DE1097718B - Vorrichtung zum Messen mechanischer Kraefte, insbesondere auf Traegheit ansprechender Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen mechanischer Kräfte, insbesondere auf Trägheit ansprechende Beschleunigungsmesser. Vorrichtungen dieser Art mit einem zwischen zwei koaxial ausgerichteten Saiten eingespannten Gewicht, das durch seinen in axialer Richtung der Saiten wirkenden Trägheitseinfluß die Spannung der Saiten und damit deren Schwingungsfrequenz gegensinnig verändert, wobei die Saiten in einem Magnetfeld angeordnet sind und zu Schwingungen in ihren Grundfrequenzen angeregt werden, deren Differenz das gewünschte Meßergebnis darstellt, sind bekannt.

Eine derartige bekannte Vorrichtung war zur Messung der Momentangeschwindigkeit bzw. des zurückgelegten Weges eines Wasser- oder Luftfahrzeuges bestimmt. Die beiderseits des tragen Körpers eingespannten Saiten wurden bei dieser Vorrichtung über Elektromagnete durch Rückkopplungseinheiten in ihrer Grundfrequenz zu ungedämpften Schwingungen erregt. Andere Elektromagnete waren vorgesehen, um die Schwingungen der Saiten wieder abzunehmen und der Meßeinrichtung zuzuführen. Die Einrichtung zur Messung der Differenz der Schwingungsfrequenzen beider Saiten arbeitete dabei rein mechanisch. Die Nulldurchgänge der Schwingungen der einzelnen Saiten wurden über Zählvorrichtungen auf je ein Kegelrad, eines Differentials gegeben, und die Drehung des Differentialhauptrades, das seinerseits einen auf einer Skala spielenden Zeiger antrieb, war ein unmittelbares Maß für die Differenz der Frequenzen beider Saitenschivingungen.

Eine Meßeinrichtung dieser Art ist nach heutigen Maßstäben in ihrer Bauweise ausgesprochen umständlich und kompliziert, und die mechanisch arbeitenden Meßeinrichtungen sind den heutigen Anforderungen an Genauigkeit und Empfindlichkeit der Messungen nicht mehr gewachsen. Es bestand daher die Aufgabe, einen auf Trägheit ansprechenden Beschleunigungsmesser der genannten Art zu schaffen, der in Bau und Arbeitsweise gegenüber dem Bekannten wesentlich einfächer ist und mit Meßeinrichtungen zusammenarbeitet, die die heute gestellten Forderungen erfüllen.

Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung dadurch gelöst, daß jede der Saiten in einem einen Verstärkerkreis aufweisenden elektrischen Stromkreis so eingeschaltet ist, daß eine Wechselspannung mit der Schwingungsfrequenz der Saite erzeugt wird, wobei ein Teil der von den Saiten gesteuerten Wechselspannungsenergie zu den Saiten zurückgeführt wird, um deren Schwingungen im Magnetfeld aufrechtzuerhalten, und daß elektronische Mittel zum Vergleichen der Schwingungsfrequenzen und zum Messen der auf sie einwirkenden Kraft vorgesehen sind.

Vorrichtung

zum Messen mechanischer Kräfte,

insbesondere auf Trägheit ansprechender

Beschleunigungsmesser

Anmelder:

Borg-Warner Corporation,
Chicago, 111. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. Mai 1957

Paul J. Holmes, Laguna Beach, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet jede der beiden Saiten einen Zweig einer Wheatstoneschen Brücke, die in einem ihrer anderen Zweige eine unbewegte, äquivalente Saite enthält und bei Fehlen einer angreifenden Kraft abgeglichen ist und über zwei Brückenecken den Eingang des zugeordneten Meßverstärkers speist. Dabei besteht jede der Saiten aus elektrisch leitendem, nichtmagnetischem Material, und die zum »Schwingen bestimmten Saiten sind in dem konstanten Feld eines Permanentmagneten angeordnet.

Durch die Art der Zusammenschaltung der schwingenden Saiten mit den dazugehörigen Verstärkern erübrigt sich eine zusätzliche, die Saiten in ihren Grundfrequenzen anregende Einrichtung, und insbesondere ist durch die Rückführung eines Teils der von den Saiten gesteuerten Wechselspannungsenergie zu den Saiten gewährleistet, daß die Saiten stets in der ihrer augenblicklichen Spannung entsprechenden Grundfrequenz angeregt werden. Schließlich sind die zum Messen der einwirkenden Kraft vorgesehenen elektronischen Mittel geeignet, den heutigen Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Empfindlichkeit vollkommen zu genügen.

Diese elektronischen Mittel umfassen erfindungsgemäß einen Mischkreis, in dem die beiden Wechselspannungen der Saiten einander zur Erzeugung einer

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eine Schwebungsfrequenz fuhrenden, die Meßspannung schlußbolzen 26 ragt durch die Kappe 25 hindurch und

darstellenden Wechselspannung überlagert werden, ist gegenüber dieser isoliert. An der Masse 16 befinden

welch letztere über einen Tiefpaß geleitet wird, so daß sich zwei Anschlußstücke 27, an denen ein dünner

nur die maßgeblichen, niederfrequenteren Komponen- Schwingdraht oder eine Saite 28 befestigt ist. Das

ten in einem Frequenzmesser eingespeist werden. 5 andere Ende der Saite 28 ist am inneren Ende des An-

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind schlußbolzens 26 so befestigt, daß in der Saite eine

die Meßverstärker mit einer automatischen Regelung Spannung entsteht. In den Drahteinspannvorrichtun-

versehen, die die Amplitude des Verstärkerausganges gen 22 sind halbkreisförmige Hufeisenmagnete 29 an-

auf einen zuvor festgelegten Wert begrenzt. Dadurch geordnet, deren Nord- und Südpole 30 dem Draht 28

wird erreicht, daß geringfügige Schwingungsfrequenz- io an gegenüberliegenden Seiten benachbart sind und

änderungen der Saiten verhindert werden, die sonst sich mit ihren Polflächen parallel zum Draht

bei übermäßig großen Schwingungsamplituden auf- erstrecken,

treten können. Die Drahteinspannvorrichtung 23 ist der Drahtein-

Gemäß einer anderen "Ausführungsform ist der spannvorrichtung 22 gleich; sie ist an der anderen

erfindungsgemäße Kraftmesser zum Messen von 15 Seite des Gehäuses 10 so angeordnet, daß ihr Draht

Druckkräften, die durch Strömungsmittel ausgeübt 28 auf den Draht 28 der Vorrichtung 22 ausgerichtet

werden, bestimmt. Bei einer derartigen Ausführungs- ist.

form besteht das von der Kraft zu beaufschlagende Es ist offensichtlich, daß die zylindrischen Gehäuse-Bauelement aus einer eine Kammer begrenzenden ansätze der Drahteinspannvorrichtungen 22 und 23 Membran, wobei der Kammer das Strömungsmittel, 20 zusammen mit den Seitenplatten 11 und 12, die durch dessen Druck zu bestimmen ist, zugeführt wird. Ins- den Ring 13 getrennt sind, einen Halterahmen für die besondere ist es dadurch, daß die Membran zwischen Drähte 28 bilden, die an ihren inneren Enden über die zwei Kammern angeordnet ist, auch möglich, dieDiffe- Masse 16 in Verbindung stehen und zwischen den renz der in den beiden Kammern herrschenden Strö- Anschlußbolzen 26 unter Spannung gehalten werden. mungsmitteldrücke zu bestimmen. 25 Die aus flexiblem Werkstoff bestehende Membran

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung 18 hat die Aufgabe, der Masse 16 eine freie axiale Begehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusam- weglichkeit gegenüber den Drahteinspannvorrichtunmenhang mit den Zeichnungen hervor. In den Zeich- gen 22 und 23 zu ermöglichen. Die Membran ist sehr nungen zeigt , dünn und kann beispielsweise eine Dicke von 0,025 mm

Fig. 1 eine Schnittansidn: einer Schwingsaiten-Be- 30 haben. Als Werkstoff für die Drähte 28 ist kaltgezo-

schleunigungsmeßvorrichtung, die gemäß dem Grund- genes Wolfram geeignet. Ein solcher Werkstoff ist

prinzip der Erfindung ausgebildet ist, frei von örtlichen Spannungen und neigt nicht dazu,

Fig. 2 ein elektrisches Prinzipschaltbild, das die unter dem Einfluß von Spannungen zu kriechen. Fer-

verschiedenen Bauelemente der Beschleunigungsmeß- ner kann auch die Spannung an einem Wolframdraht

vorrichtung und deren Anschaltung an zwei Verstär- 35 bis nahe an die Elastizitätsgrenze gesteigert werden,

ker erläutert, ... ohne daß ein merkbares Kriechen auftritt. Der Draht

Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild eines der Verstär- ist ebenfalls sehr dünn und kann beispielsweise einen

ker und Durchmesser von 0,0175 mm haben.

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Schwingsaitenüber- Jeder der Drähte 28 wird mit Hilfe eines Rückkopptragers gemäß einer weiteren Ausführungsform der 40 lungsverstärkers 31 mit seiner Eigenfrequenz, insbe-Erfindung. sondere der Grundwelle, zum Schwingen gebracht.

In den verschiedenen Figuren sind einander entspre- Jeder der Verstärker 31 ist über eine Brückenschal-

chende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. tung 32 angeschlossen, die zwei Widerstände 33 und

Die in der Fig. 1 dargestellte Beschleunigungsmeß- 34 aufweist, die an ihrem gemeinsamen Verbindungsvorrichtung besteht aus einem Gehäuse 10, welches 45 punkt mit einer Leitung 35 verbunden sind. An das von zwei kreisförmigen Seitenplatten 11 und 12 gebil- andere Ende des Widerstandes 33 ist ein statischer det wird, die am Plattenrand von einem Ring 13 aus- Draht 36 und an das andere Ende des Widerstandes einandergehalten werden. Die Platten 11 und 12 sind 34 der Schwingdraht 28 angeschlossen. Die freien mit aufeinander ausgerichteten Öffnungen 14 versehen, Enden der beiden Drähte 36 und 28 sind miteinander welche nach außen gerichtete Schulterflächen 15 auf- 50 verbunden, und an Masse gelegt,
weisen. Eine zylindrische Masse 16 ist frei innerhalb Die Brückenschaltung 32 steuert eine Verstärkerder aufeinander ausgerichteten Öffnungen 14 der Plat- röhre 37 mit einer Kathode 38, einem Gitter 39 und ten 11 und 12 angeordnet. Die Masse 16 ist an ihrem einer Anode 40. Die Kathode 38 liegt über einen Umfang mit einem Flansch 17 versehen und wird in Kathodenwiderstand 41 an der Masseleitung 42. Ein der dargestellten Lage berührungsfrei gegenüber den 55 Transformator 43 koppelt das Gitter 39 mit der Wänden der Mittelöffnung 14 mit einer ringförmigen Brückenschaltung 32, und zwar überbrückt die Primärflexiblen Membran 18 abgestützt, die einerseits am wicklung 44 die beiden Verbindungspunkte zwischen Rand des Flansches 17 und andererseits an einer dem statischen Draht 36 und dem Widerstand 33 und Schulterfläche 19 am Innenrand des Ringes 13 befestigt zwischen dem Schwingdraht 28 und dem Widerstand ist. In den Seitenplatten 11 und 12 ist eine Mehrzahl 60 34. Von der Sekundärwicklung 45 dieses Transformavon Anschlägen 20 bzw. 21 eingesetzt, welche die Be- tors ist der eine Anschluß mit dem Gitter 39 und der wegung des Flansches 17 und damit der Masse 16 in andere über einen Kondensator 46 mit der Masse-Längsrichtung der öffnungen 14 in den Platten 11 und leitung 42 verbunden.
12 begrenzen. Der Anode 40 wird aus einer Batterie 47 oder einer

An gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 10 sind 65 anderen Gleichspannungsquelle eine positive Anodenzwei Drahteinspannvorrichtungen 22 und 23 ange- spannung zugeführt. Die Batterie ist zwischen der ordnet. Jede dieser Vorrichtungen 22 und 23 besteht Masseleitung 42 und einer Leitung 48 eingeschaltet, aus einem zylindrischen-Gehäuseansatz 24, welcher an Mit dieser Leitung 48 steht die Anode 40 über einen einer der Schultern 15 befestigt und am anderen Ende Widerstand 49 in Verbindung, so daß sie mit dem mit einer Kappe 25 fest verschlossen ist. Ein An- 70 positiven Pol der Batterie 47 verbunden ist.

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Eine zweite Verstärkerröhre (oder ein Röhrenteil- Richtung des Verbindungspunktes zwischen den Dio~ system) 50 weist eine Anode 51, ein Gitter 52 und eine den 78 und 79 zum Verbindungspunkt zwischen den Anode 53 auf. Diese Röhre wird mit der Röhre 37 Dioden 76 und 77 ermöglichen, so daß die erstgenannte gesteuert. Das Gitter 52 ist über einen Kopplungs- Verbindungsstelle eine negative Polarität erhält,
kondensator 54 mit der Anode 40 verbunden. Die 5 Beide Verstärker 31 sind an einem Mischkreis 84 Kathode 51 steht über einen Vorspannungswiderstand angeschlossen, der in üblicher Weise ausgebildet ist 55 mit der Masseleitung 42 in Verbindung. Das Gitter und ein oder mehrere nichtlineare Schaltelemente ent-52 ist über einen Widerstand 56 mit einer Leitung 57 hält, um Summen- und Differenz-Ausgangsfrequenzen verbunden. Die Leitung 57 steht über einen Wider- zu erzeugen. Dieser Mischkreis ist mit seinen Ausstand 58 mit der Sekundärwicklung 45 des Trans- io gangsleitungen 85 und 86 an einen Tiefpaß 87 angeformators 43 in Verbindung und ist zwischen deren schlossen, der in üblicher Weise ausgebildet sein kann Wicklung und dem Anschluß des Kondensators 46 an- und Ausgangsklemmen 89 und 90 aufweist, an die ein geschlossen. Die Anode 53 ist über einen Widerstand Frequenzmesser 91 geeigneten Aufbaues angeschlos-59 an die Leitung 48 und damit an dem einen Pol der sen ist.

Batterie 47 angeschlossen. Eine weitere Verbindung 15 Zur Inbetriebnahme wird das Gehäuse 10 des Beführt von der Anode 53 über eine Leitung 35, einen schleunigungsmessers so angeordnet, daß die Träg-Kondensator 60 und einen Widerstand 61, welche in heitskräfte bei Beschleunigungen die Masse 16 gegendie Leitung 35 eingeschaltet sind, zur einen Ecke der über den Drähten 28 in axialer Richtung bewegen. Brückenschaltung 32. Die flexible Membran 18 hält die Masse 16 ordnungs-

Eine dritte Verstärkerröhre 62 (oder ein Teil- 20 gemäß koaxial auf die Drähte 28 ausgerichtet. In

system einer Röhre), die mit der Röhre50 gesteuert axialer Richtung bezüglich der Drähte 28 wird die

wird, besteht aus einer Kathode 63, einem Gitter 64 Bewegung der Masse 16 durch die Anschläge 20 und

und einer Anode 65. Die Kathode 63 ist über einen 21 begrenzt.

Vorspannungswiderstand 66 mit der Masseleitung 42 Wenn die Beschleunigungsmeßvorrichtung in der verbunden. Das Gitter 64 steht über einen Kopplungs- 25 einen Richtung eine Beschleunigung erleidet, ist die kondensator 67 mit der Anode 53 und über einen Masse 16 bestrebt, sich in Richtung auf die Drahtein-Widerstand 68 mit der Masseleitung 42 in Verbin- spannvorrichtung 22 zu bewegen, so daß die Spandung. Die Röhre 62 speist einen Transformator 69, nung des Drahtes 28 in der Vorrichtung 22 vermindert welcher eine Primärwicklung 70 und eine Sekundär- und zu gleicher Zeit die Spannung des Drahtes 28 in wicklung 71 aufweist. Die Primärwicklung 70 ist mit 30 der anderen Vorrichtung 23 vergrößert wird. In entihrer einen Klemme mit der Anode 65 und mit der sprechender Weise wird, wenn sich die Masse 16 unter anderen Klemme mit der Leitung 48 verbunden. Über dem Einfluß von Trägheitskräften in entgegengesetzter einen Kondensator 73 steht die Anode 65 ferner mit Richtung bewegt, die Spannung in dem Draht 28 der einer Ausgangsklemme 72 in Verbindung. Diese Anordnung 22 vergrößert und die Spannung des ande-Klemme 72 bildet zusammen mit der an die Masse- 35 ren Drahtes 28 vermindert. Wenn die Spannung in leitung 42 angeschlossenen Masseklemme 74 die bei,- beiden Drähten 28 vergrößert oder vermindert wird, den Ausgangsklemmen des Verstärkers 31. ändern sich die Eigenfrequenzen dieser Drähte und

Für die Röhren 37 und 50 ist eine automatische nehmen entsprechend zu oder ab. Jeder dieser Drähte

Regelung vorgesehen, die aus einer Brückenschaltung 28 ist in dem Magnetfeld zwischen den Polen 30 der

75 besteht, deren Brückenzweige von Kristalldioden 40 Magneten 29 angeordnet, so daß die Drähte in einer

76, 77, 78 und 79 gebildet werden. Die Sekundärwick- senkrecht zu ihrer Achse verlaufenden Richtung mit

lung 71 des Transformators 69 ist einerseits mit dem einer Eigenfrequenz beinahe sinusförmig schwingen

Verbindungspunkt zwischen den Dioden 76 und 78 und dabei eine Wechselspannung erzeugen, die die

und andererseits mit dem Verbindungspunkt zwischen gleiche Frequenz aufweist. Wenn die Masse 16 bei

den Dioden 77 und 79 verbunden. 45 Beschleunigungen die Spannung in den Drähten 28

Der Verbindungspunkt zwischen den Dioden 76 und verändert, verursacht sie eine Änderung der Schwin-

77 ist an die Masseleitung 42 angeschlossen, während gungsfrequenz, durch die dann auch die Frequenz der

der Verbindungspunkt zwischen den Dioden 78 und erzeugten Wechselspannung in entsprechender Weise

79 mit einem Widerstand 80, einem Kondensator 81 verändert wird. Bei der dargestellten Anordnung wird und einer Leitung 57 verbunden ist. Der Widerstand 5° eine bleibende Schwingung der Drähte 28 dadurch

80 und der Kondensator 81 sind ebenfalls mit der erzielt, daß man die Drähte 28 als Impedanzen eines Masseleitung 42 verbunden. Die Brückenecke zwischen elektrischen Schwingkreises verwendet, zu dem die den Dioden 78 und 79 steht ferner über die Leitung Brückenschaltung 32 und der Verstärker 31 beider 57 mit einem Widerstand 82 in Verbindung, der in Drähte 28 gehört, um die Schwingungsfrequenz dieses die Leitung 57 eingeschaltet ist und an seinem abge- 55 Schwingkreises zu steuern.

legenen Anschluß über einen Kondensator 83 mit der Es ist zu beachten, daß die Masse 16 zwischen den Masseleitung 42 verbunden ist. zwei Drähten 28 der beiden Anordnungen 22 und 23 Es versteht sich, daß die Kathoden 38, 51 und 63 vorgesehen ist und somit die zwei Drähte 28 voneinin üblicher Weise aus einer geeigneten Spannungs- ander trennt und einen Nullpunkt für die transverquelle mit Heizstrom versorgt werden. Der unbewegte 60 salen Schwingungen der Drähte 28 festlegt, so daß die oder statische Draht 36 der Brückenschaltung 32 hat Schwingungsfrequenzen der Drähte 28 an den zwei vorzugsweise den gleichen statischen Widerstand wie Seiten der Masse allein durch die Spannung in den der Draht 28; er ist auch so angeordnet, daß er im einzelnen Drähten 28 gesteuert wird, die sich als Erwesentlichen den gleichen Temperaturen unterliegt gebnis der entlang der Achse der Drähte 28 angreiwie der Draht 28. Der statische Draht 36 kann in dem 65 fenden Trägheitskräfte der Masse 16 einstellt,
gleichen Gehäuse untergebracht werden wie der Bei beiden Drähten 28 bildet diese Brückenschal-Schwingdraht 28, doch ist er außerhalb des Magnet- tung 32 einen Zweig für einen Rückkopplungskreis des feldes des Magneten 29 anzuordnen. In der Brücken- zugehörigen Verstärkers 31, um diesen als Oszillator schaltung 75 sind sämtliche Kristalldioden 76, 77, 78 zu betreiben. Die Brückenschaltung 32, in deren einen und 79 so angeordnet, daß sie einen Stromfluß nur in 7° Zweig der Schwingdraht 28 der Anordnung 22 und 23

vorgesehen ist, bildet unter statischen Bedingungen, d. h. wenn der Draht 28 nicht schwingt, eine abgeglichene Wheatstonesche Brücke. Die oberen Widerstände 33 und 34 sind gleich groß. Der statische Draht

36 hat den gleichen Widerstand wie der Schwingdraht 28. Vorzugsweise wird der Draht 36 vollständig dem Schwingungsdraht 28 gleichgemacht mit Ausnahme der Tatsache, daß er nicht in einem Magnetfeld angeordnet wird.

Da die Brückenschaltung 32 bei unbewegtem Draht 28 abgeglichen ist, fließt bei stillstehendem Draht 28 kein Strom in den Transformator 43. Wenn der Draht 28 jedoch in dem Magnetfeld zwischen den Polen 30 schwingt, erzeugt er in an sich bekannter Weise eine Gegen-EMK und bildet somit eine dynamische Impedanz, die größer ist als die statische Impedanz und welche die Brücke 32 aus dem Gleichgewicht bringt, so daß kein Strom dieser Frequenz zur Primärwicklung 44 des Transformators übertragen wird.

Der Strom aus der auf dynamischem Wege aus dem ao Gleichgewicht gebrachten Brücke 32 fließt über die Primärwicklung 44 des Transformators 43 und erzeugt eine entsprechende Spannung in der Sekundärwicklung 45., die der Röhre 37 zur Verstärkung und dann zur nochmaligen Verstärkung der Röhre 50 zugeführt wird. Ein Teil der Anodenspannung der Röhre 50 wird über den Kondensator 60 und den Widerstand 61 zur Brückenschaltung 32 rückgeführt, um einen Wechselstrom durch die Brücke 32 zu schicken und den Schwingdraht 28 in Schwingungen zu versetzen. Dieser Wechselstrom hat die gleiche Frequenz wie der Schwingdraht; er sorgt dafür, daß der Draht 28 dauernd in Schwingung bleibt. Es ist wesentlich, daß die Sekundärwicklung 45 so mit dem Gitter 39 der Röhre 37 verbunden wird, daß die der Röhre 37 zugeführte Spannung die richtige Phasenlage erhält, um eine dauernde Schwingung des Schwingdrahtes 28 hervorzurufen.

Der Ausgang der Anodenleitung der Röhre 50 wird in der Röhre 62 weiter verstärkt, so daß an den Ausgangsklemmen 72 und 74 ein Wechselstrom erscheint, dessen Frequenz der Schwingungsfrequenz des Drahtes 28 in der Brückenschaltung 32 entspricht. Die verschiedenen Widerstände 41, 55 und 66 werden gemäß üblicher Praxis dazu verwendet, die Gitter 39, 52 und 64 gegenüber ihren Kathoden 38, 51 und 63 vorzuspannen. Die Widerstände 49 und 59 sind Anodenwiderstände und die Widerstände 56, 68 und 58 Ableitwiderstände für die Gitter 39, 52 und 64.

Um den Verstärkungsfaktor der Verstärkerröhren

37 und 50 zu begrenzen, ist eine automatische Regelung vorgesehen, wodurch dann die über die Leitung 35 zur Brückenschaltung 32 zurückgeführte Energie begrenzt wird, um auf diese Weise die Schwingungsamplitude des Drahtes 28 in der Brückenschaltung 32 zu begrenzen. Die Schwingungsamplitude des Drahtes 28 wird so begrenzt, daß geringfügige Schwingungsfrequenzänderungen des Drahtes 28 verhindert werden, die sonst bei übermäßig großen Schwingungsamplituden auftreten könnten. Da sich der Draht 28 in dem konstanten Feld des Magneten 29 befindet und durch die Durchleitung eines Wechselstromes in Schwingungen gehalten wird, dessen Amplitude durch eine automatische Regelung begrenzt wird, wird auch die Schwingungsamplitude des Drahtes 28 begrenzt.

Der Draht 28 hat somit für jede eingestellte Spannung des Drahtes eine ganz definierte Schwingungsfrequenz, und es wird sichergestellt, daß diese Frequenz auch beibehalten wird, wenn die gleiche Spannung erneut eingestellt wird.

Zur automatischen Regelung gehört die Brückenschaltung 75 mit den Diodengleichrichtern 76, 77, 78 und 79, die in Art einer Wheatstoneschen Brücke angeordnet sind und eine Vollwellengleichrichtung bewirken. Der Ausgang von der Anode 65 der Röhre 62 wird über den Transformator 69 an zwei gegenüberliegenden Ecken der Brücke 75, nämlich an den Verbindungspunkten der Dioden 76 und 78 und am Verbindungspunkt der Dioden 77 und 79, zugeführt. Der gleichgerichtete Ausgang der Brücke 75 wird zwischen den Leitungen 57 und 42 eingespeist, wobei das Potential der Leitung 57 gegenüber der Leitung 42 negativ ist. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung der Brückenschaltung 75 wird mit den Widerständen 58 und 82 und den Kondensatoren 83 und 46 in an sich bekannter Weise gefiltert und geglättet. Der Widerstand 80 und der Kondensator 81 bilden die üblichen Lastwiderstände der Dioden 76, 77, 78 und 79.

Die Ausgänge der zwei Verstärker 31, die von den Schwingdrähten 28 der zwei Anordnungen 22 und 23 gesteuert werden, werden dem Mischkreis 84 zugeführt, der in üblicher Weise ausgebildet sein kann. Der Mischkreis 84 führt an seinen Ausgangsleitungen Spannungen, die auf Grund der Überlagerung der aus den Verstärkern 31 zugeführten Eingangsfrequenzen den Summen- oder Differenzfrequenzen Z₁ ^-Z₂' fi^fs oder 2f_t-\-f₂ entsprechen. Die diese Frequenzen führende elektrische Spannung zwischen den Leitungen 85 und 86 wird einem Tiefpaß 87 zugeführt, der in üblicher Weise aufgebaut sein kann, so daß die elektrische Spannung an den Ausgangsklemmen 89 und 90 des Tiefpasses nur noch die Schwebungsfrequenz Z₁-Z₂ aufweist. An die Anschlußklemmen 89 und 90 ist der Frequenzdurchmesser 91 angeschlossen, der die Schwer bungsfrequenz J₁-f₂ mißt.

Die Differenzfrequenz zwischen den zwei Drähten 28 ergibt sich, wenn die Drähte in allen Punkten einschließlich ihrer Längenbemessungen identisch sind, auf rechnerischem Wege etwa wie folgt:

(für den einen
Draht 28)

(für den anderen
Draht 28)

wobei /₀ die Frequenz jedes Drahtes bei der Beschleunigung Null, Δ s die Änderung der Beanspruchung oder Spannung (plus oder minus), welche der an der Masse 16 angreifenden Kraft proportional ist, und 5 die Anfangsbeanspruchung oder Anfangsspannung der Drähte 28 bei einer Beschleunigung Null und an der Masse 16 angreifenden Kraft Null symbolisieren.

Es ist ersichtlich, daß beim Ansteigen der Frequenz des einen Drahtes infolge einer Erhöhung der Spannung und bei einer Verminderung der Frequenz des anderen Drahtes infolge einer Verminderung der Spannung die Schwingungszahl, um die sich die Frequenz ändert, in den zwei Drähten im wesentlichen doppelt so groß ist wie die in einem Draht. Die Formel zeigt auch, daß diese Änderung bei allen Verhältnissen von As zu. s bis zu einem Zehntel (V10) gegenüber den Spannungsänderungen As mehr als zwanzigmal linear ist.

Es ist auch ferner ersichtlich, daß die tatsächliche Frequenz jeden Drahtes durch die Erzeugung der Differenzfrequenz eliminiert wird und daß die Frequenzdifferenz zu Null wird, wenn die durch Beschleunigungen von außen zugeführten Kräfte, die in Längsrichtung der Drähte 28 angreifen, zu Null wer-

den, sofern die Drähte 28 identisch sind und die gleiche Länge haben.

Eine weitere Überprüfung zeigt auch, daß an der Masse 16 rechtwinklig zur Längsachse der zwei Drähte angreifende Trägheitskräfte, sofern die Membran 18 die Masse 16 genau mittig gelagert hält, um die Spannungsänderung As beider Drähte28 nahezu gleich für beide Drähte wird, positiv zu machen, keinen Einfluß haben, so daß die Frequenzdifferenz zwischen den zwei Drähten, die sich auf Grund einer gewünschten von Trägheit der Masse 16 ausgeübten Kraft ergibt, durch dile Störkräfte im wesentlichen unbeeinträchtigt bleibt. Wenn eine unerwünschte Längenänderung des Rahmens auftritt und sich die Länge des Gehäuses 10 mit den Gehäuseansätzen 24 infolge einer Temperaturänderung ausdehnt oder zusammenzieht, ändert sich die Spannung in beiden Drähten nahezu in gleicher Weise und in der gleichen Richtung, so daß sowohl bei einer Beschleunigung Null als auch bei einer beliebigen Beschleunigung kleine oder keine Änderungen in der Differenzfrequenz zwischen den zwei Drähten entstehen.

Es sei darauf hingewiesen, daß die zwei Drähte 28 willkürlich ungleich bezüglich Länge, Dichte, Querschnitt und/oder Elastizitätsmodul ausgebildet werden können, um beispielsweise eine bestimmte Frequenzdifferenz zu erzielen, wenn die zugeführte oder die durch die Beschleunigung hervorgerufene Trägheitskraft gleich Null ist, um die Richtung und die Größe der die Beschleunigung hervorrufenden Kraft durch die Größe der Änderung der Frequenzdifferenz feststellen zu können, oder als weiteres Beispiel, um den Linearitätsbereich für eine zugeführte Kraft in der einen Richtung zu vergrößern. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß es im Rahmen der Erfindung liegt, die Drähte 28 anstatt mit kreisförmigem Querschnitt mit irgendwelchen anderen Querschnittsformen, beispielsweise bandförmig oder polygonal auszubilden. An Stelle von Metallsaiten können auch Saiten aus nichtleitendem Material verwendet werden, die mit leitendem Werkstoff überzogen sind.

Obwohl bei der vorbeschriebenen Anordnung eine Masse 16 zwischen den zwei Drahtanordnungen verwendet wird, um gleichzeitig die Spannung der zwei Drähte 28 an den gegenüberliegenden Seiten zu verändern, können zur Messung von Kräften auch andere Krafteinleitungsvorrichtungen so vorgesehen werden, daß eine Vergrößerung der Spannung in dem einen Draht gleichzeitig eine Verminderung der Spannung in dem anderen Draht zur Folge hat, wenn eine Vergrößerung der Kraft auftritt.

Als Beispiel einer solchen Anordnung, der die Kraft auf andere Weise zugeführt wijrd, dient die Fig. 4. Der Übertrager gemäß Fig. 4 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform gemäß Fig. 1, und es kann die gleiche elektrische Schaltung verwendet werden. Der Unterschied liegt aber darin, daß bei der Anordnung gemäß Fig. 4 Druckdifferenzen von Flüssigkeiten gemessen werden sollen. Die Vorrichtung gemäß Fig. 4 besteht aus zwei Grundplatten 92 und 93, zwischen denen eine Druckmembran 94 angeordnet und befestigt ist. Die Grundplatte 92 und die Druckmembran 94 schließen zwischen sich eine ringförmige Kammer 95 ein, die aus gegenüberliegenden Flächen herausgearbeitet ist. Aus der Druckmembran 94 ist ebenfalls eine Kammer 96 ausgespart. Der Außenteil der Kammer wird von einem dünnen Steg 97 der Membran 94 begrenzt, um eine axiale Bewegung des inneren Teiles der Membran gegenüber dem äußeren Teil zu ermöglichen.

Die Seitenplatte 92 ist mit einem Nabenteil 98 versehen, der mit dem äußeren Teil der Platte 92 über einen dünnen flexiblen Steg 99 in Verbindung steht. An der Platte 93 ist eine ähnliche Nabe 100 vorgesehen, die über einen flexiblen Steg 101 mit dem äußeren Teil der Platte 93 in Verbindung steht. Durch Mittelöffnungen der Platten 92 und 93 und der Membran 94 erstreckt sich ein Stift 102, der dort an den Naben 98 und 100 und dem Mittelteil der Membran

ίο 94 befestigt ist. Die Drähte 28 der Drahtanordnungen 22 und 23 sind an gegenüberliegenden Enden des Stiftes 102 befestigt. Die zylindrischen Gehäuseansätze 24 stützen sich an Schulter flächen 15 der Platten 92 und 93 in ähnlicher Weise ab wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1.

In der Seitenplatte 92 ist ein Zuflußkanal 103 vorgesehen, der mit der Kammer 95 in Verbindung steht und dazu dient, die letztere zu speisen. In der Seitenplatte 93 ist ebenfalls ein Zuflußkanal 104 vorgesehen, der mit der Kammer 96 in Verbindung steht, um diese zu speisen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird ein unter Druck stehendes Strömungsmittel einem der beiden mit den Kammern 95 und 96 in Verbindung

s5 stehenden Kanäle 103 oder 104 zugeführt. Es können aber auch beiden Kanälen 103 und 104 gleichzeitig verschiedene Drücke zugeführt werden. Das in die Kammer 96 eintretende Druckmittel sorgt für eine Durchbiegung der Membran 94 am Stegteil 97, so daß der Mittelteil der Membran 94 entsprechend der zeichnerischen Darstellung nach links bewegt wird. Durch diese Bewegung werden auch die Naben 98 und 100 mitgenommen, die dann die Stegteile 99 und 100 der Platten 92 und 93 in entsprechender Weise verformen.

Der Stift 102 bewegt sich mit diesen Teilen zusammen nach links, um die Spannung des Drahtes 28 in der Anordnung 22 zu vergrößern und die Spannung des Drahtes 28 in der Anordnung 23 zu vermindern. Wenn man der Kammer 95 das Druckmittel zuführt, ohne auch die Kammer 96 mit einem Druckmittel zu versorgen, ergibt sich eine Durchbiegung der Stegteile 97, 99 und 101 in entgegengesetzter Richtung, wobei dann die Naben 98 und 100 und der Stift 102 (bezüglich der Fig. 4) nach rechts bewegt werden, um die Spannung des Drahtes 28 bei der Anordnung 22 zu vermindern und die Spannung in dem anderen Draht 28 zu vergrößern. Wenn den Kammern 95 und 96 gleichzeitig unter verschiedenen Drücken stehende Strömungsmittel zugeführt werden, hat die Differenzkraft, die sich auf Grund dieser unterschiedlichen Drücke an der Membran 94 einstellt, zur Folge, daß der Stift 102 entweder nach links oder rechts bewegt wird, je nachdem, welcher der beiden Drücke der größere ist, um dann in gleicher Weise unter Auftreten der gleichen Durchbiegungserscheinungen die Spannungen in den Drähten zu vergrößern bzw. zu verkleinern.

Für die Anordnung gemäß Fig. 4 werden die gleichen elektrischen Schaltelemente verwendet, die dije Fig. 2 und 3 zeigen, um die Frequenzdifferenz der Schwingungen der Drähte 28 in gleicher Weise zu messen wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1. Diese Frequenzdifferenz entspricht der Differenz der Strömungsmitteldrücke, die dem Übertrager der Fig. 4 zugeführt werden.

Der hier offenbare Übertrager verwendet als Detektor zur Erfassung äußerlich in Richtung der Drahtachsen angreifender Kräfte vorzugsweise zwei unter Spannung stehende Schwingungsdrähte und nicht mehr wie bisher einen einzigen Draht, um einen Wechselstrom zu erzeugen, dessen Frequenz ein direktes

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Maß der zugeführten Kraft ist. Vergliche» mit ein eindrähtigen Übertrager verändern sieh bei dem dargestellten zweidfähtigen Übertrager die ~Fteqvrni£- signale gegenüber deaf zügeführten Kraft wesentlich linearer. Das Ffequenzäusgangssignali des zwerdrähti¹-gen Übertragers bleibt im wesentlichen durch Störkräfte, die senkrecht zur Drahtachse und zur gewünschten Kraftangriffsn'chtung einwirken., unbeeinträchtigt. Das Frequenzausgangssignal· des- zwei-drähtigen Überträgers bleibt ferner unbeeinträ'ehtigt durch unerwünschte'Längenä-nderungen des« für die Schwingdrähte vorgesehenen Tragrahmens. Zusätzlich ergibt sich bei dem zweidrähtigen· Übertrager eine Vergrößerung der Empfindlichkeit, da eine vorgegebene Änderung der in Richtung der Drahtachse angreifenden Kraft eine Frequenzänderung hervorruft, die zweimal· so groß· ist als die bei einem Übertrager, der nur einen einzigen Schwingdraht aufweist.

Die vorliegende Erfindung Soll keinesfalls auf die speziell dargestellten und beschriebenen Konstruk- 2a tionen und Anordnungen beschränkt sein, sofern nicht die Ansprüche eine solche Beschränkung angeben, da der Fachmarin, Ohne von dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen·, in der Lage ist, solche Änderungen vorzunehmen.

Claims (13)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zum Messen mechanischer Kräfte, insbesondere auf Trägheit ansprechender Beschleunigungsmesser, mit einem zwischen zwei koaxial ausgerichteten Saiten eingespanntem Gewicht, das durch seinen in axialer Richtung der Saiten wirkenden Trägheitseinfluß die Spannung der Saiten und damit deren Schwingungsfrequenz gegensinnig verändert, wobei die Saiten in einem Magnetfeld angeordnet sind und zu Schwingungen in ihren. Grundfreqüenzen angeregt werden, deren Differenz das gewünschte Meßergebnis darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Saiten (28) in einen einen Verstärkerkreis aufweisenden elektrischen Stromkreis so eingeschaltet ist, daß eine Wechselspannung mit der Schwingungsfrequenz der Saite erzeugt wird, wobei ein Teil der von den Saiten gesteuerten Wechselspannungsenergie zu den Saiten zurückgeführt wird; um deren Schwingungen im Magnetfeld (30) aufrechtzuerhalten, und das elektronische Mittel (84, 87, 91) zum Vergleichen der Schwingungsfrequenzen und zum Messen der auf sie einwirkenden Kraft vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach- Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Saiten (28) aus elelctrisch leitendem, nichtmagnetischem Material besteht und in dem konstanten Feld eines Permanentmagneten liegend angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Mischkreis (84) die beiden Wechselspanhuhgeii der Saiten (28) einander zur Erzeugung einer eiiie Schwebüngsffequenz führenden, die Meß spannung darstellenden Wechselspannung überlagert werden, weich letztere über einen Tiefpaß (87) geleitet ist, so daß nur die maßgeblichen, niederfrequenteren Kompo- :

nenten in einen· Frequenzmesser (91) eingespeist werden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 ■ bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Saiten (28) einen Zweig einer Wheatstoneschen Brücke (32) bildet,, die in einem ihrer anderen Zweige eine unbewegte äquivalente; Saite (36) enthält und bei Fehlen einer angreifenden Kraft abgeglichen, ist und über zwei Brücfcenecken den Eingang des zugeordneten Meßverstärkers (31) ; speist. ; . ■ .

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,- dadurch gekennzeichnet, daß die Meßverstärker (31) mit einer automatischen Regelung versehen sind,- 'die die Amplitude des Verstärkerausganges auf einen zuvor festgelegten Wert begrenzt:

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis· 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Saiten (28) verschiedene Längen haben, um bei Fehlen einer angreifenden Kraft unterschiedliche Eigenfrequenzen an den beiden Saiten (28) zu erzielen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Saiten (28) verschiedene Dichtewerte aufweisen, um bei Fehlen einer angreifenden Kraft unterschiedliche Eigenfrequenzen an den beiden Saiten (28) zu erzielen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Saiten (28) verschiedene Querschnitte haben, um bei Fehlen einer angreifenden Kraft unterschiedliche Eigenfrequenzen an den beiden Saiten (28) zu erzielen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Saiten (28) verschiedene Elastizitätsmoduln aufweisen, um bei Fehlen einer angreifenden Kraft unterschiedliche Eigenfrequenzen an den beiden Saiten (28) zu erzielen*

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Kraft zu beaufschlagende Bauelement eine Membran (94) ist, die eine Kammer (95, 96) begrenzt, welcher ein Strömungsmittel zugeführt werden kann, dessen Druck zu bestimmen ist (Fig. 4).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (94) zwischen zwei Kammern (95, 96) angeordnet ist, um die Differenz der in den beiden Kammern (95, 96) herrschenden Strömungsmitteldrücke zu bestimmen.

12. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (16) in Richtung der Saiten (28) schwin-

• gungsf ähig in einer Membran (18) gelagert ist.

13. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (16) ein zylindrischer Körper ist, welcher zur Begrenzung

■de* Schwingungsweite mit einem Ringflansch (17) zwischen Anschlägen geführt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 729 894; VDI-Zeitschrift, Bd. 98, Nr. 26, S. 1541 bis 1548: ► Selbsttätige Messung quasistatischer Dehnungen...«.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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