Vorrichtung zur Messung des Verhältnisses zweier Kräfte.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Verhältnisses zweier Kräfte. Derartige Vorrichtungen können z. B. zum unmittelbaren Anzeigen oder kontinuierlichen Aufzeichnen eines solchen Verhältnisses benützt werden, oder zur Steuerung irgendwelcher anderer Apparate gemäss den Verän- derungen eines solehen Verhältnisses, oder zur Erreichung irgendeines analogen Zweckes.
Eine solche Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die Verschiebungen der An- griffspunkte der in Frage stehenden Kräfte auf ein Minimum herabgesetzt sind, ohne dass die Empfindlichkeit und Genauigkeit des An Sprechens ungünstig beeinflusst wird. Dies ist besonders wichtig, wenn die in Frage stehenden Kräfte von der Wirkung von Fluidumdrücken herrühren, die z. B. in biegsamen Dosen oder in durch biegsame Membranen abgeschlossenen Kammern auftreten.
Mittels einer solehen Vorrichtung kann z. B. die Machzahl einer Fluidstromung angezeigt werden.
Die Maehzahl 1/ist eine einfache Funktion des Verhältnisses dynamischer Druck : statischer Druck, das heisst (pv-ps)/ps, und ist leicht aus nachstehendem ersichtlich : , 'wobei py = Gesamtdruek
Vs ps = statischer Druck 11 Nlaehzahl Y YZ V = Geschwindigkeit
2. pv - ps angenähert Vs = Schallgeschwindigkeit ?'
1
Vs2 = @/#s # ps #s = Dichte bei statischem Druck ps und γ
= cp cv
Diese Gleichung ist nicht ganz genau, da bei hohen Machzahlen p,-p, sich von 1/, p V2 unterschediet. I) er folgende ist der genaue aus der üblichen Kompressibilitätsgleichung abgeleitete Ausdruek :
EMI1.1
Die Machzahl an irgendeiner Stelle der Fluidumströmung ist eine Funktion des Verhält- nisses des dynamischen Druekes zum statischen Druck an dieser Stelle.
Die das Fluidum enthaltenden Robre stehen zweckmässig mittels eines Staugerätes mit Dosen des Instrumentes in Verbindung. Bei den üblichen Luftgeschwindigkeitsmessern wird die Differenz zwischen Gesamtdruek (= statischer Druck am Staupunkt) und statischem Druck (an einer Stelle, an der die zu messende Ge schwindigkeit herrscht), gemessen, indem man diese Drücke auf entgegengesetzte Seiten einer Membran oder Dosenwand wirken lässt, aber zur Erreichung einer Anzeige, welche ein Mass für ihr Verhältnis ist, müssen die Drüeke auf getrennte Dosen oder Membrane wirken, wobei der Druck auf der entgegengesetzten Seite der Membran oder Dosenwand praktisch Null sein muss.
Es wird dann eine Einrich- tung benötigt, um das Verhältnis der durch die Dosen oder Membrane ausgeübten Kräfte zu messen.
Gemäss der Erfindung besitzt eine Vorrichtung zur Mesung des Verhältnisses zweier Kräfte ein beweglich angeordnetes starres Glied, auf welches die Kräfte in voneinander getrennten Punkten angreifen und welches gegen eine feste Unterlage derart abgestützt ist, dass jedem Verhältnis der Kräfte eine bestimmte Gleichgewichtslage entspricht, und Mittel zur Anzeige der jeweiligen Lage des beweglichen Gliedes.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs- gegenstandes ist auf der beiliegenden Zeich- nung dargestellt.
Fig. 1 zeigt ein Gehäuse, in welchem der durch zwei Dosen betätigte Messmechanismus eines Instrumentes für das Anzeigen der Mach- zahl untergebracht ist, wobei die Ansicht senkrecht zur Verschiebebewegung des beweglichen Gliedes gesehen ist und der Vorderteil des Gehäuses weggenommen ist, um den Mechanis- mus freizulegen ; ausserdem zeigen :
Fig. 2 ein Kraftediagramm,
Fig. 3 ein Stromkreisschema,
Fig. 4 einen Schnitt einer Einzelheit des Mechanismus der Fig. 1 und
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform des Instrumen- tes.
Bei der in der Zeichnung dargestellten vorrichtung ist eine starke Tragplatte 10 mit einer mit ihr aus einem Stück bestehenden, rechtwinklig zur Platte 10 angeordneten Ver- löngerung 11 vorgesehen, an welcher die An schlussrohre 12, 13 eines Paares von elastischen Dosen 14, 15 befestigt sind. Die eine Wand jeder Dose trägt einen mit einer Spitze versehenen Stift 16 bzw. 17, welche in Ver tiefungen 18, 19 eines starren Balkens 20 gelagert sind, weleher durci Drähte 21 an der Tragplatte 10 aufgehängt ist.
Diese Drähte sind bei 22 an der Tragplatte und bei'3 am Balken 20 befestigt, so dass der Balken sieh frei bewegen und in der Zeiehnungsebene schwingen kann ; die Aufhängedrähte 21 hin- dern jedoch den Balken daran, sich in seiner Längsrichtung zu bewegen.
Die Tragplatte 10 besitzt auch einen mit ihr aus einem Stüek gebildeten Arm 24, welcher rechtwinklig zur Grundplatte vorsteht und eine gekrümmte Verlängerung 25 hat.
Diese bildet ein Stützorgan, auf welches sich der Balken 20 abstützt. Die Fläehe 26 des Balkens ist eben und die Fläche 27 des Stütz- armes 25 konvex gegen den Balken gekrümmt, so dass sich diese Flächen bei C längs einer zur Zeichenebene senkrechten Linie berühren.
Der Balken wird gegen den Stützarm durch die Drüeke in den Dosen gepresst wobei diese Drücke durch die Spitzen der Stifte 16, 17 übertragen werden, so da@ irgendeine Verschwenkung des Balkens bewirkt, dass er sich auf der gekrümmten Fläche 27 des Stütz- armes abwälzt und somit die Berührungslinie C längs des Stützarmes verschoben wird.
Da das Instrument benötigt wird, um ein Mass der Maehzahl einer Fluidumstromung zu geben, ist das Innere der Dosen 14, 15 mit den Teilen 14a bzw. 15a? eines Staugerätes bekannter Art (Fig. 1) verbnnclen, welches in die Fluidumstromung gebraeht ist, wobei die Verbindung durch die Rohre 12, 13 durch in der Verlängerung 11 der Tragplatte 10 vor- handene Bohrungen 28, 29 and äu#ere Rohre 30, 31 erfolgt.
Da die lTachzahl eine Funktion des Verhältnisses von dynamischem zu statischem Druck des Fluidums ist, müssen die Aussenseiten der Dosen sich so nahe als möglieh auf dem Druck Null befinden, und der Mechanismus ist daher in ein luftdiehtes Gehäuse 32 eingeschlossen, welches mittels einer Pumpe 32a über ein Ventil 32b (Fig. 1) luftleer gepumpt und abgedichtet ist.
Die durch die Dosen auf den Balken ausgeübten Drücke sind daher proportional zum esamtdruck und zum statischen Druck and diese Kräfte müssen sieh um die Linie der Abwälzberührung zwischen dem Balken und seiner Stützschiene ausgleichen. In Fig. 2 sind diese Kräfte als P und Q bezeichnet und ihre Angriffspunkte an dem Balken als s, 1, B ; die Keaktionskraft der Stützsehiene gegen den Balken bei C ist mit 1 bezeichnet.
Wenn die Fluidumstromung die Geschwindigkeit Null in bezug auf des Staugerät hat, sind die Drücke in den zwei Dosen gleich, und daher muss die Stützreaktion R an der Stelle C. den gleichen abstand von L und B haben ;
wenn jedoch das Fluidum relativ zum Staugerät sieh in Bewegung befindet, dann ist der Gesamtdruek grösser als der statische Druck und die durch die Dose 14 ausgeübte Kraft P übersteigt die durch die Dose 15 ausgeübte Kraft Q, so da# ?, der Balken gezwungen wird, sich auf der Stützschiene von der in vollen Linien ausgezogenen Lage ACON der Fiv. 2 in eine neue Gleichgewichtslage abzuwälzen, welche clurch die gestrichelte Linie A'C1B' angedeutet ist, wobei der Reaktionspunkt längs der, Rbstüt- zung von C0 nach C1 verschoben wird.
Die Verschiebung erfolgt daher stets vom Mittel- punkt C0 gegen A, da Q nie grosser als P sein kann. Die Versehiebung COC1 ist ein Mass des Verhältnisses von P'zu Q, denn, wenn die Winkelverstelhuig des Balkens klein ist, ist :
P B'C1 ¸AB+C0C1 P = = oder, wenn = q geschrieben wird und Q A'C1 ¸AB-C0C1 Q
Q A'C1 ¸AB-C0C1 C0C1 s 1 + s q - 1 = q = oder s=
AB 2 1 - s q + 1
Ein Zweek des besehriebenen Apparats besteht darin, die Verschiebung der Angriffsstellen der Kräfte zu verringern und besonders die Ausdehnung und Zusammenziehung der biegsamen Dose m verringern, wenn solche Elemente, wie in dem dargestellten Beispiel, benutzt werden, wobei die Berührungsfläche der Stützschiene einen grossen Krümmungsradius im Vergleich mit der Balkenlänge zwi schen den Dosenmittelpunkten hat.
Beim dargestellten Beispiel ist die Stützschienenfläche 27 als kreisförmiger Bogen geformt, aber vorausgesetzt, dass die Krümmung dieser Fläehe sich nieht sehr plötzlich ändert und sie keine Abflachungen besitzt, braucht die tatsäehliehe Form dieser Fläche nieht genau zu sein.
Wenn p der mittlere Krümmungsradius der Stützfläche von C0 zu Cl ist, ist es klar, dass
AA'+BB' AB =
C0C1 # und da AA' und BB' die Ausdehnung und Zusammenziehung der Dosen darstellen, ist es möglich, diese Verformung zu verringern, während eine verhältnismässig grosse Versehie- bung als Mass des Verhältnisses der Dosenkräfte beibehalten wird, indem p im Vergleich zu AB gro# gemacht wird, das heisst bei Be- nutzung einer Stützfläche mit einem grossen Krümmungsradius relativ zur wirksamen Bal kenlänge.
Bei dem dargestellten Beispiel wird die Verschiebung der Abwälzberührungslinie zwi schen der Stützschienenfläche 27 und der Balkenfläche 26 elektrisch gemessen. Zu diesem Zweck trägt die Berührungsfläehe 27 der Stützschiene einen Isolierstreifen 33, in welchen Leiterstreifen 34 von ziemlich hohem Widerstand eingesetzt sind. Die Streifen 34 sind durch eine Isolierhülse 38 mit einer An- schlussklemme 39 auf der Aussenseite der Grundplatte 10 verbunden, an welche Klemme 39 eine Zuleitung 40 angeschlossen ist.
Der Balken 20 steht dnreh das CTlied 21 in elektrischer Verbindung mit der Grundplatte 10, und diese ist bei E geerdet. Der Streifen 34 bildet so ein Potentiometer, dessen Kontaktarm durch den Balken gebildet wird, wobei der Stromkreiswiderstand zwischen der Klemme 39 und Erde in Übereinstimmung mit der Verschiebung der Abwälzberühxmngslinie C zwi- schen der Stützfläche und dem Balken ver ändert wird.
Das Instrument kann wie in Fig. 3 gezeigt, an einem gewöhnliehen Brüekenstromkreis angeschlossen sein, der drei zeste 42, 43, 44 besitzt, während der vierte Ast durch einen festen Widerstand 41 und die Länge des Leiterstreifens 34 zwischen der Klemme 39 und der Berührungsstelle C mit dem Balken gebildet wird, der geerdet ist. Das positive Po tential ist an der Verbindung der Arme 42 und 43 angeschlossen, und ein Galvanometer G ist, wie gezeigt, über die Brücke geschaltet.
Für den erstmaligen Ausgleich schliesst der Ast 43 einen veränderlichen Widerstand 46 ein, und das Galvanometer ist mit dem üblichen, veränderlichen, in Reihe geschalteten Widerstand 45 versehen. Bei dieser üblichen Stromkreisart kann die Ablesung des Galv benutzt werden, um Änderungen der Widerstände in den Ästen 20, 34, 41, der Brücke und dadurch die Versehiebung der Abwälzberührungslinie zwischen der Stütz- schiene 25 und dem Balken 20 zu messen ; und wie bereits erwähnt, ist diese Verschiebung ein Ma# für das Verhältnis der auf die Dosen 14, 15 ausgeübten Driieke-Lind somit für die Machzahl der Fluidumstromung, in welche das Staugerät eintaucht.
Zweckmässig werden die Konstanten des Stromkreises so eingestellt, da# der Galvanometerausschlag G direkt proportional der Stützverschiebung s, der Gleichung 1 ist, woraus q - 1
G = k q + 1 k ist eine Konstante des Stromkreises und der Galvanometer-Empfindichkeit. Die Machzahl, welche den verschiedenen Werten von q - 1 q + 1 entspricht, kann berechnet und die Galvano- meterskala entsprechend geeicht werden, um Machzahlen unmittelbar ablesen zu können.
Um die Reibung auf ein Minimum herab- zusetzen, ist die Fläche 26 des Balkens 20 vorteilhaft mit einem Paar paralleler Schnei- den 34, 6 versehen, welche in der Abwälz- richtung verlaufen und mit den Leiterstreifen 34 Kontakt maehen, die durch die Stützschiene 25 getragen werden, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
Zum gleichen Zweck konnte als Variante zur beschriebenen Ausbildung die Abwälzfläche der Stützschiene 25 mit einem Paar paralleler Schneiden versehen sein.
Eine andere Ausführungsform des Instrumentes, bei welcher die Winkelverschiebung des Balkens als Ma# des Verhältnisses der angreifenden Kräfte benutzt wird, ist schematisch in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser trägt der Balken 20, an welehem die Kräfte P und Q bei A und B angreifen, und weleher, wie bei dem in bezug auf Fig. 1 beschriebenen Appa- rat, auf einer gekrümmten Stützschiene 25 abgestützt ist, einen Spiegel 37, welcher ein von einer Quelle 38 einfallendes Liehtbündel auf eine Skala 39 zurückwirft, wobei die Liche- strahlen durch einen Pfeil angedeutet sind.
Für gewisse Zwecke kann es erforderlich sein, das Verhältnis zu messen, um welches die zwei Fluidumdrücke sich von einem gegebenen Druek, z. B. Atmosphärendruck, unterscheiden. In diesem Fall kann der in Fig. 1 dargestellte Apparat angewendet werden, wobei das Innere des Gehäuses 32 unter dem gegebenen Druck steht, indem es zur Atmosphäre entlüftet oder mit einer Kammer oder derglei- chen verbunden wird, in welcher der benotigte Dmck aufrechterhalten wird.
Device for measuring the relationship between two forces.
The invention relates to a device for measuring the ratio of two forces. Such devices can, for. They can be used, for example, to immediately display or continuously record such a relationship, or to control any other apparatus in accordance with the changes in such a relationship, or to achieve any analogous purpose.
Such a device can be designed in such a way that the displacements of the points of application of the forces in question are reduced to a minimum without the sensitivity and accuracy of the response being adversely affected. This is particularly important when the forces in question arise from the action of fluid pressures, e.g. B. occur in flexible cans or in closed by flexible membranes chambers.
By means of such a device can, for. B. the Mach number of a fluid flow can be displayed.
The number 1 / is a simple function of the dynamic pressure: static pressure ratio, i.e. (pv-ps) / ps, and can easily be seen from the following: 'where py = total pressure
Vs ps = static pressure 11 Nulehzahl Y YZ V = speed
2. pv - ps approximated Vs = speed of sound? '
1
Vs2 = @ / # s # ps #s = density at static pressure ps and?
= cp cv
This equation is not exactly accurate, since at high Mach numbers p, -p, differs from 1 /, p V2. I) the following is the exact expression derived from the usual compressibility equation:
EMI1.1
The Mach number at any point in the fluid flow is a function of the ratio of the dynamic pressure to the static pressure at this point.
The robes containing the fluid are expediently connected to cans of the instrument by means of a storage device. With conventional air velocity meters, the difference between total pressure (= static pressure at the stagnation point) and static pressure (at a point where the speed to be measured prevails) is measured by letting these pressures act on opposite sides of a membrane or can wall, but in order to obtain an indication which is a measure of their ratio, the pressure must act on separate cans or membranes, the pressure on the opposite side of the membrane or can wall being practically zero.
A device is then needed to measure the ratio of the forces exerted by the cans or membranes.
According to the invention, a device for measuring the ratio of two forces has a movably arranged rigid member on which the forces act in separate points and which is supported against a solid base in such a way that each ratio of the forces corresponds to a certain equilibrium position, and means for Display of the current position of the movable link.
An embodiment of the subject matter of the invention is shown in the accompanying drawing.
1 shows a housing in which the measuring mechanism of an instrument for indicating the Mach number, which is actuated by two cans, is housed, the view being seen perpendicular to the sliding movement of the movable member and the front part of the housing being removed to allow the mechanism to expose mus; also show:
2 shows a force diagram,
3 shows a circuit diagram,
Fig. 4 is a section of a detail of the mechanism of Figs
5 shows a schematic view of a modified embodiment of the instrument.
In the device shown in the drawing, a strong support plate 10 is provided with a one-piece extension 11 arranged at right angles to the plate 10, to which the connection pipes 12, 13 of a pair of elastic boxes 14, 15 are attached . One wall of each can carries a pointed pin 16 and 17, which are mounted in recesses 18, 19 of a rigid beam 20, which is suspended from the support plate 10 by wires 21 weleher.
These wires are attached to the support plate at 22 and to the beam 20 at '3, so that the beam can move freely and swing in the plane of the drawing; however, the suspension wires 21 prevent the beam from moving in its longitudinal direction.
The support plate 10 also has an arm 24 formed with it from one piece, which protrudes at right angles to the base plate and has a curved extension 25.
This forms a support member on which the beam 20 is supported. The surface 26 of the beam is flat and the surface 27 of the support arm 25 is convexly curved towards the beam, so that these surfaces touch at C along a line perpendicular to the plane of the drawing.
The beam is pressed against the support arm by the pressure in the cans, these pressures being transmitted through the tips of the pins 16, 17 so that any pivoting of the beam causes it to roll on the curved surface 27 of the support arm and thus the line of contact C is shifted along the support arm.
Since the instrument is required to give a measure of the number of a fluid flow around, is the interior of the cans 14, 15 with the parts 14a and 15a? a storage device of known type (FIG. 1), which is brought into the fluid flow, the connection through the pipes 12, 13 through bores 28, 29 and outer pipes 30, 31 present in the extension 11 of the support plate 10 he follows.
Since the tach number is a function of the ratio of dynamic to static pressure of the fluid, the outer sides of the cans must be as close to zero pressure as possible, and the mechanism is therefore enclosed in an air-tight housing 32, which by means of a pump 32a a valve 32b (Fig. 1) is evacuated and sealed.
The pressures exerted by the cans on the beam are therefore proportional to the total pressure and the static pressure and these forces must be balanced around the line of rolling contact between the beam and its support rail. In Fig. 2 these forces are designated as P and Q and their points of application on the beam as s, 1, B; the reaction force of the support rail against the beam at C is denoted by 1.
If the fluid flow is at zero velocity with respect to the storage device, the pressures in the two cans are the same and therefore the support reaction R at point C. must be the same distance from L and B;
However, if the fluid is in motion relative to the storage device, then the total pressure is greater than the static pressure and the force P exerted by the can 14 exceeds the force Q exerted by the can 15, so that #?, the beam is forced on the support rail from the ACON position of Fiv. 2 into a new equilibrium position, which is indicated by the dashed line A'C1B ', the reaction point being shifted along the support from C0 to C1.
The shift therefore always takes place from the center point C0 towards A, since Q can never be greater than P. The offset COC1 is a measure of the ratio of P 'to Q, because if the angular displacement of the beam is small, then:
P B'C1 ¸AB + C0C1 P = = or, if = q is written and Q A'C1 ¸AB-C0C1 Q
Q A'C1 ¸AB-C0C1 C0C1 s 1 + s q - 1 = q = or s =
AB 2 1 - s q + 1
One purpose of the apparatus described is to reduce the displacement of the points of application of the forces and, in particular, to reduce the expansion and contraction of the flexible box m when such elements as in the example shown are used, the contact surface of the support rail having a large radius of curvature Comparison with the bar length between the can centers.
In the example shown, the support rail surface 27 is shaped as a circular arc, but provided that the curvature of this surface does not change very suddenly and that it has no flats, the actual shape of this surface need not be exact.
If p is the mean radius of curvature of the support surface from C0 to Cl, it is clear that
AA '+ BB' AB =
C0C1 # and since AA 'and BB' represent the expansion and contraction of the cans, it is possible to reduce this deformation while maintaining a relatively large displacement as a measure of the ratio of the can forces by making p large compared to AB is made, that is, when using a support surface with a large radius of curvature relative to the effective bar length.
In the example shown, the displacement of the rolling contact line between the support rail surface 27 and the bar surface 26 is measured electrically. For this purpose, the contact surface 27 of the support rail carries an insulating strip 33, in which conductor strips 34 of fairly high resistance are inserted. The strips 34 are connected by an insulating sleeve 38 to a connection terminal 39 on the outside of the base plate 10, to which terminal 39 a supply line 40 is connected.
The beam 20 is in electrical connection with the base plate 10 while the C-member 21 is connected, and this is grounded at E. The strip 34 thus forms a potentiometer, the contact arm of which is formed by the beam, the circuit resistance between the terminal 39 and earth being changed in accordance with the displacement of the rolling contact line C between the support surface and the beam.
The instrument can, as shown in Fig. 3, be connected to an ordinary bridge circuit, which has three points 42, 43, 44, while the fourth branch by a fixed resistor 41 and the length of the conductor strip 34 between the terminal 39 and the contact point C. is formed with the beam that is grounded. The positive potential is connected to the junction of arms 42 and 43, and a galvanometer G is connected across the bridge as shown.
For the initial equalization, branch 43 includes a variable resistor 46, and the galvanometer is provided with the usual variable resistor 45 connected in series. In this usual type of circuit, the reading of the Galv can be used to measure changes in the resistances in the branches 20, 34, 41, the bridge and thereby the displacement of the rolling contact line between the support rail 25 and the beam 20; and as already mentioned, this shift is a measure of the ratio of the Driieke-Lind exerted on the cans 14, 15, thus for the Mach number of the fluid flow around which the storage device is immersed.
The constants of the circuit are expediently set so that # the galvanometer deflection G is directly proportional to the support displacement s, of equation 1, from which q - 1
G = k q + 1 k is a constant of the circuit and the galvanometer sensitivity. The Mach number, which corresponds to the various values of q - 1 q + 1, can be calculated and the galvanometer scale calibrated accordingly so that Mach numbers can be read off immediately.
In order to reduce the friction to a minimum, the surface 26 of the beam 20 is advantageously provided with a pair of parallel cutting edges 34, 6 which run in the rolling direction and make contact with the conductor strips 34 which pass through the support rail 25 as shown in FIG. 4.
For the same purpose, as a variant of the design described, the rolling surface of the support rail 25 could be provided with a pair of parallel cutting edges.
Another embodiment of the instrument, in which the angular displacement of the beam is used as a measure of the ratio of the acting forces, is shown schematically in FIG. In this case, the beam 20, on which the forces P and Q act at A and B, and which, as in the apparatus described with reference to FIG. 1, is supported on a curved support rail 25, carries a mirror 37 which a bundle of light incident from a source 38 reflects back onto a scale 39, the light rays being indicated by an arrow.
For certain purposes it may be necessary to measure the ratio by which the two fluid pressures differ from a given pressure, e.g. B. atmospheric pressure. In this case, the apparatus shown in Fig. 1 can be used with the interior of the housing 32 under the given pressure by venting it to the atmosphere or connecting it to a chamber or the like in which the required pressure is maintained.