-
Vorrichtung zum Messen mechanischer Kräfte, insbesondere auf Trägheitskräfte
ansprechender Beschleunigungsmesser Die Erfindung bezieht sich auf ein Schwingsaiten-Meßgerät
zur Umsetzung von mechanischen Kräften in elektrische Wirkungen, und zwar insbesondere
auf einen nach diesem Prinzip arbeitenden Beschleunigungsmesser. Besonders betrifft
die Erfindung eine solche Übertragungsvorrichtung, die sich zum gleichzeitigen Messen
von Kräften auf Achsen, die im Winkel zueinander stehen, verwenden läßt.
-
Es ist für solche Vorrichtungen bereits bekannt, eine Saite oder
einen Draht zu verwenden und diese mit der zu messenden Spannung zu beaufschlagen.
-
Wenn es sich um einen Beschleunigungsmesser handelt, ergibt sich die
am Draht angreifende Kraft durch die Rückwirkung der Beschleunigung oder Verzögerung
auf die an dem einen Ende des Drahtes befestigte Masse, so daß sich eine Vergrößerung
oder Verminderung der Drahtspannung ergibt. Da sich die Schwingungsfrequenz des
Drahtes mit der Quadratwurzel der an ihr angreifenden Spannung ändert, ist es möglich,
aus der Frequenz der Drahtschwingungen die Größe der Trägheitskräfte abzuleiten,
der die Masse ausgesetzt ist, und damit auch eine Eichung in Beschleunigungswerten
der Masse vorzunehmen. Der Draht ist in einem Magnetfeld angeordnet und erzeugt
eine Wechselspannung, deren Frequenz der Eigenfrequenz des Drahtes entspricht. Jede
kleine Änderung der Drahtspannung, welche die die Beschleunigung hervorrufende Kraft
oder auch eine sonstige Kraft am Ende des Drahtes verursacht, führt zu einer meßbaren
Änderung der Ausgangsfrequenz des Gerätes.
-
Solche Meßgeräte, die einen einzelnen Draht benutzen, weisen eine
Anzahl von Nachteilen auf, zu denen auch die Tatsache gehört, daß die Frequenzänderungen
des Ausgangssignals im wesentlichen nicht linear zu Änderungen der angreifenden
Kräfte verlaufen und daß das Signal auch in gewissem Grade durch Störkräfte beeinträchtigt
wird, die rechtwinklig zur Drahtachse und zur zu messenden Kraft angreifen. Um diese
Nachteile auszuschalten, ist bekanntgeworden, an Stelle eines einzelnen Drahtes
zwei Drähte zu benutzen, die auf einer gemeinsamen Achse angeordnet und durch ein
Element wie die Masse, deren auf sie einwirkende Kraft gemessen werden soll, verbunden
sind Während die Kraft das Element in der einen oder anderen Richtung entlang den
Achsen der beiden Drähte bewegt, wird die Spannung auf dem einen Draht erhöht, wohingegen
die Spannung auf dem anderen vermindert wird. Die Eigenfrequenz der Schwingung des
einen Drahtes wird dadurch vergrößert, während die Frequenz des anderen vermindert
wird. Diese Drähte können
durch irgendein geeignetes Mittel in Schwingung gehalten
werden, so z. B. dadurch, daß durch jeden Draht ein Wechselstrom geschickt wird,
und der Unterschied in der Schwingungsfrequenz der beiden kann durch eine geeignete
Vorrichtung gemessen werden, indem man beispielsweise die von den beiden Drähten
erzeugten Frequenzen mischt, um die Differenzfrequenz zu erhalten. Bei einer derartigen
Vorrichtung ist es beispielsweise bekannt, daß jede der Saiten 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 Wechselspannung erregt zu den Saiten zurückgeführt wird, um deren Schwingungen
im Magnetfeld aufrechtzuerhalten. Zusätzlich sind elektronische Mittel zum Vergleichen
der Schwingungsfrequenz und zum Messen der auf sie einwirkenden Kraft vorgesehen.
-
Bei einer anderen Einrichtung ist es aber ach schon bekanntgeworden,
sowohl ein Saitenpaar,tfür die Nord-Süd-Richtung und ein gleiches Saite nar für
die Ost-West-Richtung vorzusehen. Hierb ergibt sich, da sich sowohl Kraft als auch
Geschwbdigkeit und Weg als Vektoren gleich halten, durch die Ablesung an dem Nord-
bzw. Ostdifferentialilie jeweilige Geschwindigkeits- bzw. Wegkomponte der Masse
in Nord-Süd-Richtung bzw. Owt-West-Richtung und damit die wahre absolute Cieschwindigkeit
und der Weg dieser Masse in der Ebene.
-
Darüber hinaus ist es auch bekanntgewqden, daß die bei bekannten
Einrichtungen vorhanden Nachteile
durch Vermeidung oder weitgehender
Ausschaltung der mechanischen Kopplung zwischen den schwingenden Drähten vermieden
und damit der Beschleunigungsmesser für sehr geringe Beschleunigungen verwendet
werden kann. So ist bereits eine Vorrichtung bekannt, bei der eine seismische Masse
mit ihren Enden durch gespannte Drähte verbunden ist, die sich zu einem festen Haltepunkt
erstrecken, wodurch eine verschiebungsfreie Halterung der Masse in der empfindlichen
Achse erzielt wird.
-
Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zu schaffen, wobei die mechanische Kopplung herabgesetzt bzw. weitgehend beseitigt
wird. Hierzu geht die Erfindung aus von einer Vorrichtung mit einer Mehrzahl von
ausgespannten Saitenpaaren, in denen die Saiten jedes Paares gleichachsig sind und
die Achse jedes Saitenpaares rechtwinklig zu den anderen beiden steht, ein von der
Kraft zu beaufschlagendes Element, das an jeder Saite befestigt ist und die zwei
Saiten jedes Paares verbindet, so daß, wenn das Element eine Bewegung erfährt, von
der wenigstens eine Komponente entlang der Saitenpaarachse verläuft, es die Spannung
in der einen Saite des Paares vergrößert, während es die Spannung in der anderen
Saite des Paares vermindert, Mittel zur Erregung der Saiten mit ihrer Eigenfrequenz
und Mittel zum Anzeigen der Schwingungsfrequenz der Saiten eines jeden Paares als
eine Anzeige der Größe und Richtung der Kraftkomponenten, die entlang den Saitenpaaren
angreifen.
-
Die Erfindung soll darin gesehen werden, daß die Saiten jedes der
Paare verschiedene Eigenschwingungsfrequenzen aufweisen, so daß die Schwingungsfrequenz
einer Saite immer höher als die Schwingungsfrequenz der anderen Saite ist, und zwar
innerhalb eines vorherbestimmten Kraftänderungsbereiches des kraftansprechenden
Elements.
-
Vorteilhaft sind daher die Saiten eines jeden Paares verschieden
lang ausgebildet, und darüber hinaus können die Saiten jedes Paares verschiedene
Elastizitätsmodule aufweisen.
-
Um die Saiten jedes Paares in verschiedenen Ebenen schwingen zu lassen,
schließen die Mittel zur Erregung der Saiten mit ihrer Eigenfrequenz zusätzliche
Mittel ein. Auch ist es möglich, daß die Mittel zum Schwingen der Saiten Mittel
einschließen, um die Saiten jedes Paares in um 900 zueinander versetzten Ebenen
schwingen zu lassen.
-
Die Erfindung wird an Hand einer bevorzugten Ausführungsform, die
in den Zeichnungen dargestellt ist, beschrieben. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1
eine Schnittansicht einer Schwingsaiten-Beschleunigungsmeßvorrichtung, die gemäß
dem Grundprinzip der Erfindung ausgebildet ist, F i g. 2 eine Schnittansicht nach
der Linie 2-2 von Fig. 1 und fi i g. 3 ein elektrisches Schaltbild einer elektrischen
Anlage zur Verwendung in Verbindung mit dem Beschleunigungsmesser.
-
Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Beschleunigungsneßvorrichtung
besteht aus einem Gehäuse 10, das einen Hohlraum 11 aufweist. Die Öffnungen 12,
13, 14,15, 16 und 17 in dem Gehäuse 10 verbinden die Höhlung 11 mit der Außenseite
des Gehäuses 10.
-
Die Öffnungen 13, 14, 15, 16 und 17 haben einen kleineren Durchmesser
als der Hohlraum 11, wohingegen die Öffnung 12 den gleichen Durchmesser wie
die Höhlung
11 aufweist und tatsächlich eine Fortführung der Höhlung 11 darstellt.
-
Eine sphärische Masse 18 ist frei innerhalb des Hohlraums 11 angeordnet.
Acht Anschläge 19 erstrecken sich durch das Gehäuse 10 bis dicht an die Masse 18,
aber normalerweise berühren sie diese nicht Sie begrenzen die Bewegung, die die
Masse 18 in dem Hohlraum 11 haben kann. Diese Anschläge sind einfache Schrauben,
die in das Gehäuse 10 eingedreht sind, und jede von ihnen ist mit einer geeigneten
Unterlegscheibe 20 unter ihrem Kopf versehen, um zu verhindern, daß eine unerwünschte
Drehung der Schraube in dem Gehäuse 10 stattfindet, wenn die Schraube einmal eingestellt
worden ist. Es kann ersehen werden, daß die Anschlagschrauben auf senkrecht zueinander
stehenden Achsen angeordnet sind.
-
Sechs Drahtverankerungsvorrichtungen 21, 22, 23, 24, 25 und 26 bestehen
je aus einem zylindrischen Gehäuseansatz 27. Die Gehäuseansätze 27 der Vorrichtungen
22, 23, 24, 25 und 26 sind auf den versenkten Schultern 28 angebracht, die die betreffenden
Öffnungen 13, 14, 15, 16 und 17 umgeben. Der Gehäuseansatz 27 der Drahtverankerungsvorrichtung
ist an seinem Umfang mit einem Flansch 29 versehen, der auf einer um den Umfang
der Öffnung 12 in dem Gehäuse 10 angeordneten versenkten Schulter 30 angebracht
ist, und die Vorrichtung 21 wird durch die Schrauben 31 gehalten, die sich durch
den Flansch 29 erstrecken und in das Gehäuse 10 eingedreht sind. Jede von diesen
Vorrichtungen 21, 22, 23, 24, 25 und 26 ist an ihrem äußeren Ende mit einer Kappe
32 fest verschlossen, und die Anschlußbolzen 33, 34, 35, 36, 37 und 38 ragen aus
den Kappen der betreffenden Vorrichtungen 21, 22, 23, 24, 25 und 26 hindurch und
sind von den Kappen isoliert.
-
Sechs ähnliche Anschlußbolzen 39, 40, 41, 42, 43 und 44 sind in die
Masse 18 eingeschraubt. Die dünnen Schwingdrähte oder Schwingsaiten 45, 46, 47,
48, 49 und 50 sind an den betreffenden Bolzen befestigt und zwischen den Bolzen
33 und 39, den Bolzen 34 und 40, den Bolzen 35 und 41, den Bolzen 36 und 42, den
Bolzen 37 und 43 und den Bolzen 38 und 44 eingespannt. Es ist offensichtlich, daß
die Bolzen 33 und 39 und die dazwischenliegende Saite 45 auf der X-Achse, die Bolzen
34 und 40 und die dazwischenliegende Saite 46 sowie die Bolzen 42 und 36 mit der
dazwischenliegenden Saite 48 auf der Y-Achse und die Bolzen 37 und 43 und die dazwischenliegende
Saite 50 auf der Z-Achse angeordnet sind und daß jede dieser Achsen senkrecht zu
jeder der anderen beiden Achsen steht.
-
Jede dieser Drahtverankerungsvorrichtungen 21, 22- 23, 24, 25 und
26 schließt einen halbrunden, C-förmigen, innerhalb des Gehäuseansatzes 27 der Vorrichtung
befestigten Magnet 51 ein, dessen Nord-und Südpole 52 und 53 an den gegenüberliegenden
Seiten neben den betreffenden Drähten 45, 46, 47, 48, 49 und 50 angeordnet sind,
wobei die Polflächen parallel zum Draht verlaufen. Es kann ersehen werden, daß die
Magnete 51 der Vorrichtungen 21 und 23 um 900 zueinander gedreht sind; genauso verhält
es sich mit den Magneten 51 in den Vorrichtungen 22 und 24 zueinander und mit den
Magneten 51 von den Vorrichtungen 25 und 26 zueinander.
-
Alle Drahtverankerungsvorrichtungen 21, 22, 23, 24, 25 und 26 sind
einander gleich, abgesehen davon,
daß die Vorrichtung 21 mit einem
Befestigungsflansch 29 von großem Durchmesser versehen ist, die auf den anderen
Vorrichtungen nicht vorgesehen ist. Dieser Flansch mit dem großen Durchmesser gestattet
die Befestigung der Vorrichtung 21 an das Gehäuse 10 durch die Schrauben 31 um die
Peripherie der Öffnung 12, die den großen Durchmesser hat, in den' Gehäuse 10; die
Öffnung 12 mit dem großen Durchmesser gestattet das Einführen und Entfernen der
Masse 18 in das Gehäuse 10, bevor die Schwingdrähte 45, 46, 47, 48, 49 und 50 an
der Masse befestigt werden, da die Öffnung 12 denselben Durchmesser wie die Höhlung
11 hat. In der zusammengesetzten Stellung des Übertragers, wie sie in F i g. 1 und
2 gezeigt wird, ist offensichtlich, daß das Gehäuse 10 und die Vorrichtungen 21,
22, 23, 24, 25 und 26 tatsächlich einen Rahmen bilden, und dieser Rahmen hält die
Drähte 45, 46, 47, 48, 49 und 50 zwischen den Bolzen 33 und 39, den Bolzen 34 und
40, den Bolzen 35 und 41, den Bolzen 36 und 42, den Bolzen 37 und 43 und den Bolzen
38 und 44 unter Spannung. Die Drähte 45, 46, 47, 48, 49 und 50 zusammen halten die
Masse 18 aufgehängt innerhalb des Hohlraums 11 frei von den Seiten des Hohlraums
11 und den Enden der Anschläge 19 insofern, als die Drähte auf allen drei Achsen
und von allen sechs Richtungen an der Masse 18 verbunden sind.
-
Die Masse 18 bewegt sich innerhalb und mit Bezug auf das Gehäuse
10 auf Grund der Reaktion der Masse auf eine unausgeglichene Kraft, der sie ausgesetzt
wird und die eine Beschleunigung des Gehäuses 10 hervorruft und so die Spannung
der Drähte 45, 46, 47, 48, 49 und 50 je nach der Richtung der Kraft vergrößert oder
vermindert. Ein geeignetes Material für die Drähte 45, 46, 47, 48, 49 und 50 ist
kaltgezogenes Wolfram. Ein solcher Werkstoff ist frei von örtlichen Spannungen und
neigt nicht dazu, unter dem Einfluß von Spannungen zu kriechen.
-
Femer kann auch die Spannung an einem Wolframdraht bis nahe an die
Elastizitätsgrenze gesteigert werden, ohne daß ein merkbares Kriechen auftritt.
-
Der Draht ist sehr dünn und kann beispielsweise einen Durchmesser
von 0,0175 mm haben.
-
Jeder der Drähte 45, 46, 47, 48, 49 und 50 wird mit Hilfe eines Rückkopplungsverstärkers
54 mit seiner Eigenfrequenz, insbesondere der Grundwelle, zum Schwingen gebracht.
Das Schaltbild in Fig.3 zeigt je einen Verstärker 54 für die beiden Drähte 45 und
47, und der Verstärker 54 in dem rechten Abschnitt dieses Schaltbildes ist für den
Draht 47 bestimmt.
-
Die beiden an die betreffenden Schwingdrähte 47 und 45 angeschlossenen
Verstärker 54 sind mit ihren Ausgangsleitungen 66 und 67 an einen Mischkreis 68
angeschlossen, der eine übliche Ausführung hat und ein oder mehrere nichtlineare
Schaltelemente enthält, um Summen- und Differenzsignale zu erzeugen. Dieser Mischkreis
ist durch die Ausgangsleitungen 69 und 70 an einen Tiefpaß 71 angeschlossen, der
in üblicher Weise ausgebildet sein kann und Ausgangsklemmen 72 und 73 aufweist,
an die ein Frequenzmesser 74 bekannter Ausführung angeschlossen ist.
-
Ein Mischkreis 68, ein Tiefpaß 71 und ein Frequenzmesser 74 zusammen
mit den beiden Verstärkern 54 und den beiden Brücken 55 sind für jedes der beiden
anderen Schwingdrahtpaare sowohl auf der Y-Achse als auch auf der Z-Achse vorgesehen;
diese Paare sind die Drähte 46 und 48 auf der
Y-Achse und die Drähte 49 und 50 auf
der Z-Achse.
-
Für den elektrischen Aufbau der Y-Achse werden die Schwingdrähte 46
und 48 einfach für die Drähte 45 und 47 in dem Schaltbild von F i g. 3 eingesetzt,
und für den Aufbau der Z-Achse werden die Schwingdrähte 49 und 50 einfach für die
Schwingdrähte 45 und 47 in dem Schaltbild von F i g. 3 eingesetzt.
-
Wenn während des Betriebes dem Beschleunigungsmesser eine bestimmte
Beschleunigung zuteil wird, dann bewegen die Trägheitskräfte die Masse 18 gegenüber
den elastischen Drähten 45, 46, 47, 48, 49 und 50 in axialer Richtung.
-
Angenommen, daß dem Beschleunigungsmesser eine Beschleunigung in
einer Richtung zuteil wird wie z. B. nach rechts, wie in F i g. 1 gesehen wird,
entlang der X-Achse, dann bewegen die Trägheitskräfte die Masse 18 in Richtung auf
die Drahtverankerungsvorrichtung 21, so daß die Spannung des Drahtes 45 verringert
und zu gleicher Zeit die Spannung des Drahtes 47 vergrößert wird. Diese Bewegung
der Masse 18 ist auch auf den anderen vier Schwingdrähten 46, 48, 49 und 50 wirksam,
aber die Spannung in diesen Drähten wird gleichmäßig vergrößert.
-
In entsprechender Weise wird, wenn sich die Masse 18 unter dem Einfluß
der Trägheitskraft in entgegengesetzter Richtung bewegt, die Spannung auf dem Draht
45 vergrößert und die Spannung auf dem entgegengesetzten Draht 47 verringert.
-
Wenn die Spannung auf den Drähten 45 und 47 vergrößert oder vermindert
wird, ändert sich die Eigenfrequenz, insbesondere die Grundwelle dieser Drähte und
nimmt entsprechend zu oder ab. Jeder dieser Drähte 45 und 47 ist in dem Magnetfeld
zwischen den Polen 52 und 53 des Magnets 51 in dessen betreffenden Vorrichtungen
21 oder 23 angeordnet, so daß die Drähte in einer senkrecht zu ihrer Achse verlaufenden
Richtung mit einer Eigenfrequenz beinahe sinusförmig schwingen und dabei eine Wechselspannung
erzeugen, die die gleiche Frequenz aufweist. Wenn die Masse 18 bei Beschleunigungen
die Spannung in den Drähten 45 und 47 ändert, verursacht sie eine Änderung der Schwingungsfrequenz,
durch die dann auch die Frequenz der erzeugten Wechselspannung in entsprechender
Weise verändert wird. Bei der dargestellten Anordnung wird eine bleibende Schwingung
der Drähte 45 und 47 dadurch erzielt, daß man die Drähte 45 und 47 als Impedanz
eines selbsterregten elektrischen Schwingkreises verwendet, zu dem die Brückenschaltung
55 und der Verstärker 54 für jeden der Drähte 45 und 47 gehört, um die Schwingungsfrequenz
dieses Schwingkreises zu steuern.
-
Es ist zu beachten, daß die Masse 18 zwischen den beiden Drähten
45 und 47 vorgesehen ist und somit die zwei Drähte voneinander trennt und einen
Nullpunkt für die transversalen Schwingungen der Drähte 45 und 47 festlegt, so daß
die Schwingungsfrequenzen der Drähte an den zwei Seiten der Masse 18 durch die Spannung
in den einzelnen Drähten 45 und 47 gesteuert wird, die sich als Ergebnis der entlang
der X-Achse angreifenden Trägheitskräfte der Masse 16 einstellt.
-
Bei jedem der Drähte 45 und 47 bildet jede der Brückenschaltungen
55 einen Zweig für einen Rückkopplungskreis des zugehörigen Verstärkers 54, um diesen
als Oszillator zu betreiben. Jede Brücke 55, deren einer Arm den Schwingdraht 45
oder 47 enthält, bildet unter statischen Bedingungen, d. h. wenn
die
Drähte 45 und 47 nicht schwingen, eine abgeglichene Brücke. Die oberen Widerstände
56 und 57 sind gleich groß. Der statische Draht 60 hat den gleichen Widerstand wie
der Schwingdraht 45 oder 47.
-
Vorzugsweise wird der Draht 60 vollständig dem Schwingungsdraht 45
oder 47 gleichgemacht, mit Ausnahme der Tatsache, daß er nicht in einem Magnetfeld
angeordnet ist.
-
Da jede Brücke 55 bei unbewegtem Draht 45 oder 47 abgeglichen ist,
ist zwischen den Verbindungsstellen 62 und 63, die an den zugehörigen Verstärker
54 angeschlossen sind, keine Wechselspannung vorhanden, wenn der Draht 45 oder 47
stillsteht. Wenn die beiden Drähte 45 und 47 jedoch in dem Magnetfeld zwischen ihren
Polen 52 und 53 angeordnet sind, erzeugen sie in an sich bekannter Weise eine Gegen-EMK
und bilden somit eine wirksame dynamische Impedanz, die größer ist als die statische
Impedanz, die das Brückennetz 55 aus dem Gleichgewicht bringt, so daß ein Wechselstrom
dieser Frequenz zwischen den Verbindungsstellen 62 und 63 an den daran angeschlossenen
Verstärker 54 übertragen wird. Der Verstärker 54 jedes der Drähte 45 und 47 erzeugt
ein Ausgangssignal zwischen seinen Ausgangsleitungen 66 und 67, das die gleiche
Schwingungsfrequenz des betreffenden Drahtes 45 oder 47 hat, und ein Teil des Ausgangssignals
von dem Verstärker 54 wird zwischen der Leitung 59 und der Erde 65 angelegt, um
einen Wechselstrom dieser Frequenz über die Brücke 55, und zwar zwischen der Verbindungsstelle
58 und der Erde 63, anzulegen und so den betreffenden Draht 45 oder 47 in Schwingung
zu halten. Die Drähte 45 und 47 haben jeder eine bestimmte Schwingungsfrequenz für
jede eingestellte Spannung des Drahtes und stellen die Aufrechterhaltung dieser
Frequenz nach der Einstellung und die Wiederholung dieser Frequenz sicher, wenn
dieselbe Einstellung wiederhergestellt wird, und der mit dem betreffenden Draht
verbundene Verstärker 54 behält den Draht in einer Grundfrequenz bei, die von seiner
Spannung abhängt, und schafft ein elektrisches Signal dieser Frequenz zwischen seinen
Ausgangsleitungen 66 und 67.
-
Die Ausgänge der zwei Verstärker 54, die von den Schwingdrähten 45
und 47 gesteuert werden, werden dem Mischkreis 68 durch die Leitungen 66 und 67
zugeführt, wie in Fig.3 gesehen wird. Der Mischkreis 68 führt an seinen Ausgangsleitungen
Spannungen, die auf Grund der Überlagerung der aus den Verstärkern 54 zugeführten
Eingangsfrequenzen den Summen- oder Differenzfrequenzen !i - f2, Ji Q tfo oder 2
J1 t 2 entsprechen. Die diese Frequenzen führende elektrische Spannung zwischen
den Leitungen 69 und 70 wird einem Tiefpaß 71 zugeführt, so daß die elektrische
Spannung an den Ausgangsklemmen 72 und 73 des Tiefpasses nur noch die Schwebungsfrequenz
f,- f aufweist. An die Anschlußklemmen 72 und 73 ist der Frequenzmesser 74 angeschlossen,
der die Schwebungsfrequenz f, - f, mißt.
-
Die Differenzfrequenz zwischen den beiden Drähten 45 und 47 ergibt
sich, wenn die Drähte in allen Punkten einschließlich ihrer Längenbemessung identisch
sind, auf rechnerischem Wege etwa wie folgt:
(für den (für den einen Draht) anderen Draht)
wobei fo die Frequenz jeden Drahtes
bei der Beschleunigung Null, ds die Änderung der Beanspruchung oder Spannung (plus
oder minus), welche der an der Masse 18 angreifenden Kraft proportional ist, und
s die Anfangsbeanspruchung oder Anfangsspannung in den Schwingdrähten bei einer
Beschleunigung Null und an der Masse 18 angreifenden Kraft Null symbolisiert.
-
Es ist ersichtlich, daß beim Ansteigen der Frequenz des einen Drahtes
45 oder 47 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, im wesentlichen doppelt so groß ist wie die in
einem Draht. Die Formel zeigt auch, daß diese Änderung bei allen Verhältnissen von
4 s : s bis zu einem Zehntel ('/wo) gegenüber den Spannungsänderungen ds s (proportional
zu der an der Masse 18 angreifenden Kraft (zwanzig- und mehrmal linear ist. Es ist
ferner auch ersichtlich, daß die tatsächliche Frequenz eines 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 45 und 47 angreifen, zu Null werden, sofern die Drähte
45 und 47 identisch sind und die gleiche Länge haben. Da fo und die Größe s für
jeden Draht 45 oder 47 bekannte Größen sind, kann ds, das die Änderung der Beanspruchung
oder Drahtspannung symbolisiert, aus der Formel der Differenzfrequenz von f, - 2
erhalten werden, und da 4 s der an der Masse 18 angreifenden Kraft proportional
ist, kann die Größe dieser angreifenden Kraft erhalten werden.
-
Wie schon vorher erwähnt wurde, weist jedes der anderen beiden Schwingdrahtpaare
46 und 48 sowie 49 und 50 ein in F i g. 3 gezeigtes elektrisches System auf. In
einem dieser zusätzlichen Systeme wird der Draht 46 für den Draht 45 und der Schwingdraht
48 für den Draht 47 eingesetzt. In dem anderen dieser Systeme wird der Draht 49
für den Draht 45 und der Draht 50 für den Draht 47 eingesetzt. Wenn die Masse 18
entlang der Y-Achse anstatt der X-Achse beschleunigt wird, kann die Beschleunigung
durch den Frequenzmesser 74 in dem elektrischen System für die Drähte 46 und 48
gemessen werden; und wenn die Beschleunigung in der Z-Achse an Stelle der beiden
anderen Achsen verläuft, kann der Frequenzmesser 74 für das elektrische System der
Schwingdrähte 49 und 50 zum Messen der Beschleunigung auf der Z-Achse verwendet
werden.
-
In den meisten Fällen wird die Beschleunigung jedoch nicht entlang
einer der drei X-X-, Y-Y- oder Z-Z-Achsen verlaufen, sondern vielmehr in einem Winkel
zu allen drei. In diesem Fall können die Komponenten der Beschleunigungskraft entlang
der X-, Y- und Z-Achsen von dem Frequenzmesser 74 für jede der Achsen bestimmt werden;
und wenn die X-, Y- und ZKomponenten bekannt sind, kann die Richtung und Amplitude
der Beschleunigungskraft bestimmt werden. Die elektrischen Systeme für jedes der
Drahtpaare, nämlich für die auf den X-, Y- und Z-Achsen, arbeiten im wesentlichen
unabhängig voneinander, so daß die wahre Komponente der Beschleunigungskraft von
der Anzeige des Frequenzmessers 74 für jede der drei Achsen erhalten werden kann;
wie zuvor erwähnt, zeigt der Frequenzmesser direkt die Differenz in den Schwingungsfrequenzen
der
Schwingdrähte auf jeder der drei Achsen an.
-
Das beschriebene Meßgerät zeigt die wahre Beschleunigungskraft oder
deren Komponente besonders genau an, wenn die Beschleunigung nicht auf einer der
X-, Y- oder Z-Achsen verläuft, und zwar dadurch, daß eine im rechten Winkel zu irgendeiner
der X-, Y- oder Z-Achsen des Meßgerätes auf die Masse 18 einwirkende Trägheitskraft
die Größe Ii - 12 für diese Achsen nicht materiell beeinflußt.
-
Eine Überprüfung der obigen Formel für die Beziehung zwischen der
Größe Ii - 12, fO, ds und s zeigt, daß, wenn eine solche Kraft rechtwinklig zu irgendeiner
der Längsachsen angreift, die Spannungsänderung Js der beiden Drähte entlang der
Achse nahezu gleich und positiv im Vorzeichen für beide Drähte wird; und die Frequenzdifferenz
zwischen den beiden Drähten auf der betreffenden Achse bleibt auf Grund der Trägheitskraft
im wesentlichen unbeeinträchtigt durch die Einwirkung der Störkräfte im rechten
Winkel zu der Achse. So kann die wahre Größe der Beschleunigungskraft auf dem Beschleunigungsmesser
genau von irgendeinem der Frequenzmesser 74 bestimmt werden, insofern die Kraft
direkt entlang von irgendeiner der drei X-, Y- und Z-Achsen verläuft; und der wahre
Wert und Richtung der Beschleunigungskraft kann genau durch Benutzung der drei Frequenzmesser
74 erhalten werden, insofern die Beschleunigung rechtwinklig zu allen drei Achsen
verläuft.
-
Der Beschleunigungsmesser kann z. B. in einem Geschoß verwendet werden,
und falls der Beschleunigungsmesser im Flug verschiedene ausgerichtete: Lagen bezüglich
der absoluten Senkrechten einnimmt, könnte die Schwerkraft einen veränderlichen
Effekt auf die Masse 18 ausüben und so die Spannung der verschiedenen Drähte veränderlich
beeinflussen. Um diesen Nachteil zu beseitigen, kann der Beschleunigungsmesser in
bekannter Weise auf eine stabile Plattform aufgebracht werden, die durch geeignete
Servovorrichtungen in einer starren Stellung mit Bezug auf die absolute' Senkrechte
gehalten wird, z. B. in einer Plattformstellung, in der eine der drei Achsen des
Beschleunigungsmessers sich immer mit der absoluten Senkrechten deckt. In diesem
Falle beeinflußt die auf die Masse 18 einwirkende Schwerkraft die Spannung auf den
Drähten nicht veränderlich, um die Größef,-f3 für irgendeine der drei Achsen von
deren wahren Wert abzuändern, während das Geschoß fliegt.
-
Die Schwingungssaiten 45 bis 50 der einzelnen Paare 45, 47, 46, 48,
49, 50, welche zwischen den Platten 33 bis 44 befestigt sind und zwischen diesen
eingespannt sind, sind in bezug auf ihre Länge, Dichte, ihren Querschnitt und/oder
ihren Elastizitätsmodulen elastisch ausgebildet, wodurch alle Saiten eine verschiedene
Eigenfrequenz haben, d. h., die Schwingungsfrequenz einer Saite ist immer höher
als die Schwingungsfrequenz der anderen Saite eines Paares, und zwar innerhalb eines
vorbestimmten Kraftänderungsbereiches des der sphärischen Masse 18, die innerhalb
des Hohlraums 11 angeordnet ist.
-
Diese Ausführung ist wichtig, um beispielsweise eine Frequenzdifferenz
zwischen den Schwingungsfrequenzen der Drähte von irgendeinem besonderen Paar zu
erzielen, wenn die zugeführte und durch die Beschleunigung hervorgerufene Trägheitskraft
gleich Null ist, um die Richtung und die Größe der die Be-
schleunigung hervorrufenden
Kraft durch die Größe der Anderung der Frequenzdifferenz feststellen zu können.
-
Um die Saiten jedes Paares in verschiedenen Ebenen schwingen zu lassen,
ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3, wie dieses bereits weiter oben
angeführt ist, je ein Verstärker 54 für die Drähte 45 und 47 vorgesehen, wobei der
Verstärker in dem rechten Abschnitt dieses Schaltbildes für den Draht 47 bestimmt
ist. Dieser Verstärker 54 ist an eine Brückenschaltung 55 angeschlossen, an der
bei einer Verbindungsstelle 58 zwei Widerstände 56 und 57 an ein Ende der Leitung
59 vom Verstärker 54 angeschlossen sind. Die Widerstände 56 und 57 stellen zwei
der vier Arme der Brücke 55 dar, und die anderen beiden Arme werden von dem Schwingdraht
47 und von einem statischen Draht 60 gebildet, der sich vorzugsweise durch dieselbe
Drahtverankerungsvorrichtung erstreckt, in dem der Schwingdraht angeordnet ist,
so daß der Schwingdraht und der statische Draht dieselbe Temperatur aufweisen. Der
Schwingdraht 47 ist elektrisch an die Masse 18 angeschlossen, und die Masse 18 ist
durch eine elastische Leitung 61 elektrisch an das Gehäuse 10 angeschlossen. Der
Schwingdraht 47 und der Widerstand 56 haben eine Verbindungsstelle 62; der Widerstand
57 und der statische Draht 60 haben eine Verbindungsstelle 63, und das Gehäuse 10
ist an einem Punkt 64 geerdet, der eine Verbindungsstelle zwischen dem Schwingdraht
47 und dem statischen Draht 60 darstellt. Die beiden Drahtverbindungsstellen 62
und 63 und auch die Leitung 59 sind an den Verstärker 54 angeschlossen, der bei
65 geerdet ist. Der Verstärker hat zwei Ausgangsleitungen 66 und 67.
-
Der Verstärker 54 kann irgendein geeigneter Rückkopplungsverstärker
sein. Ein Verstärker 54 und eine Brückenschaltung 55 derselben Bauart und mit denselben
Anschlüssen, wie für den Draht 47 beschrieben, werden für jeden Schwingdraht benutzt,
und der Verstärker 54 und die Brücke 55 werden für den Draht 45 in dem linken Abschnitt
des Schaltbildes von F i g. 3 gezeigt.
-
Da die Magnete 51 der Vorrichtungen 21 und 23 gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach den Fig. 1 und 2 um 900 gedreht sind, können die Saiten jedes Paares in ungefähr
900 zueinander versetzten Ebenen schwingen.
-
Falls die Beschleunigung nur in einer Ebene des Meßgerätes stattfindet,
so z. B. in der X-Y-Ebene, senkrecht zu der Achse, kann das elektrische System für
die Schwingdrähte 49 und 50 entbehrt werden, und allein die Drähte 49 und 50 halten
die Masse 18 in dem Hohlraum 11 und innerhalb der X-Y-Ebene aufgehängt. In diesem
Fall ist das Meßgerät im wesentlichen ein Zweiachsen-Meßgerät, das die Beschleunigungskraft
gerade in der X-Y-Ebene mißt. Im Falle eines solchen Zwei-Achsen-Beschleunigungsmessers
werden zwei verschiedene Frequenzsignale Ii - 12 von den Frequenzmessern 74 erhalten,
eins auf die Komponente der Trägheitskraft in der X-Richtung und das andere auf
die Komponente der Trägheitskraft in der Y-Richtung ansprechend.
-
Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß in dem in F i g. 1 und 2
gezeigten Dreiachsen-Meßgerät und in dem Zweiachsen-Meßgerät, in dem eines der in
F i g. 3 gezeigten elektrischen Systeme fortgelassen
wird, auch
andere Krafteinleitungsvorrichtungen an Stelle der Masse 18 verwendet werden können.
Das Dreiachsen-Meßgerät, das die drei in Fig.3 gezeigten elektrischen Systeme benutzt,
würde die Größe und Richtung der Kraft in den drei Achsen messen, und das Zweiachsen-Meßgerät
würde die Größe und Richtung einer Kraft in einer einzigen Ebene messen können.