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Beschleunigungsmesser und Integrator Beschleunigungsmesser finden
in. der Meßtechnik einen großen Anwendungsbereich mit den verschiedensten Forderungen
bezüglich Empfindlichkeit, Genauigkeit, Eindeutigkeit und Frequenzgrenze.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Beschleunigungsmesser
zu schaffen, der diese Forderungen in besonders hohem Maße erfüllt. Der weiterhin
beanspruchte erfindungsgemäße Integrator soll mit höchster Genauigkeit allgemein
das erste und das zweite Integral einer elektrischen Spannung bilden.
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Es gibt eine ganze Reihe von Anwendungen für solche Anordnungen höchster
Genauigkeit wie die folgenden Beispiele zeigen.
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1. Gravimeter. Die Ortung der Lagerstätten von Bodenschätzen geschieht
auch mit Hilfe des Gravimeters, welches die geringe örtliche Änderung der Gravitation
erfaßt. Um hieraus Rückschlüsse auf die Lagerstätten ziehen zu können, muß die Meßgenauigkeit
mindestens 104 sein.
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2. Trägheitsnavigation. Durch dieses Verfahren wird der Standort
eines bewegten Körpers bestimmt.
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Das Verfahren ist passiv und benötigt keine außerhalb liegende Einrichtungen
oder Bezugspunkte. Dadurch ist die Möglichkeit einer Ortung oder Störung von anderer
Seite ausgeschlossen. Auf einer durch Kreisel und SchuIerpendel stabilisierten Plattform
werden die drei Komponenten der Beschleunigung gemessen und doppelt integriert,
um die Koordinaten des Standorts zu erhalten. Hier ist die Forderung nach großer
Genauigkeit der B eschleunigungsmessung augenscheinlich. Ein kleiner Fehler wächst
durch die doppelte Integration quadratisch mit der Zeit an.
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Bei den bekannten Beschleunigungsmessern wird die Auslenkung einer
federnd gelagerten Masse unter der Einwirkung der Beschleunigung gemessen. Ein Ausschlagsverfahren
hat immer nur begrenzte Genauigkeit. Es sind auch Kompensationsverfahren bekanntgeworden,
die eine größere Genauigkeit haben. Die Trägheitskräfte einer Masse werden durch
magnetische Kräfte kompensiert. Ungünstig für höchste Genauigkeit ist hier die Nichtlinearität
und Hysterese magnetischer Stoffe.
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Der erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser vermeidet diesen Nachteil,
indem als Kompensationskräfte elektrostatische Kräfte angewandt werden. Die erfindungsgemäße
Anordnung ist dadurch gekemlzeichnet, daß die kompensierenden elektrostatischen
Kräfte zwischen dem Meßkörper und einem Gefäß mittels eines Folgereglers selbsttätig
erzeugt werden, so daß die elektrischen Spannungen, welche die elektrostatischen
Kräfte bewirken, ein Maß für die Beschleunigungen sind, und daß zur Integration
dieser Spannungen an einem reibungsarm gelagerten
Rotor durch elektrostatische Kräfte
ein Drehmoment erzeugt wird. Das den Rotor enthaltende Gefäß folgt mittels eines
Folgereglers den Bewegungen des Rotors, wobei der Regelmotor ein Tachometer antreibt,
das das erste Integral ergibt, und einen Umdrehungszähler, der das zweite Integral
ergibt. Die Erläuterung der Erfindung des Beschleunigungsmessers und des Integrators
erfolgt an Hand der folgenden Beschreibung der Abbildungen. Es zeigt Abb. 1 ein
grundsätzliches Schema des Beschleunigungsmessers, Abb. 2 die Form der Hohlkugel,
deren Beschleunigung gemessen wird, Abb. 3 ein elektrisches Schema der Anordnung
nach Abb. 1 für drei Koordinaten, Abb. 4 ein Ausführungsbeispiel für einen elektronischen
Verstärker nach Abb. 1, Abb. 5 eine Hohlkugel mit isolierten Kalotten, Abb. 6 ein
elektrisches Schema in drei Koordinaten für Ausführung mit Hohlkugel nach Abb. 5,
Abb. 7 ein mechanisches Schema des Integrators, Abb. 8 eine kapazitive Teil-Anordnung
aus Abb. 7, Abb. 9 ein elektrisches Schema des Integrators.
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Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers geht
-aus der Abb. 1. hervor.
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Eine dünnwandige metallische Kugel 1 ist von drei Paaren gleichartiger
metallischer Schalen umgeben, konzentrisch mit einem geringen Abstand um die Kugel.
In Abb. 1 sind nur zwei Schalenpaare 2, 3; 4, 5 ersichtlich, dagegen nicht das dritte,
senkrecht zum Blatt angeordnete Paar, so daß die Abb. 1 nur zwei Koordinaten, etwa
die X-, Y-Koordinaten, erklärt. Zu jedem Schalenpaar, d. h. zu jeder Koordinate,
ist eine elektrische Schaltung und ein elektronischer Verstärker zugeordnet. Diese
sind für alle drei Koordinaten
gleichartig und iti Abb. 1 nur für
die X-Koordinate ausgeführt. Die sechs Schalen 2, 3, 4, 5 ... sind isoliert in einem
Gefäß 7 angeordnet, welches aus Glas oder Metall bestehen kann, und besitzen vakuumdichte
elektrische Durchführungen durch die Gefäßwand. In die Oberfläche der Hohlkugel
sind, wie aus Abb. 2 ersichtlich, Kanäle eingeprägt, welche als Großkreise der Kugel
so angeordnet sind, daß etwa nach Art eines Fußballs sechs gleiche Kalotten gebildet
werden. Jeweils drei Kanäle laufen auf einen der acht Knotenpunkte, die mit den
Ecken eines einbeschriebenen Würfels übereinstimmen. Die Schalen 2 3 4, 5 ... sind
radiale Projektionen dieser Kalotten.
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An einem der Knotenpunkte der Hohlkugel 1 ist eine sehr dünne, federnde
elektrische Zuleitung 8 angebracht, die ebenfalls vakuumdicht durch das Gefäß 7
geführt und an Erde gelegt ist. Zur Vermeidung einer Unsymmetrie befindet sich am
gegenüberliegenden Knotenpunkt eine ähnliche dünne Feder.
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Der Innenraum des Gefäßes 7 kann evakuiert werden.
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Der an sich bekannte elektronische Verstärker 6, mit dessen Eingangsklemmen
die Schalen 2, 3 elektrisch verbunden sind, hat folgende Eigenschaften: An seinen
Ausgangsklemmen entsteht eine Gleichspannung, deren Größe in stetig ansteigender
Ab -hängigkeit steht von der Verstimmung des durch die Platten 2, 3 und die Hohlkugel
1 gebildeten Differentialkondensators und deren Polarität vom Sinn dieser Verstimmung
abhängt. An den Schalen 2, 3 liegen auch noch über die Widerstände 9, 10 zwei in
Reihe geschaltete Gleichspannungen 11, deren Mitte mit der einen Ausgangsklemme
des Verstärkers 6 verbunden ist. Die andere Klemme liegt an Erde.
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Der Verstärker ist an den HF-Generator 20 angeschlossen. Durch ein
eingebautes HF-Sieb wird die Ausgangsspannung von HF gereinigt.
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Die Erklärung der Wirkungsweise der erfindung gemäßen Anordnung erfolgt
ebenfalls an Hand der Abb. 1. Die Einhaltung der geforderten extremen Bedingungen
wird dadurch angestrebt, daß eine Masse, bestehend aus der Hohlkugel 1, konzentrisch
in dem durch die sechs Schalen 2, 3, 4, 5... gebildeten Hohlraum schwebend gehalten
wird durch Wirkung von Kompensationskräften für die drei Koordinaten.
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Da die Lage eines Körpers im Raum durch sechs Komponenten bestimmt
ist, sind zur Verwirklichung des schwebenden Zustandes sechs unabhängige Stützkräfte
erforderlich. In den meisten Fällen sind nur die drei Komponenten für die Lage des
Schwerpunktes von Interesse, und die entsprechenden Kompensationskräfte müssen durch
drei Anordnungen nach Abb. 1 erzeugt werden. Da sich die Hohlkugel 1 wegen der Zuleitung
8 nicht um ihren Schwerpunkt relativ zum Koordinatensystem drehen darf, müssen Kräfte
erzeugt werden, welche die Drehung verhindern. Diese brauchen jedoch nicht gemessen
zu werden, so daß ihre Erzeugung, wie weiter unten begründet, in einfacher Weise
durch die eingeprägten Kanäle nach Abb. 2 geschieht.
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Die Erzeugung der Kompensationskräfte für die Beschleunigung geschieht
wie folgt: Die Hohlkugel 1 ist ein Teil des Regelkreises eines Folgereglers, welcher
die Kugel immer genau in die Mitte zwischen den Schalen 2, 3 regelt. Dazu muß ein
mit einem Fühler versehenes Meßorgan vorhanden sein, welches die Abweichung aus
der Mitte anzeigt, sowie ein Stellglied, welches die Kraft zur Einhaltung der Mitte
liefert. Der hier angewandte erfindungsgemäße
Regelkreis zeichnet sich gegenüber
bekannten Regelkreisen dadurch aus, daß Fühler und Stellglied durch das gleiche
Organ gebildet werden, nämlich durch den Differentialkondensator, der aus den Schalen
2, 3 und der. Hohlkugel 1 gebildet wird. In seiner Funktion als Fühler ist dieser
mit dem symmetrischen Eingang des als Kapazitätsmesser ausgebildeten Verstärkers
6 verbunden, von welchem er mit einer HF-Spannung beaufschlagt wird. In seiner Eigenschaft
als Stellglied muß der Differentialkondensator die elektrostatische Kompensationskraft
erzeugen.
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Um in jedem Falle die elektrostatische Kompensationskraft mit der
richtigen Polarität zu erhalten, ist die konstante symmetrische Hilfsgleichspannung
11 vorgesehen, welcher sich die Spannung aus dem Verstärker 6 überlagert.
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Die Gefahr einer Rückkopplung, die bei dieser Anordnung besteht,
ist dadurch vermieden, daß der Fühler mit Hochfrequenz, das Stellglied jedoch mit
Gleichspannung beaufschlagt wird.
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Der hier beschriebene Folgeregler kann nach den Prinzipien der Regelungstechnik
grundsätzlich als P-, I- oder PID-Regler ausgeführt werden. Am einfachsten ist der
P-Regler, welcher hier vorzugsweise angewandt werden soll.
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Es ist ersichtlich, daß die Genauigkeit der Beschleunigungsmessung
bei dieser Anordnung nur durch die Genauigkeit der Spannungsmessung durch den Spannungsmesser
13 bestimmt ist.
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Der Erfindung wurde ein elektrostatisches Regelsystem zugrunde gelegt
wegen des hier vorliegenden eindeutigen Zusammenhangs zwischen der elektrostatischen
Kraft und der erzeugenden elektrischen Spannung. Bei dem bekannten magnetischen
Verfahren ist diese strenge Eindeutigkeit wegen der Hysterese nicht gegeben.
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Es steht noch die Erklärung aus, auf welche Weise die Hohlkugel 1
daran gehindert wird, sich um ihren Schwerpunkt zu drehen. Bei einer virtuellen
kleinen Verdrehung der Kugel müssen rückdrehende Kräfte auftreten, so daß die normale
Lage als ein Zustand des stabilen Gleichgewichts ausgezeichnet wird. Es sei eine
kleine Drehung der Hohlkugel in Abb. 1 um die senkrecht zum Blatt verlaufende Achse
angenommen. Dadurch werden die Kapazitäten der Differentialkondensatoren für die
X- und Y-Koordinate gleichsinnig verkleinert. Die anliegende Hilfsgleichspannung
11 ist aber bestrebt, die maximale Kapazität herzustellen, und es treten die entsprechenden
rückdrehenden und stabilisierenden Kräfte auf.
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Die notwendige Verkleinerung der Kapazitäten bei einer virtuellen
Drehung wird durch die Kanäle nach Abb. 2 bewirkt.
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In Abb. 3 ist die elektrische Schaltung der erfindungsgemäßen Anordnung
schematisch für die drei Koordinaten X, Y, Z angegeben. Die Kapazitäten der dreidimensionalen
Anordnung entsprechend Abb. 1 sind durch Kondensatoren angedeutet. Zu X gehört 14,
15, zu Y 16, 17, zu Z 18, 19. Einen Beleg aller dieser Kondensatoren bildet die
geerdete Hohlkugel 1, und dementsprechend sind die Kondensatoren mit je einem Beleg
untereinander elektrisch verbunden. Für jede Koordinate ist ein Verstärker 6 erforderlich;
alle drei werden von dem HF-Generator 20 gespeist.
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Die Abb. 4 zeigt das Ausführungsbeispiel eines als Kapazitätsmesser
arbeitenden elektronischen Verstärkers. Solche Verstärker sind an sich bekannt.
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In der Anordnung nach Abb. 3 ist es nachteilig, daß drei auf verschiedenem
Potential liegende Gleichspannungsquellen notwendig sind. Es läßt sich erreichen,
daß
eine einzige Gleichspannungsquelle genügt. Dazu werden nach Abb. 5 die drei Kalottenpaare
der Hohlkugel gegeneinander isoliert angeordnet und durch je eine federnde dünne
Zuleitung mit dem Außenraum verbunden. Für die Schalen 2, 3, 4,5... genügen jetzt
zwei Durchführungen, da je drei Schalen im Gefäß miteinander elektrisch verbunden
sind. Die Isolation der Kalotten läßt sich so erreichen, daß auf einer dünnen Hohlkugel
aus Kunststoff die Kalotten als dünne Belege, etwa durch Vakuumzerstäubung aufgebracht
werden. Die elektrische Schaltung mit dieser geänderten Anordnung folgt aus der
Abb. 6 für die drei Koordinaten. Die durch die Kalottenpaare gebildeten Mitten 27,
28, 29 der Differentialkondensatoren 21-22> 23-24, 25-26 sind nicht mehr an Erde
geführt, sondern an die Eingänge der zugehörigen elektronischen Verstärker 6. Es
ist jetzt ein vom HF-Generator 20 gespeister Differentialtransformator 30 erforderlich
und nur noch eine geerdete symmetrische Gleichspannung.
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Zwischen den Punkten 31, 32, 33 und Erde werden die den Beschleunigungen
proportionalen Spannungen für die drei Koordinaten abgenommen.
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Bei manchen Anwendungen ist es erforderlich, die elektrischen Spannungen
aus der Beschleunigungsmessung zu integrieren. Ein solches Anwendungsbeispiel ist
die eingangs beschriebene Trägheitsnavigation.
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Die nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung beansprucht
neuartige elektromechanische Mittel, mit welchen gleichzeitig die Aufgabe der einfachen
und der doppelten Integration einer elektrischen Spannung mit großer Genauigkeit
ausgeführt werden kann. Gegenüber den bekannten Integratoren hat diese Anordnung
folgende Vorteile: 1. Der mit der Zeit anwachsende Fehler der Integration wird auf
ein Minimum herabgesetzt, so daß im Gegensatz zu den rein elektronischen Integratoren
auch über lange Zeiten integriert werden kann.
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2. Es ist ein sehr großer Bereich der zu integrierenden Spannungen
erfaßbar.
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3. Niedriger Ansprechwert, der es erlaubt, auch noch sehr kleine
Spannungen zu integrieren.
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4. Einfachheit und geringe räumliche Größe und daher niedriger Preis.
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Die Beschreibung des Prinzips des Integrators erfolgt an Hand der
Abb. 9.
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An einem drehbar gelagerten Teil 35 sind isoliert zwei Bleche 36,
38 befestigt, welche elektrisch mit je einem Schleifring verbunden sind. In Richtung
der Achse von Teil 35 ist in den Lagerpfannen 39, 40 ein Rotor 41 so gelagert, daß
ein an ihm angebrachtes Blech 37 zwischen die beiden Bleche 36, 38 ragt und damit
ein Differentialkondensator mit den drei Blechen als Belegen gebildet wird. In der
schematischen Abb. 9 ist nur ein Differentialkondensator angedeutet. Zweckmäßigerweise
werden mehrere gleichmäßig auf dem Umfang verteilt und parallelgeschaltet. Der mit
einer isolierten Achse versehene Rotor 41 ist über einen dünnen federnden Draht
mit einem dritten Schleifring verbunden. Der Zweiphasen-Induktions-Motor 42 ist
mit dem Teil 35 sowie mit dem Tachometer 43 und dem Umdrehungszähler 44 gekuppelt.
Der Differentialkondensator 36, 37, 38 ist über die Schleifringe mit dem Eingang
eines als Kapazitätsmesser ausgeführten elektronischen Verstärkers 45 verbunden.
Außerdem liegt an den Belegen 36, 38 über HF-Drosseln eine symmetrische Gleichspannung
mit geerdeter Mitte. Der Verstärker
45 wird gespeist vom HF-Generator 47 und von
der Wechselspannung des Netzes. Seine Ausgangsklemmen 48, 49 sind über einen Kondensator
an die Steuerwicklung des Motors 42 geführt. Die andere Wicklung liegt am Netz.
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Die zu integrierende Spannung wird an den Klemmen 50, 51 angeschlossen
und bewirkt eine ihr streng proportionale Kraft auf dem mittleren Beleg 37 des Differentialkondensators,
welcher durch die so bewirkte Drehung des Rotors 41 verstimmt wird. Nun spricht
der an sich bekannte elektronische Verstärker 45 an, der verschieden ist von dem
Verstärker 6. Er hat die Eigenschaft, daß eine Verstimmung des Differentialkondensators
an seinen Ausgangsklemmen 48, 49 eine proportionale Wechselspannung von Netzfrequenz
zur Folge hat, deren Phase (00 oder 1800) vom Sinne der Verstimmung abhängt. Der
durch diese Wechselspannung gespeiste Motor 41 wird sich drehen und die Belege 36,
38 der Bewegung des Belegs 37 nachfolgen lassen. Es liegt hier wieder ein Folgeregler
vor mit der Besonderheit, daß Fühler und Steilglied durch das gleiche Organ, den
Differential kondensator 36, 37, 38, gebildet werden.
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Durch diesen Folgeregler wird erreicht, daß auf das eigentliche integrierende
Organ, den Rotor 41, nur die Kräfte einwirken, die aus der zu integrierenden Spannung
resultieren. Die sonstigen, zu Fehlern führenden Drehmomente, wie Luft- und Lagerreibung,
sowie das Nutzdrehmoment zum Antrieb der Registriergeräte werden vom Motor 42 übernommen
und so vom Rotor 41 ferngehalten.
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Die Abb. 7 zeigt eine technische Ausführung des erfindungsgemäßen
Integrators. Der Ferrarismotor 42 ist durch die Welle 500 gekuppelt mit dem Tachometer
43, dem Zählwerk 44 und dem vakuumdichten Gehäuse 510. An dem Gehäuse befindet sich
der Kollektor 52 mit den drei Schleifringen. Im Innern des Gehäuses sind zwei Isolierscheiben53,
vorzugsweise aus Keramik, angebracht, welche durch acht Drahtstifte 54 in einem
bestimmten Abstand voneinander gehalten sind. Der Rotor 41 ist so aufgebaut, daß
auf seiner Achse 55 ein metallisches Flügelrad mit den vier Flügeln 56 isoliert
befestigt ist. Die Achse 55 ist gelagert in den Lagersteinen 39, 40, die in den
Isolierscheiben 53 befestigt sind. Beiderseits eines jeden der Flügel 56 befindet
sich je ein Blech, welches an einen der Drahtstifte 54 geschweißt ist. -Die Abb.
8 ist ein Schnitt A-B durch das Gehäuse 510, aus welchem die Anordnung der vier
Differentialkondensatoren sowie die Art ihrer Parallelschaltung ersichtlich ist.
Die Ringleitungen, mit welchen dies geschieht, sind über vakuumdichte Durchführungen
nach außen an je einen Schleifring geführt. Ebenso das Flügelrad auf dem Rotor 41,
jedoch über eine dünne Spiralfeder 57. Das ganze Gehäuse kann wieder evakuiert werden.
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Die einzige noch mögliche Fehlerquelle ist die Lagerung des Rotors
41. Wegen des Folgereglers kann zwar nur eine sehr geringe Drehung des Rotors relativ
zum Lager 51 auftreten. Störend ist aber die Ruhereibung, die unvermeidlich ist,
auch wenn sie sehr gering gehalten werden kann. Deshalb ist in dem Erfindungsgedanken
die Möglichkeit einbegriffen, hier eine reibungsarme Lagerung anzuwenden. Wegen
der geringen Drehung des Rotors gegenüber dem Lager kann dies z. B. durch die folgenden
Arten der Lagerung ermöglicht werden.
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1. Spannbandaufhängung, 2. Flüssigkeitslagerung, 3. berührungsfreie
magnetische Aufhängung.
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Die Lagerung unter 1 ist die einfachste und dürfte ür die meisten
Fälle ausreichend sein.
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PATENTAN SPPSUCHE 1. Beschleunigungsmesser und Integrator, bei welchem
zur Messung der Beschleunigung an einem Meßkörper in drei Koordinaten Kräfte erzeugt
werden, welche die zu messenden Beschleunigungskräfte kompensieren, so daß der Meßkörper
in seiner Umgebung frei schwebend gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
kompensierenden Kräfte auf elektrostatischem Wege zwischen dem vorzugsweise als
dünnwandige metallische Hohlkugel (1) ausgeführten Meßkörper und einem Gefäß (7)
mittels eines Folgereglers selbsttätig erzeugt werden, so daß die elektrischen Spannungen,
welche die elektrostatischen Kräfte bewirken, ein Maß für die Beschleunigungen sind,
und daß zur einfachen und zur doppelten Integration jeder dieser Spannungen durch
elektrostatische Kräfte ein Drehmoment erzeugt wird an einem Rotor (41), welcher
reibungsarm gelagert ist in einem vorzugsweise evakuierten Gefäß (510), welches
durch einen Folgeregler der Rotation des Rotors synchron nachfolgt mittels eines
Regelmotors (42), welcher auch der Antrieb ist für ein Tachometer (43), das das
erste Integral, und einen Umdrehungszähler (44), der das zweite Integral ergibt.