aufsummiert und angezeigt werden. Die Zählung beginnt jeweils vom Nullpunkt nach einem Startsignal und endet automatisch wenn ein vorgegebener Zählwert für die Schwingungen der Frequenz f2 erreicht ist und der Vorgabezähler die vorstufe zum Hauptzähler sperrt. Damit wird im Hauptzähler die jeweilige Differenzfrequenz f1 f f2 bezogen auf Frequenz f2 gespeichert, die angezeigt und registriert werden kann.The invention is explained in more detail in the schematic drawings, Fig. 1 shows a pressure transducer with a strain gauge, while the frequency f1 of the actual measuring string changes depending on the load, the frequency f2 remains the Reference string unaffected. The one on both strings equally acting The temperature effect is eliminated by the special evaluation electronics0 According to Fig. 2, the differential frequency f1 - f2 is formed in the mixer stage with the low-pass filter, their oscillations after being converted into electrical pulse trains via a gate circuit are totaled and displayed by an electronic counter. The count begins from the zero point after a start signal and ends automatically when a specified one Count value for the oscillations of frequency f2 is reached and the default counter the preliminary stage to the main meter blocks. This means that the respective differential frequency is displayed in the main meter f1 f f2 related to frequency f2 stored, which are displayed and registered can.

Durch geeignete Auswahl der Vorgabewerte kann auf einfache Weise der entsprechende Messwert in einer bestimmten Dimension ziffernrichtag angegeben werden, da die vorgegebeine Zahl die Uimensionsbasis bildet.By suitable selection of the default values, the the corresponding measured value in a certain dimension is given as a straight day, because the given number forms the dimension basis.

Fig. 3 zeigt die Frequenzauswertung mit rein digitalen elektronischen Baugruppen* Beide Saitenfrequenzen f1 und 22 gelangen als Impulsfolgen Uber eine Doppeltorstufe auf einen Vor-/Rückwärts-Zähler, der stets die jeweile Differenzfrequenz angibt, Die Boppeltorstufe wird, wie im vorausgehenden Beispiel, durch das Startsignal und das Stoppsignal des Vorgabezählers gesteuert0Fig. 3 shows the frequency evaluation with purely digital electronic Assemblies * Both string frequencies f1 and 22 arrive as pulse trains over one Double gate to an up / down counter, which always shows the respective difference frequency indicates that the double gate stage is activated by the start signal, as in the previous example and the stop signal of the default counter controlled0

Claims

PATENT CLAIMS Method for eliminating the temperature error of the Vibrating string in vibrating string transducers, thus not shown t that the temperature-dependent frequency changes of an additional oscillation axis (Referens string), which does not take into account the mechanical loads caused by the measured variable is used to compensate for the temperature error of the measuring string0 2. A method for evaluating the signal frequencies of swing string transducers according to claim 1 with measuring and reference strings, thus not indicated that as temperature-independent Measured value of the quotient from the difference frequency of the two strain gauges and the Reference frequency is formed.

30 Device for evaluating the signal frequencies of vibrating string sensors with measuring and reference strings according to claims 1 and 2, characterized in that they are n e t that there is an additive mixer to form the difference frequency of both String vibrations, a low-pass filter to suppress other frequency mixtures as a pulse train and a counter operated by the low-pass filter, which is controlled by the Time base of a predetermined number of reference string oscillations is controlled, included 40 Device according to Claim 3, characterized in that it is used for control of the counter there is another counter that, after reaching a certain Number of oscillations emits a stop signal, 5. Apparatus according to claim 3 and 4 thereby G e k e n n -z e i n e t that for the direct formation of the difference -der an up / down counter for both string vibrations in a certain time interval is provided.

L e r s e i t e