CH394635A - Kraftmesseinrichtung - Google Patents

Kraftmesseinrichtung

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CH394635A
CH394635A CH477461A CH477461A CH394635A CH 394635 A CH394635 A CH 394635A CH 477461 A CH477461 A CH 477461A CH 477461 A CH477461 A CH 477461A CH 394635 A CH394635 A CH 394635A
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CH
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wires
wire
force
frequency
pair
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CH477461A
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Inventor
J Holmes Paul
Original Assignee
Borg Warner
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/10Measuring force or stress, in general by measuring variations of frequency of stressed vibrating elements, e.g. of stressed strings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/169Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using magnetic means

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Description


  
 



     Kraftmesseiiinchtung   
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmesseinrichtung mit mehreren Paaren gespannter Drähte, wobei die Drähte in jedem Paar gleichachsig angeordnet sind und die Achsen der Drahtpaare je miteinander einen Winkel einschliessen, insbesondere zum gleichzeitigen Messen von Kraftkomponenten auf diesen Achsen, die miteinander Winkel einschlie ssen.



   Es sind bereits Kraftmesseinrichtungen vorgeschlagen worden, bei welchen ein Faden oder ein Draht unter der Wirkung der zu messenden Kraft unter variabler Spannung gehalten ist.



   Im Falle eines Beschleunigungsmessers ist die am Draht wirkende Kraft die Folge der Reaktion einer Masse gegenüber einer unbalancierten Kraft, die die Beschleunigung der Masse verursacht, wobei die Masse an einem Ende des Drahtes befestigt ist und die Spannung des Drahtes erhöht oder vermindert.



  Insofern die Schwingungsfrequenz des Drahtes mit der Quadratwurzel der Spannung desselben variiert, ist es möglich, die Frequenz, mit welcher der Draht vibriert, als Funktion der Kraft auszudrücken, welche auf die Masse wirkt und die Beschleunigung derselben   verursacht.    Der Draht befindet sich in einem magnetischen Feld, wobei eine Wechselspannung erregt wird, deren Frequenz mit derjenigen der Eigenschwingung des Drahtes übereinstimmt. Jede noch so kleine Änderung der Spannung des Drahtes durch die unbalancierte Kraft, die die Beschleunigung verursacht, oder einer anderen Kraft am Ende des Drahtes verursacht eine messbare Änderung der Ausgangsfrequenz der Einrichtung.



   Solche, mit einem einzigen Draht ausgerüstete Messeinrichtungen haben gewisse Nachteile, unter anderem den Umstand, dass die Änderungen der Ausgangsfrequenz in der Hauptsache nicht linear in bezug auf die Änderungen der wirkenden Kraft sind und dass das Ausgangssignal bis zu einem gewissen Grade durch Kräfte beeinflusst wird, welche   mit    der Achse des Drahtes und daher mit der zu messenden Kraft einen rechten Winkel bilden. Zur   Vermeidung    dieser Nachteile wurde vorgeschlagen, anstelle eines einzigen Drahtes dessen zwei zu benützen, die sich längs einer gemeinsamen Achse erstrecken und miteinander durch ein Element, beispielsweise durch die Masse verbunden sind, an welcher die zu messende Kraft wirksam ist.

   Unter der Wirkung des beschleunigten Elementes in der einen oder in der anderen Richtung entlang der gemeinsamen Achse der Drähte wird die Spannung des einen Drahtes erhöht und diejenige des anderen vermindert. Das hat die Erhöhung der Schwingungsfrequenz des einen und die Verminderung der Schwingungsfrequenz des anderen Drahtes zur Folge. Die Drähte können durch irgendwelche geeigneten Mittel in Schwingung gehalten werden, beispielsweise durch Durchführung eines Wechselstromes durch jeden der Drähte, und die Differenz der Schwingungen der beiden Drähte kann durch irgendwelche geeignete Mittel gemessen werden, beispielsweise durch Mischen der durch die beiden Drähte hervorgerufenen elektrischen Wechselsignale, um dabei eine Differenzfrequenz zu erregen.



   Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt eines insbesondere als Be  schleunigungsmesser    verwendbaren Kraftmessers,    Fig 2    einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 und
Fig. 3 das Blockschema der notwendigen elektrischen Einrichtung.  



   In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet.



   Gemäss den Fig. 1 und 2 besitzt der dargestellte Beschleunigungsmesser ein Gehäuse 10 mit einem darin eingeschlossenen Hohlraum 11. Das Gehäuse 10 weist   Öffnungen    12, 13, 14, 15, 16 und 17 auf, welche den Hohlraum 11 mit der Aussenwelt ausserhalb des Gehäuses 10 verbinden. Die Öffnungen 13, 14, 15, 16 und 17 besitzen einen Durchmesser, der geringfügig kleiner ist, als derjenige des Hohlraumes 11, während der Durchmesser der Öffnung 12 demwenigen des Hohlraumes 11 entspricht, so dass die Öffnung 12 tatsächlich eine Fortsetzung des Hohlraumes 11 bildet.



   In dem Hohlraum 11 ist eine kugelförmige Masse lose angeordnet. Es sind acht Anschläge 19 vorhanden, die sich durch die Wandungen des Gehäuses erstrecken, und zwar in die unmittelbare Nähe der Masse 18, ohne diese zu berühren, zum Zwecke, die Bewegung der Masse 18 in dem Hohlraum 11 zu begrenzen. Diese Anschläge sind einfache Schrauben, die in die Wandungen des Gehäuses eingeschraubt sind, wobei unter dem Kopf einer jeden Schraube ein entsprechend ausgebildeter Sicherungsring eingesetzt ist, welcher eine Verdrehung der Schraube verhindert, nachdem diese einmal eingestellt worden ist. Die Anschlagschrauben 19 erstrecken sich längs zueinander senkrechten Achsen.



   An den Seiten des Gehäuses 10 sind im ganzen sechs Schwingdrahthalterungen 21, 22, 23, 24, 25 und 26 angeordnet. Die Halterungen 21 und 23 sind gleichachsig an der X-Achse angeordnet; die Halterungen 22 und 24 sind gleichachsig an der Y-Achse angeordnet, die mit der X-Achse einen rechten Winkel bildet; und die Halterungen 25 und 26 sind gleichachsig an der   Achse    angeordnet die sowohl mit der X-Achse, wie auch mit der Y-Achse einen rechten Winkel bildet.



   Jede der Halterungen 21, 22, 23, 24, 25 und 26 besitzt eine zylindrische Hülse 27. Die Hülsen 27 der Halterungen 22, 23, 24, 25 und 26 sind in Versenkungen 28 angeordnet, welche die entsprechenden Öffnungen 13, 14, 15, 16 und 17 umgeben.



  Die Hülse 27 der Halterung 21 ist mit einem Flanschring 29 versehen, der in eine die Öffnung 12 des Ge  häuses    10 umgebende Versenkung 30 eingreift, wobei die Halterung 21 mit Hilfe von Schrauben 31 befestigt ist, die sich durch den Flanschring 29 erstrekken und in Schraubenlöcher des Gehäuses 10 eingreifen. Jede der Halterungen 21, 22, 23, 24, 25 und 26 besitzt eine Kappe 32, die am äusseren Ende der Hülse befestigt ist, sowie Kontaktstifte 33, 34, 35, 36, 37 und 38, die jeweils sich durch die Kappe der Halterungen 21, 22, 23, 24, 25 und 26 erstrekken und von derselben isoliert sind.



   In die Masse 18 sind sechs Kontaktstifte 39, 40, 41, 42, 43 und 44 eingeschraubt. Dünne Schwingdrähte 45, 46, 47, 48, 49 und 50 sind zwischen den Kontaktstiften 33 und 39, 34 und 40, 35 und 41, 36 und 42, 37 und 43 bzw. 38 und 44 gespannt.



  Dabei erstrecken sich die Kontaktstifte 33 und 39 mit dem zwischen ihnen gespannten Schwingdraht 45 längs der X-Achse; die Kontaktstifte 34 und 40 mit dem Schwingdraht 46 sowie die Kontaktstifte 42 und 36 mit dem Schwingdraht 48 längs der Y-Achse; und die Kontaktstifte 37 und 43 mit dem Schwingdraht 49, sowie die Kontaktstifte 44 und 38 mit dem Schwingdraht 50 längs der   Achse,    wobei - wie   erwähnt - jede    dieser Achsen mit den beiden anderen Achsen einen rechten Winkel einschliesst.



   In jeder der Halterungen 21, 22. 23, 24, 25 und 26 ist, und zwar innerhalb der Hülse 27, ein im Querschnitt E-förmiger Magnet 51 angeordnet, welcher einen Nordpol 52 und einen Südpol 53 aufweist, wobei die Pole jeweils an entgegengesetzten Seiten der entsprechenden Drähte 45, 46, 47, 48, 49 und 50 angeordnet sind und sich zu denselben parallel erstrecken. Die Magnete 51 der Halterungen 21 und 23 sind in bezug aufeinander um 900 verdreht; dasselbe trifft auf die Magnete 51 der Halterungen 22 und 24, sowie auf die Magnete der Halterungen 25 und 26 ebenfalls zu.



   Die Halterungen 21 bis 26 stimmen miteinander überein, mit der Ausnahme, dass die Halterung 21 mit einem Flansch 29 versehen ist. Dank diesem Flansch 29 ist es möglich, die Halterung 21 am Gehäuse 10 mit Hilfe von Schrauben 31 zu befestigen, die um die Öffnung 12 mit dem grösseren Durchmesser des Gehäuses 10 verteilt sind, wobei diese grössere Öffnung 12 vorgängig der Verankerung der Schwingdrähte an der Masse 18 das Einführen derselben in das Gehäuse gestattet, da ja der Durchmesser dieser Öffnung gleich gross wie derjenige des Hohlraumes 11 ist. Nach der Montage bilden das Gehäuse sowie die Halterungen 21 bis 26 eine Art Rahmen, welcher die Drähte 45 bis 50 zwischen den Stiften 33 und 39, 34 und 40, 35 und 41, 36 und 42, 37 und 43, sowie 38 und 44 gespannt hält.

   An den Drähten 45 bis 50 ist wiederum die Masse 18 im Hohlraum 11 aufgehängt, und zwar derart, dass sie weder die Wandung dieser Öffnung 11, noch die Anschläge 19 berührt, wenn die an drei Achsen angeordneten und von sechs Richtungen angreifenden Drähte bereits montiert sind.



   Unter der Wirkung einer unbalancierten Kraft, die die Beschleunigung des Gehäuses 10 verursacht, bewegt sich die Masse 18 innerhalb des und relativ zu dem Gehäuse 10, wobei die Spannung der Drähte 45 bis 50, je nach der Richtung der angreifenden Kraft, erhöht bzw. vermindert wird. Ein geeignetes Material für diese Drähte 45 bis 50 ist kaltgezogener Wolfram. Ein Draht aus diesem Material ist frei von lokalen Spannungen und wird unter Spannung nicht gestreckt, selbst wenn die Zugspannung bis zur Elastizitätsgrenze gesteigert wird. Ausserdem ist ein solcher Draht sehr dünn und kann beispielsweise einen Durchmesser von weniger als 0,02 mm aufweisen.



   Jeder der Drähte 45 bis 50 wird durch eine entsprechende Frequenz, vorteilhaft durch seine Grund  frequenz, mit Hilfe eines Rückkopplungsverstärkers 54 in Schwingung gehalten. Fig. 3 zeigt einen Rückkopplungsverstärker 54 für jeden der Drähte 45 und 47, und der Verstärker 54 im rechten Teil dieser Zeichnung ist für den Draht 47 bestimmt. Dieser Verstärker 54 ist mit einer elektrischen Brükkenschaltung 55 verbunden, bei welcher Widerstände 56 und 57 bei 58 miteinander bzw. durch eine Leitung 59 mit dem Verstärker 54 verbunden sind.

   Die Widerstände 56 und 57 bilden zwei der vier Arme der Brückenschaltung 55, wobei die beiden anderen Arme durch den Schwingdraht 47 und durch einen statischen Draht 60 gebildet sind, welch letzterer sich vorteilhaft durch die gleiche Halterung wie der Schwingdraht erstreckt, so dass der statische Draht und der Schwingdraht die gleiche Temperatur aufweisen. Der Schwingdraht 47 ist mit der Masse 18 elektrisch verbunden, die ihrerseits wiederum durch eine biegsame Leitung 61 mit dem Gehäuse 67 verbunden ist. Der Schwingdraht 47 und der Widerstand 56 sind bei 62 miteinander verbunden; der Widerstand 57 und der statische Draht 60 besitzen einen gemeinsamen Knotenpunkt 63; das Gehäuse 10 ist bei dem Punkt 64 geerdet, bei welchem der Schwingdraht 47 und der statische Draht 60 miteinander verbunden sind.

   Die beiden Knotenpunkte 62 und 63, sowie die Rückkopplungsleitung 59 sind mit dem Verstärker 54 verbunden, welcher seinerseits bei 65 geerdet ist. Der Verstärker besitzt zwei Ausgangsleitungen 66 und 67.



   Ein Verstärker 54 und eine Brückenschaltung 55 der gleichen Konstruktion und mit den gleichen Verbindungen, wie im Zusammenhang mit dem Draht 47 beschrieben, werden für den Schwingdraht 45 ebenfalls verwendet, wobei dieser Verstärker 54 und die zugehörende Brückenschaltung 55 für den Draht 45 in dem linksseitigen Teil der Fig. 3 ersichtlich ist.



   Die beiden den Drähten 47 bzw. 45 zugeordneten Verstärker 54 sind durch ihre Ausgangsleitungen 66 und 67 mit einem Mischer 68 verbunden, welcher von geeigneter Bauart ist und ein oder mehrere nichtlineare Elemente enthält, um eine Summe und Differenz der Ausgangsfrequenzen zu erzeugen.



  Der Mischer ist durch Ausgangsleitungen 69 und 70 mit einem Tiefpassfilter 71 verbunden. Der Tiefpassfilter kann von jeder bekannten, geeigneten Bauart sein. Dieser Tiefpassfilter besitzt Ausgangsleitungen 72 und 73, mit denen ein Frequenzmeter 74 von geeigneter Bauart verbunden ist.



   Ein Mischer 68, ein Tiefpassfilter 71 und ein Frequenzmeter 74 sowie zwei weitere Verstärker 54 und zwei Brückenschaltungen 55 sind für die beiden anderen, an der Y- bzw.   Achse    angeordneten Schwingdrähte vorgesehen, nämlich für die Schwingdrähte 46 und 48 an der Y-Achse und die Schwingdrähte 49 und 50 an der   Achse.    Was die elektrische Schaltung anbelangt, so sind im Falle der Y-Achse die Schwingdrähte 45 und 47 gemäss der Fig. 3 einfach durch die Schwingdrähte 46 und 48 ersetzt; und im Falle der   Achse    sind die genannten Drähte 45 und 47 gemäss der Fig. 3 durch die Schwingdrähte 49 und 50 ersetzt.



   Im Betrieb, namentlich wenn die Einrichtung einer Beschleunigung ausgesetzt wird, erwirken die zufolge der Trägheit der Masse 18 entstehenden Kräfte eine bestimmte, der Beschleunigung entsprechende Bewegung derselben.



   Es sei angenommen, dass die Beschleunigung gemäss der   Fig. 1    entlang der X-Achse nach rechts wirkt, wobei die Masse 18 entsprechend der Trägheit bestrebt ist, sich in Richtung auf die Halterung 21 zu verschieben, und dabei die Spannung des Drahtes 45 erhöht und diejenige des Drahtes 47 verringert. Diese Bewegung der Masse 18 wirkt sich natürlich zugleich in bezug auf die anderen vier Schwingdrähte 46, 48, 49 und 50 aus, wobei jedoch die Spannung dieser Drähte gleichmässig erhöht wird.



  Umgekehrt, wenn die Masse 18 bestrebt ist, zufolge ihrer Trägheit in der anderen Richtung auszuschwingen, so erhöht sich die Spannung des Drahtes 45, während diejenige des Drahtes 47 vermindert wird.



   Die Erhöhung bzw. Verminderung der Spannung der Drähte 45 und 47 hat zur Folge, dass die natürlichen Schwingfrequenzen, namentlich die Grundfrequenzen dieser Drähte entsprechend erhöht bzw. vermindert werden. Jeder der Drähte 45 und 47 befindet sich in einem magnetischen Feld zwischen den Polen 52 und 53 des Magnetes 51 der betreffenden Halterung 21 oder 23, und die Drähte schwingen in zu ihrer Achse senkrechter Richtung mit einer natürlichen Frequenz in einer annähernd sinusförmigen Bewegung, wobei sie eine Wechselspannung mit der gleichen Frequenz erregen. Wenn nun die Spannung der Drähte 45 und 47 durch die Masse 18 verändert wird, wird gleichzeitig, also durch die Beschleunigung, die Schwingfrequenz und daher die Frequenz der erregten Wechselspannung entsprechend verändert.

   Eine verlängerte Schwingung der Drähte 45 und 47 des dargestellten Systems kann erhalten werden, wenn diese Drähte 45 und 47 als Impedanzen eines selbstoszillierenden elektrischen Kreises dienen, welcher im Falle eines jeden der Drähte 45 und 47 die entsprechende Brückenschaltung 55 und den Verstärker 54 umfasst, um die Schwingung dieses Kreises zu erregen.



   Es ist zu bemerken, dass die Masse 18, die mit den Drähten 45 und 47 verbunden ist, diese beiden Drähte voneinander trennt und einen Nullpunkt in der transversen Schwingung der Drähte 45 und 47 schafft, so dass die Schwingungsfrequenzen der Drähte an beiden Seiten der Masse 18 von der mechanischen Spannung des Drahtes 45 bzw. 47 und schliesslich von der entlang der Achse wirkenden   Trägheit    kraft abhängen.



   Jede Brückenschaltung 55 bildet einen Filter, welcher in dem Rückkopplungskreis des entsprechenden Verstärkers 54 des Drahtes 45 bzw. 47 liegt, zum Zwecke, den Verstärker als Oszillator wirken zu lassen. Jede Brückenschaltung 55, deren einer Arm  der Schwingdraht 45 oder 47 ist, bildet eine abgeglichene Brücke unter statischen Bedingungen, sofern die Drähte 45 und 47 nicht schwingen. Die oberen Widerstände 56 und 57 sind von gleichem Wert, und der statische Draht 60 weist den gleichen Widerstand wie der Schwingdraht 45 oder 47 auf, wobei vorzugsweise der Draht 60 genau dem Draht 45 bzw. 47 entspricht, ausser, dass er nicht in einem magnetischen Feld angeordnet ist.



   Jede Brückenschaltung 55 ist abgeglichen, wenn der Draht 45 oder 47 sich im Ruhezustand befindet, indem zwischen den Knotenpunkten 62 und 63, die mit dem entsprechenden Verstärker 54 verbunden sind, keine Wechselspannung existiert, wenn die Schwingdrähte 45 bzw. 47 nicht schwingen. Wenn aber einer dieser Drähte 45 und 47 in dem magnetischen Feld zwischen den Polen 52 und 53 schwingt, entsteht in bekannter Weise eine elektromotorische Kraft und damit eine effektive dynamische Impedanz, die grösser ist als die statische Impedanz und die den Abgleich der Brückenschaltung 55 zerstört und dabei zwischen den Knotenpunkten 62 und 63 eine Wech  selspannung    entsprechend der Frequenz erregt.

   Der Verstärker 54 für den Draht 45 ergibt ein Ausgangssignal zwischen seinen Ausgangsleitungen 66 und 67, das die Frequenz der Schwingung des Drahtes 45 hat, und ein Teil des Ausgangssignals des Verstärkers 54 wird zwischen die Rückkopplungsleitung 59 und die Erdung 65 angelegt, um eine Wechselspannung dieser Frequenz an die Brückenschaltung 55 zwischen den Knotenpunkten 58 und 63 anzulegen und dadurch den Draht 45 in Schwingung zu erhalten.

   Auf die gleiche Weise ergibt der andere Verstärker 54 für den Draht 47 ein Ausgangssignal zwei schen seinen Ausgangsleitungen 66 und 67, das die Frequenz der Schwingung des Drahtes 47 hat, und ein Teil des Ausgangssignals dieses anderen Verstärkers 54 wird zwischen seine Leitung 59 und der Erdung 65 angelegt, um eine Wechselspannung dieser Frequenz an die zugeordnete Brückenschaltung 55 zwischen den Knotenpunkten 58 und 63 anzulegen und dadurch den Draht 47 in Schwingung zu erhalten.

   Die Drähte 45 und 47 besitzen bei jedem Spannungsgrad eine bestimmte Schwingfrequenz, die nach entsprechender Einstellung erhalten bleibt bzw. wiederholt erregbar ist, wenn die gleiche Einstellung vorgenommen wird, wobei der Verstärker 54 die Schwingung dieser Drähte entsprechend ihrer Grundfrequenz erregt, die von der mechanischen Spannung der Drähte abhängig ist, und gleichzeitig an den Ausgangsleitungen 66 und 67 ein elektrisches Signal der gleichen Frequenz abgibt.



   Die Signale der beiden Verstärker 54, die jeweils durch die Schwingung des Drahtes 45 bzw. 47 erregt werden, gelangen durch die Leitungen 66 bzw.



  67 zu dem Mischer 68, wie dies in der Fig. 3 ersichtlich ist. Die Ausgangsleitungen des Mischers 68 führen Spannungen der   Summen- bzw.    Differenzfrequenzen   J1 - J2,      ft+2    oder   2f1 +- !2,    entsprechend der   Überiagerung    der von den Verstärkern 54 eingehenden Frequenzen in dem Mischer 68. Diese Frequenzen gelangen über die Leitungen 69 und 70 an den Tiefpassfilter 71, so dass die Ausgangsleitungen 72 und 73 des Tiefpassfilters Spannungen der Schwe  bungsfrequenz      J, - J2    führen.

   Der Frequenzmesser 74, der mit den Ausgangsleitungen 72 und 73 verbunden ist, misst diese Schwebungsfrequenz   !i      - 1-.,   
Die Differenzfrequenz zwischen den beiden Drähten 45 und 47, wenn sie in jeder Hinsicht, also auch nach ihrer Länge identisch sind, kann etwa wie folgt ausgedrückt werden:

  
EMI4.1     

  <SEP> /Ifds <SEP> IT,ds
<tb> \I <SEP> s <SEP> s
<tb> (für <SEP> den <SEP> einen <SEP> (für <SEP> den <SEP> andern
<tb> Draht) <SEP> Draht)
<tb>  wobei   fo    die Frequenz eines jeden Drahtes ist, wenn    die Beschleunigung 0 ist, + aS s die Änderung der    mechanischen Drahtspannung s, welche Änderung als an den beiden Drähten gleich und in verschiedener Richtung wirkend angenommen wird, bedeutet und dabei proportional der an der Masse wirkenden Kraft ist, und schliesslich   fo    der Anfangszugspannung der Schwingdrähte entspricht, wenn die Beschleunigung und die an der Masse wirkende Kraft 0 ist.



   Es versteht sich nun, wenn zufolge der Erhöhung der mechanischen Spannung die Frequenz eines der Drähte 45 oder 47 erhöht und diejenige des anderen Drahtes entsprechend der Verminderung der Spannung vermindert wird, dann beträgt die Änderung der Differenzfrequenz der beiden Drähte grundsätzlich das Zweifache der Frequenzänderung eines einzelnen Drahtes. Es versteht sich ferner, dass diese Differenzfrequenz Null ist, wenn die äussere Kraft bei Fehlen einer Beschleunigung längs der Drähte 45 und 47 Null ist, vorausgesetzt, dass die Drähte 45 und 47 identisch und von gleicher Länge sind.

   Da   f0    und die Grösse s für jeden Draht 45 oder 47 bekannt sind, kann A s, das heisst die Änderung der Drahtspannung, aus der Nährungsformel für die Differenzfrequenz   - f2    erhalten werden; und da   A    s proportional zu der an der Masse 18 wirkenden Kraft ist, lässt sich die Grösse dieser Kraft ermitteln. Wie vorhergehend erwähnt, ist eine elektrische Einrichtung gemäss der Fig. 3 für jedes Drahtpaar, bestehend aus den Schwingdrähten 46 und 48 bzw. 49 und 50, vorgesehen. In einem solchen System würde man sich in Fig. 3 den Draht 46 anstelle des Drahtes 45 und den Draht 48  anstelle des Drahtes 47 eingesetzt zu denken haben.



  In dem anderen System ersetzt der Draht 49 den Draht 45 und der Draht 50 den Draht 47. Wenn die Masse 18 in der Richtung der Y-Achse anstatt in derjenigen der X-Achse beschleunigt wird, kann die Beschleunigung mit dem Frequenzmeter 74 des elektrischen Systems der Drähte 46 und 48 gemessen werden; und wenn die Beschleunigung in der   Rich-    tung der Z-Achse wirkt, kann der Frequenzmeter 74 im Zusammenhang mit dem elektrischen System der Drähte 49 und 50 zum Messen der Beschleunigung in Richtung der Z-Achse benützt werden.



   In den meisten Fällen jedoch wirkt die Beschleunigung nicht genau in der Richtung einer der Achsen, X, Y oder Z, vielmehr in einer Richtung, die mit allen diesen Achsen einen Winkel bildet. In diesem Falle können die in Richtung der X-, Y- und Z-Achse wirkenden Beschleunigungskomponenten mit Hilfe der Frequenzmeter 74 bestimmt werden; und auf Grund dieser Komponenten kann die Richtung und die Grösse der Beschleunigungskraft ermittelt werden.



  Die elektrischen Systeme der Drahtpaare der X-, Yund Z-Achse arbeiten voneinander unabhängig, so dass jeweils die tatsächliche, an einer der Achsen wirkende Beschleunigungskomponente am Frequenzmeter 74 ablesbar ist; der Frequenzmeter zeigt dabei, wie erwähnt, direkt die Differenz der Frequenzen der Schwingungen der Schwingdrähte an allen der drei Achsen.



   Beim Anzeigen der tatsächlichen Beschleunigungskraft bzw. deren Komponenten ist die Einrichtung besonders präzis, wenn die Beschleunigung nicht genau in der Richtung einer der Achsen X, Y oder Z wirksam ist, und zwar entsprechend dem Umstand, dass eine Kraft, die an der Masse 18 unter rechtem Winkel zu irgendeiner der Achsen X, Y oder Z wirkt, die auf diese Achse bezogene Grösse   A    f   =      =    f2 unbeeinflusst lässt.

   Bei genauerer Überprüfung der Beziehung zwischen den Grössen   fi - 12      fo      A s    und s sieht man, dass, wenn eine Kraft unter einem rechten Winkel in bezug auf eine der Längsachsen wirksam ist, die mechanischen Spannungsänderungen   ds    der zwei Drähte an dieser Achse nahezu gleich für beide Drähte und beide Male positiv sind, dabei bleibt die Differenzfrequenz der beiden Drähte an der betreffenden Achse entsprechend der Trägheitskraft der Masse 18 unter der Wirkung der in bezug auf diese Achse unter einem rechten Winkel gerichteten Kraft unverändert.

   Somit kann die wahre Grösse der Beschleunigungskraft von einem der Frequenzmeter 74 genau abgelesen werden, vorausgesetzt, dass die Kraft direkt entlang einer der Achsen X, Y und Z wirksam ist; anderseits kann die Grösse und die Richtung der Beschleunigungskraft mit Hilfe aller drei Beschleunigungsmesser 74 genau bestimmt werden, wenn die Beschleunigungskraft mit den drei Achsen einen Winkel bildet.



   Die Einrichtung kann beispielsweise in einem Flugkörper verwendet werden, wobei die Schwerkraft eine veränderliche Wirkung auf die Masse 18 aus übt und dabei die Spannung der einzelnen Drähte entsprechend verändert, wenn die Einrichtung im Flug in bezug auf die absolute Vertikale verschiedene Lagen einnimmt. Um diesem Umstand zu begegnen,    wird die Einrichtung an einer Plattform ! montiert, die    mit Hilfe einer geeigneten Servovorrichtung mit Bezug auf die absolute Vertikale in einer gleichbleibenden Lage gehalten wird, namentlich in einer solchen, in welcher eine der drei Achsen mit der absoluten Vertikalen zusammenfällt.

   In diesem Falle wird die auf die Masse 18 wirkende Schwerkraft die Spannung der Drähte nicht verändern und die Grösse   Ii - 12    für irgendeine der drei   Achsen    vom tatsächlichen Wert während des Fluges nicht zum Abweichen bringen.



   Es könnte auch sein, dass die Schwingdrähte 45, 46, 47, 48, 49 und 50 mit Bezug auf ihre Länge, ihr spezifisches Gewicht, Querschnittsfläche, Elastizitätsmodul oder auf die Kombination solcher Merkmale unterschiedlich gewählt werden, um zum Beispiel einen Unterschied in den Frequenzen der einzelnen Drahtpaare zu erhalten, wenn die wirkende Kraft und die Trägheitskraft Null sind, um dabei die Richtung und die Grösse der zu messenden Beschleunigungskraft mit Hilfe der   Anderung    der Frequenzdifferenz feststellen zu können.

   Es wäre ferner in weiterer Ausbildung der Erfindung möglich, die Drähte 45, 46, 47, 48, 49 und 50 nicht mit kreisförmigen, sondern mit unterschiedlichen Querschnittsprofilen auszuführen, beispielsweise bandartig, oder vieleckig, und ausserdem könnte man Schwingdrähte aus einem nichtleitenden Material mit einer leitenden Ummantelung an Stelle der Metalldrähte verwenden.



   Wenn die Beschleunigung nur in einer Ebene, beispielsweise in der X-, Y-Ebene, senkrecht zur Z-Achse wirksam ist, ist das elektrische System für die Schwingdrähte 49 und 50 überflüssig, da diese Drähte 49 und 50 dann lediglich die Aufgabe der Halterung der Masse 18 in dem Hohlraum 11 und in der X-, Y-Ebene erfüllen. In diesem Falle handelt es sich im wesentlichen um eine zweiachsige Messeinrichtung zum Messen der Beschleunigungskraft in der X-, Y-Ebene. Im Falle einer solchen zweiachsigen Beschleunigungsmesseinrichtung erhält man zwei verschiedene Frequenzsignale   fl-2    von zwei Frequenzmetern 74, von welchen einer auf die Komponente der Trägheitskraft in Richtung der X-Achse und der andere auf die Komponente dieser Kraft in der Richtung der Y-Achse anspricht.



   Es wäre ferner möglich, bei einer dreiachsigen Einrichtung gemäss den Fig. 1 und 2 oder bei einer zweiachsigen Einrichtung, bei welcher eines der elektrischen Systeme gemäss der Fig. 3 weggelassen wird, andere der Ausübung einer Kraft dienende Mittel anstelle der Masse 18 zu verwenden. Die dreiachsige Messeinrichtung mit den elektrischen Systemen nach der Fig. 3 würde die Grösse und die Richtung der Kraft in den drei Achsen und die zweiachsige Ein  richtung würde die Grösse einer Kraft und deren Richtung in einer Ebene messen.



   Bei der beschriebenen, verbesserten Einrichtung werden vorteilhaft anstelle nur eines Drahtpaares mehrere Paare von Schwingdrähten unter Spannung als Fühlerelemente verwendet, bei welchen eine äussere Kraft die Spannung einiger der Drähte erhöht und diejenige von anderen vermindert und dabei wechselnde elektrische Signalfrequenzen erregt, die direkt die Grösse der Komponenten der wirkenden Kraft angeben.



   Mit Hinblick auf den Umstand, dass anstelle von einzelnen Drähten mehrere Drahtpaare verwendet werden, wird eine grössere Genauigkeit erreicht, umsomehr, da die Signalfrequenzen jedes Schwingdrahtpaares von Kräften, die zu der Achse dieser Drähte unter einem rechten Winkel wirksam sind, nicht beeinflusst werden.   

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Kraftmesseinrichtung mit mehreren Paaren (45, 47; 46, 48; 49, 50) gespannter Drähte, wobei die Drähte in jedem Paar gleichachsig angeordnet sind und die Achsen der Drahtpaare je miteinander einen Winkel einschliessen, mit einem auf eine Kraft ansprechenden Element (18), das mit jedem der Drähte so verbunden ist und mit den beiden Drähten eines jeden Paares so zusammenwirkt, dass, wenn das Element durch eine äussere Kraft bewegt wird und dabei eine Bewegungskomponente in die Achse des Drahtpaares fällt, die Spannung eines der Drähte des betreffenden Drahtpaares erhöht und diejenige des anderen Drahtes vermindert wird, mit Mitteln (51, 54, 55) zum Erregen eines jeden der Drähte in seiner Eigenfrequenz und mit Mitteln (74) zum Anzeigen der Differenz der Schwingfrequenzen der Drähte eines jeden Paares als ein Mass für die Grösse und die Richtung der Kraftkomponente,
    die entlang der Achse eines einzelnen Drahtpaares wirkt, um dadurch die Grösse und die Richtung der Kraft zu bestimmen, die an dem Element wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte eines jeden Drahtpaares (45, 47; 46, 48; 49, 50) so weit unterschiedliche Eigenschwingungsfrequenzen aufweisen, dass die Schwingungsfrequenz eines der Drähte in einem vorbestimmten Bereich der Änderung der auf das Element wirkenden Kraft immer höher als die Schwingungsfrequenz des anderen Drahtes ist.
    UNTERANSPRÜCHE 1. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drähte eines jeden Drahtpaares (45, 47; 46, 48; 49, 50) verschieden lang sind.
    2. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drähte eines jeden Drahtpaares einen unterschiedlichen Elastizitätsmodul aufweisen.
    3. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erregen der Drähte in ihren Eigenschwingungsfrequenzen Mittel (51) umfassen, die so angeordnet sind, dass die beiden Drähte eines jeden Paares je in einer anderen Ebene bewegt werden, um eine Koppelung zwischen den beiden Drähten zu vermeiden.
    4. Einrichtung nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingebenen der Drähte eines jeden Drahtpaares miteinander annähernd einen rechten Winkel einschliessen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2834065A1 (fr) * 2001-12-20 2003-06-27 Centre Nat Rech Scient Dispositif capteur, dispositif de mesure et dispositif d'analyse comportant un tel dispositif capteur
WO2003054498A1 (fr) * 2001-12-20 2003-07-03 Centre National De La Recherche Scientifique Dispositif capteur, dispositif de mesure et dispositif d'analyse comportant un tel dispositif capteur

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