DE1220170B

DE1220170B - Hoehenmessanordnung

Info

Publication number: DE1220170B
Application number: DEG34600A
Authority: DE
Inventors: Norman J Appleton
Original assignee: General Precision Inc
Current assignee: General Precision Inc
Priority date: 1962-03-29
Filing date: 1962-03-29
Publication date: 1966-06-30

Description

Höhenmeßanordnung Die Erfindung betrifft eine Höhenmeßanordnung mit in einem Magnetfeld befindlichen, über elektrische Rückkopplung in Resonanz betriebenen, zu Transversal- oder Drehschwingungen fähigen Saitenschwingelementen, deren von der Saitenbelastung abhängige Eigenfrequenz mittels eines vom atmosphärischen Druck beaufschlzglen, die Saitenbelastung beeinflussenden Übertragerteils, in dem die Saitenschwingelemente mit einem Ende eingespannt sind, während das andere Saitenende jeweils fest im Gerätegehäuse verankert ist, dem atmosphärischen Druck zugeordnet und über eine Frequenzmeßschaltung einem Ablesegerät zugeführt ist. Die Höhenmessung ist also auf eine Druckmessung zurückgeführt.
Aus der belgischen Patentschrift 567 820 ist bereits eine Anordnung bekanntgeworden, die einen Druck cder auch eine Druckdifferenz zur Übertragung und Messung in eine elektrische Größe umwandelt. Diese Umwandlung wird durch eine derart eingespannte Saite erreicht, daß sich ihre Spannung in Abhängigkeit von dem zu messenden Druck bzw. von den zu messenden Drucken ändert. Die Spannungsänderung ihrerseits bewirkt eine Änderung der Resonanzfrequenz der Saite, die mit herkömmlichen Mitteln in eine elektrische Schwingung jeweils derselben Frequenz umgewandelt wird. Die Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß die Spannung der Saite und damit ihre Resonanzfrequenz nicht nur von den angreifenden Zug oder Druckkräften abhängt, sondern auch von der Temperatur sowie von auftretenden Beschleunigungen. Die Anordnung ist deshalb für Präzisionsmessungen in Systemen, die Temperaturschwankungen oder Beschleunigungen unterworfen sind, nicht geeignet.
Eine Kompensation der Temperatureinflüsse vermittelt bei einer ähnlichen Anordnung die französische Patentschrift 1 206 800. Aus dieser Vorveröffentlichung ist ein Druck- oder auch Beschleunigungsmesser bekannt, dcr mit einer zwischen zwei auf ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz schwingenden Saiten eingespannten Masse arbeitet. Wird nun die Masse unter dem Einfluß des Drucks bzw. der Beschleunigung in der Achse der Saiten verschoben, so erhöht sich die Spannung und damit die Frequenz der einen Saite, während sich die der anderen erniedrigt. Da zur Messung nur die Differenz der Frequenzen dient, wird der Einfluß der Temperatur, die ja auf beide Saiten gleichsinnig wirkt, eliminiert. Entsprechend der Anordnung der Saiten wird jedoch, wie es ja auch der Aufgabe dieser Anordnung entspricht, eine Beschleunigung sehr wohl gemessen. Bei einem Höhenmesser darf jedech nur der barometrische Druck gemessen werden, während Beschleunigungen gerade keinen Einfluß haben dürfen. Die Anordnung nach der genannten französischen Patentschrift ist daher als Höhenmesser nicht verwendbar.
Aus der deutschen Patentschrift 723 026 ist schließlich eine Meßeinrichtung für kleine Längenänderungen bekannt, bei der die Frequenz einer Meßsaite, die der zu messenden Längenänderung entspricjit, mit der Frequenz einer zweiten gleichen Saite verglichen wird, deren Länge von Hand geändert wird. Bei jeder Messung muß also zunächst durch Verstellen der Spannung der Vergleichssaite ein Frequenzabgleich hergestellt werden, der beispielsweise an einem Oszillographen beobachtet werden kann. Die zu messende Längenänderung entspricht dann der Verstellung der Vergleichssaite. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Messung einmal wegen des optischen Frequenabgleichs mit subjektiven Fehlern behaftet ist und zum anderen nicht koninuierlich und nicht automatisch erfolgen kann.
Sämtliche genannten Nachteile werden bei einer Höhenmeßanordnung der eingangs bezeichneten Art dadurch vermieden, daß in einer Vakuumkammer als Übertragerteil ein Hebel vorgesehen ist, der mittels zwei parallelen, zur Hebelachse senkrechten Saitenschwingelementen sowie einer auf der anderen Seite der Hebelachse diesen Schwingelementen gegenüberliegenden und im Mittelpunkt zwischen deren Angriffspunkten am Hebel an diesem befestigten Feder im Kammergehäuse aufgehängt ist und die Schwingelemente durch die Feder gleichmäßig vorgespannt sind, und daß zwei vom atmosphärischen Druck beaufschlagte Kolben mit gleicher Kolbenfläche jeweils im gleiche Abstand vom Mittelpunkt am Hebel angreifen, von denen der eine parallel zu den Saitenschwingelementen und der andere parallel zu der Feder liegt. Sowohl Temperaturänderungen als auch Beschleunigungen in der zu den Saiten parallelen Richtung rufen also bei beiden Saiten gleiche Längenänderungen hervor, die bei der Bildung der Differenzfrequenz herausfallen. Der zu messende atmosphärische Druck dagegen erzeugt an dem Hebel ein Drehmoment, das in einer gegensinnigen Spannung und damit Frequenzänderung der Saiten resultiert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Anordnung mit zwei weiteren vom atmosphärischen Druck beaufschlagten und jeweils in gleichem Abstand vom Mittelpunkt am Hebel angreifenden Kolben mit gleicher Kolbenfläche versehen, von denen der eine parallel zu den Saiteaschwingelementen und der andere parallel zu der Feder liegt, sowie mit einer Verriegelung, die die Kolben bei Erreichen eines bestimmten atmosphärischen Druckes vom Hebel trennt. Durch diese Maßnahme wird der Meßbereich der Anordnung wesentlich erhöht, ohne daß jedoch die Meßgenauigkeit eingeschränkt würde.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die- an den Saitenschwingelementen abgegriffene Frequenz einem Misch- oder Filterkreis aufgegeben, der mit einem Frequenzgenerator zum Vergleich der im Kreis gebildeten Differenzfrequenz mit bestimmten Höhenwerten entsprechenden Bezugsfrequenzen - vorzugsweise mit der jeweils nächstniedrigeren Bezugsfrequenz - des Generators verbunden ist: Auf diese Weise wird die erzeugte Differenzfrequenz ohne Genauigkeitsverlust in eine Anzeige in Form von Höhenwerten umgewandelt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sieht die Erfindung eine Mischstufe zur Bildung einer Ausgangsfrequenz aus der Differenzfrequenz und der nächstliegenden Bezugsfrequenz vor, die mit einem Diskriminator in Verbindung steht, der die Ausgangsfrequenz in analoge Spannungswerte umformt und über Widerstände an ein Analog-Anzeigegerät angeschlossen ist.
Durch diese Anordnung ist es also möglich, vollständige und präzise Höhenmessungen automatisch und kontinuierlich durchzuführen.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus den in folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen, in denen F i g. 1 zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde ligenden Prinzips dient, F i g. 2 eine Ausführungsform des erfindung gemäßen Höhenmessers schematisch darstellt, Fig.3 einen Höhenmesser zeigt, der jedoch gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Prinzip für zwei Meßbereiche in großen und in niedrigen Höhen eingerichtet ist, Fig.4 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß verwendeten schwingenden Bauelementes wiedergibt, F i g. 4a eine weitere, jedoch nach dem gleichen Prinzip arbeitende Ausführungsform des schwingenden Elementes zeigt, Fig. 5 einen übertrager für den barometrischen Druck ähnlich dem in F i g. 2 dargestellten wiedergibt, das jedoch mit den in F i g. 4 gezeigten Bauelementen ausgerüstet ist, F i g. 6 ein Diagramm der Linearität der einen Saite eines mit zwei Saiten ausgestatteten Übertragers ist, Fig; 7 in einem der F i g. 6 entsprechenden Diagramm die Linearität der anderen Saite des mit zwei Saiten ausgestatteten Übertragers zeigt, F i g. 8 die Linearität eines Übertragers mit nur einer Saite wiedergibt, F i g, 9 die Linearität eines Übertragers mit zwei.
Saiten wiedergibt, Fig. 10 ein Diagramm für den Entwurf eines konkreten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Höhenmessers ist.
Ehe die in Fig.2 bis 5 abgebildeten Bauteile näher besprochen werden, ist es notwendig, die in Fig. 1 dargestellten theoretischen Grundlagen zu betrachten. Die zwei Saiten S1 und S2 sind an den Enden eines gleicharmigen Hebels J eingehängt und mit ihren anderen Enden fest an der Wand V befestigt.
Im Mittelpunkt des Hebels J greift eine Feder t an, die die beiden Saiten spannt, Auf entgegengesetzte Seiten des Hebels wirken die Kräfte W. Diese Kräfte sind auf beiden Seiten des Hebels identisch, und ihre Angriffspunkte haben vom Drehpunkt des Hebels den gleichen Abstand. Damit bilden die beiden Kräfte ein Kräftepaar, dessen resultierende vertikale Kraft zum Zwecke der Erfindung gleich Null ist. Der Hebel J bleibt- nahezu in Ruhe und fühlt vielmehr nur das Drehmoment um den gedachten Drehpunkt, das die Kräfte auf ihn ausüben. Infolgedessen sind nicht nur die zwei Saiten S1 und Ss identisch, sondern trotz der auf die Saiten wirkenden Kräfte bleibt die Länge der Saiten verhältnismäßig konstant. Für den vorliegenden Zweck kann man die Länge der beiden Saiten als gleich annehmen und den aus der sehr kleinen Längendifferenz entstehenden Fehler vernachlässigen.
Die Resonanzfrequenz einer Saite ist gegeben durch dabei ist T die an der Saite angreifende Zugkraft in kp; m die Masse der Saite in kp sec2 cm-l; L die Länge der Saite in cm Außerdem gilt T=AS, (2) wobei A der Querschnitt der Saite in cm2 und S die Spannung in der Saite in kp cm-2 ist.
Da die Änderung der Länge L der beiden Saiten vernachlässigt werden kann, läßt sich die Größe = k (3) 4n2L als Konstante betrachten. Sind die Kräfte W nach F i g, 1 gleich Null, so ergibt sich für die beiden gleichen Saiten S1 und S2 als Grundfrequenz: Wirken nun auf den Hebel J die Kräfte W, so- ändern sich die Spannungen und damit die Frequenzen in den Saiten S1 und S2: bzw. aus (4) und (5) ergibt sich und unter Berücksichtigung von (2) setzt man nun DS = x, (9) so so erhält man als Resonanzfrequenz der gespannten Saite 5 und analog für die Saite S2 aus (10) und (11) erhält man die Differenzfrequenz in erster Näherung gilt ß i x = l i ; (13) 2 näherungsweise ergibt sich damit aus den Eigenfrequenzen der belasteten Saiten S1 und S2 bzw. die Gleichungen (10) und (14) sind in F i g. 6, die Gleichungen (11) und (15) in Fig.7 dargestellt.
Der tatsächliche Fehler ist dabei die Differenz in der Ordinate beider Kurven. Diese Differenz geteilt durch die Ordinate der linearen Funktion bezeichnet man als Linearität. Sie ergibt sich für eine einzelne Saite aus Entwicklung der Gleichungen (10) und (14) als die Linearität eines Übertragers mit zwei Saiten ist jedoch die Funktionen der Gleichungen (16) und (17) sind in den F i g. 8 und 9 dargestellt.
Durch Fortführung der mathematischen Analyse der in F i g. 1 dargestellten Anordnung läßt sich zeigen, daß die Linearität eines Systems mit zwei Saiten gleich dem doppelten Quadrat der Linearität eines einsaitigen Systems ist. Es kommt jedoch bei diesem Instrument nicht allein auf die Linearität an. Wie bereits gesagt, soll das Gerät als Höhenmesser benutzt werden, wobei die Höhenangaben durch Vergleich der Übertragerfrequenz mit bekannten Frequenzen gewonnen werden.
Die Linearität eines Geräts mit zwei Saiten ist für den Zweck der Erfindung mehr als ausreichend.
Die wesentlichste Eigenschaft der in F i g. 1 gezeigten Anordnung ist die Tatsache, daß die schwingenden Saiten ein abgeglichenes System bilden. Es wurde bereits erwähnt, daß für den Betrieb einer solchen Anordnung die Saiten untedingt ein hohes Q haben müssen, d. h., daß nur geringe auf Hysterese beruhende Verluste auftreten dürfen. Es kommt hinzu, daß eine Vielzahl von Einflüssen, deren Wirkung im einzelnen winzig klein sein kann, zusammengefaßt zu Fehlern führen kann. Die praktische Erfahrung zeigte jedoch, daß diese winzigen Fehler sich annähernd aufheben, wenn man die in F i g. 1 dargestellte Druck-Zug-Anordnung benutzt. Es ergibt sich daher eine viel größere Genauigkeit.
Es werden bei der beschriebenen Konstruktion nicht nur Fehlermöglichkeiten kompensiert, sondern die Einflüsse von Beschleunigen entlang der empfindlichen Achse werden ebenfalls ausgeschaltet. Dies ist sehr wichtig, denn das Kernstück dieses Übertragers kann zur Erfassung kleiner Beschleunigungsänderungen benutzt werden, die durch die Trägheitskräfte jeder der enthaltenen Massen übertragen werden könnten.
Die Freiheit von Beschleunigungswirkungen ergibt sich, wenn man die Summe aller Momente, die um den Drehpunkt wirken, summiert. Alle Beschleunigungsglieder entlang der empfindlichen Achse fallen dann heraus. Ein weiterer Faktor, der sich selbsttätig aufhebt, ist der Einfluß von Temperaturänderungen.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient für die meisten Metalle liegt in der Größenordnung von 1,8 10-5 pro Grad C. Es zeigt sich, daß der Fehler in der Frequenzänderung durch die Temperatur bei 1,8 10-30/o pro Grad C liegt. Der Temperaturfehle: einer einzelnen Saite i;t erheblich größer.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist besonders brauchbar als Höhenmesser. Ein solcher Höhenmesser besteht im allgemeinen aus einem Übertragerteil mit schwingenden Elementen 10 und einem elektronischen Teil 11. Der Teil mit den schwingenden Elementen befindet sich in einem Vakuumgehäuse 12 und besteht aus zwei schwingenden Saiten 13 und 14. Diese Saiten werden vorzugsweise aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung gefertigt, die etwa 2 O/o Beryllium und sonst im wesentlichen Kupfer enthält. Diese Saiten schwingen in Magnetfeldern 15 und 15a, die durch die Permanentmagnete 16 und 16a erzeugt werden. Die Saiten sind an gegenüberliegenden Stellen 12a und 12b des Gehäuses 12 fest an diesem Gehäuse angebracht. Das andere Ende der Saiten ist an einem axial im wesentlichen festen Hebel 17 befestigt. Der gedachte Drehpunkt 18 des Hebels liegt im Mittelpunkt zwischen den beiden Saiten; damit der Hebel 17 zu einem gleicharmigen Hebel.
In seinem gedachten Drehpunkt wird der Hebel 17 durch eine Feder 18a unter Spannung gehalten.
An gegenüberliegenden Seiten des Hebels 17 befinden sich luftdruckempfindliche Flächen oder Kolben 19 und 20, die an den vom Drehpunkt 18 gleich weit entfernten Punkten 21 und 22 auf den Hebel 17 einwirken, d. h., der Hebelarm 17a ist gleich dem Hebelarm 17b. Da sich die luftdruckempfindlichen Flächen 19 und 20 auf gegenüberliegenden Seiten des Hebels befinden, sind die Kräfte, die diese luftdruckempfindlichen Flächen, welche dem gleichen Luftdruck ausgesetzt sind, ausüben, gleich und bilden ein Kräftepaar. Damit wird die resultierende Kraft zum Zwecke der vorliegenden Erfindung praktisch Null.
Es wird jedoch ein Moment um den Drehpunkt des Hebels erzeugt, und dieses Moment wird durch den Hebel auf die gegenüberliegenden Saiten 13 und 14 übertragen, wobei die Spannung der einen Saite verstärkt und die Spannung der anderen verringert wird.
Man muß beachten, daß sich der Hebel 17 nicht wirklich bewegt. Der Hebel fühlt vielmehr nur das Drehmoment der Kräfte. Dies reicht jedoch für den Zweck der Erfindung aus. Man erkennt, daß dieser Teil des Höhenmessers im wesentlichen eine Einrichtung darstellt, wie sie weiter oben bei der Erklärung des wissenschaftlichen Grundgedankens der Erfindung beschrieben wurde.
Da die Saiten in den durch die Mangete 16 und 16a erzeugten Magnetfeldern 15 und 15a schwingen, wird in ihnen ein Strom induziert, der in Übereinstimmung mit der Schwingungsfrequenz der Saiten wechselt. Dieser induzierte Strom, den man auch als Ausgangsfrequenz 23 und 23a der Saiten 13 und 14 bezeichnen kann, wird in den Verstärkern 24 und 25 verstärkt. Ein Teil der verstärkten Frequenzen wfrd in den Rückkopplungskreisen 26 auf die Saiten rückgekoppelt und hält diese Saiten in ihrer von der auf die wirkenden Spannung abhängigen Resonanzfrequenz im Schwingen. Der andere Teil der am Ausgang der Verstärker 24 und 25 auftretenden Frequenzen wird den Frequenzvervielfachern 27 und 28 zugeführt, um die Auflösung zu erhöhen. In der Frequenzwählerstufe 31 werden eine Anzahl von Frequenzen erzeugt, die Höhenwerten entsprechen. Jede Frequenz entspricht einem bestimmten Höhenwert über dem der vorhergehenden Frequenz. Die Frequenzvervielfacher 27 und 28 erhöhen die Frequenzen der Verstärker 24 und 25 so weit, daß ihre Ausgangsfrequenz beim Vergleich in der Frequenzwählerstufe 31 leichter mit einer der vorgegebenen Frequenzen in dieser Stufe identifizierbar ist. Aus den Frequenzvervielfacherstufen 27 und 28 werden die Ausgangsfrequenzen einem Mischkreis 29 zugeführt. Hier wird die eine Frequenz zu und von der anderen addiert und subtrahiert. Ein Filterkreis 30 läßt nur die Differenzfrequenz zwischen den beiden Frequenzen zur nächsten Stufe gelangen.
Bis zu dieser Stufe sind folgende Vorgänge durchgeführt worden: 1. Änderung der Schwingungsfrequenzen der Saiten, f0+Df; f0-Df.
2. Verstärkung, (wo + Df); (fo - DJ).
3. Harmonische Vervielfachung, n (f0 + Df); n (gODf )-4. Addition und Subtraktion, nDf82 + nDf82; flDfsi - nDf,2.
5. Filterung, nDf,, - nDf,,.
Die Ausgangsfrequenz 30a vom Filter 30 kann jetzt mit den bekannten Frequenzen 31 a für gegebene Höhen, d. h. mit fa, fb,f.... fn, - verglichen werden.
Diese gegebenen Frequenzen sind dem Frequenzwähler 31 zugeordnet.
Die grobe Höhenangabe kann nun am Anzeige gerät 31 b abgelesen werden. Dieses zeigt nur die Höhe über der nächstniedrigeren vergleibhbaren bekannten Frequenz.
Da Widerstände mit sehr hoher Genauigkeit im Handels beschaffbar sind, wird es möglich, die Differenz zwischen der Übertragerfrequenz und der Vergleichsfrequenz auszugleichen. Es seien beispielsweise fünfzehn verschiedene Vergleichsfrequenzen vorhanden, die Höhenstufen von jeweils 3000 m vom Meeresniveau bis in eine Höhe von 45 000 m entsprechen. Es läßt sich dann die Differenzfrequenz aus dem Übertrager- oder Schwingungselemententeil 10 mit den Vergleichsfrequenzen fa, f" f, usw. vergleichen. Dieser Vergleich wird in dem Vergleichsmischkreis 32 wiederholt. Es sind logische Schaltkreise vorgesehen die die richtige Vergleichsfrequenz in den Vergleichsmischkreis 32 schalten. Die Differenzfrequenz zwischen der Übertragerfrequenz und der Vergleichsfrequenz ist die Ausgangsfrequenz aus dem Mischkreis 32 und dem Filterkreis 33. Innerhalb jedes 3030-m-Ab3chnittes wird der hub trager als Geber in einem Analog-Kraft-Rückkopplungssystem benutzt. Die aus dem Vergleichsmischkreis 32 und dem Filter 33 kommende Differenzfrequenz wird mit Hilfe des Diskriminators 34 in eine Spannung verwandelt. Dies Spannung wird einem Hochleistungsgleichstromverstärker 35 zugeführt. Von diesem Gleichstromverstärker aus ist ein Servokreis 35 vorgejehen, der dazu dient, Kompensationswicklungen 37 so zu steuern, daß die DifferenzErequenz zwischen der Übertragerfrequenz und der nä,hstniedrigeren Vergleichsfrequenz ständig Null bleibt. In den Servokreis 36 ist eine Reihe von Präzisions-Abstufungswiderständen 38 eingeschaltet, R1, R2, R3 ... Rn. Jeder dieser Widerstände gehört zu einem bestimmten Vergleichsbereich. Die Ausgangsspannung der Abstufungswiderstände wird zum Antrieb einer Skalentrommel zur Feinablesung, eines Bandanzeigegeräts oder einer ähnlichen Einriehtung benutzt. Es sind weiterhin einfache Darstellungsmittel vorgesehen, damit nur die Skala oder der Anzeiger für einen Widerstand für jede Vergleichsfrequenz sichtbar wird, d. h. die für diese Frequenz entworfene Skala oder Anzeigevorrichtung.
Es ist auch möglich, ein Digitalrechengerät in den Steuerkreis einzuschalten. Damit wird die Anordnung vollständig digital.
Ebenso ist es möglich, einen Höhenmesser mit vollständig analoger Arbeitsweise zu bauen. Bei einer derartigen Anordnung fallen der Frequenzwähler 31 und der Vergleichsmischkreis 32 fort. Der erfindungsgemäße Druckübertrager wird in Verbindung mit einem der üblichen Analogsysteme über seinen vollen Meßbereich verwendet, indem man ihn als Meßwertgeber in einem geschlossenen Rückkopplungssystem benutzt. In diesem Falle werden die Kompensationswicklungen 37 dazu benutzt, das ganze System so zu steuern, daß die Differenzfrequenz ständig Null bleibt.
Der analoge Ausgangswert ist dann der Strom durch die Kompensationswicklungen. Dieser Strom wird über einen Meßwiderstand geleitet, um eine Bezugs-Signalspannung für einen Servomotor zu liefern, der ein geeichtes Band- oder Skalenanzeigegerät antreibt.
Im ganzen gesehen, ist ein solches System natürlich nicht so genau wie das in F i g. 2 gezeigte oder ein völlig digitales System der weiter obenerwähnten Form.
Das in F i g. -2 dargestellte Instrument ist jedoch nur in einem bestimmten Höhenbereich brauchbar, und zwar wegen der großen Druckdifferenz zwischen dem Meeresniveau und einer Höhe von 45 000 m. Es liegt beispielsweise der Druck in.45 000m Höhe -in der Größenordnung von etwa 1,4 mb, und der Druck in Meereshöhe beträgt annähernd 1000 mb. Die großen Druckunterschiede zwischen Meeresniveau und großer Höhe erfordern die Verwendung eines Systems mit zwei getrennten Meßbereichen.
Da die luftdruckempfindlichen Flächen 19 und 20 an den gegenüberliegenden Punkten 21 und 22 des Hebels 17 wirken, lassen sich in extremen Höhen die zur Erzielung einer meßbaren Frequenzänderung ausreichenden Spannungsveränderungen durch Vergrößerung des Hebelarms erzielen, d. h. durch Verlagerung der Punkte 21 und 22 entlang der Hebelarme 17a und 17b nach auswärts. Weil es jedoch offensichtlich unzweckmäßig ist, die Druckübertragungspunkte oder die druckempfindlichen Flächen 19 und 20 zu verschieben, da eine solche Hin- und Herbewegung alle Fehlermöglichkeiten enthält, die einem System mit beweglichen Teilen eigen sind, wird ein zweiter Satz von druckempfindlichen Flächen oder Kolben vorgesehen.
Die für große und geringe Höhen vorgesehene Anordnung besteht im allgemeinen aus den schwingenden Saiten 13 und 14 an gegenüberliegenden Enden des Hebels 17. Ein Paar einander gegenüberliegende luftdruckempfindliche Flächen oder Kolben 19 und 20 befinden sich verhältnismäßig nahe am gedachten Drehpunkt oder Mittelpunkt des Hebels 17, wogegen ein zweites Paar einander gegenüberliegender luftdruckempfindlicher Flächen 39 und 40 für Messung in großen Höhen in einem größeren Abstand vom Drehpunkt angeordnet ist. Mit anderen Worten, die Hebelarme 17a und 17b zwischen den Kolben 19 und 20 für niedrige Höhen und dem Drehpunkt sind wesentlich kürzer als die Hebelarme 17c und 17d zwischen den Kolben 39 und 40 für große Höhen und dem gedachten Drehpunkt. Die Kompensations wicklung 37 muß so angeordnet sein, daß sie auf die durch jedes der beiden Kolbenpaare ausgeübte Kraft reagieren und ihr entgegenwirken kann. In F i g. 3 sind die Kolben so dargestellt, daß sie bei der Kraftübertragung auf den Hebel drücken. Es ist möglich und kann in manchen Fällen wünschenswert sein, die Anordnung zur Kraftübertragung so auszuführen, daß die Kraft als Zugkraft übertragen wird. Maßgebend hierfür ist lediglich die jeweilige Konstruktionsausführung. Die Kolben 19 und 20 für hohen Druck und geringe Höhen wirken ständig auf den Hebel, während die Kolben für geringen Druck und große Höhen mit Entlastungsmitteln 41 versehen sind, die den Hebel entlasten, sobald ein bestimmter Druck erreicht wird. Diese Entlastungsmittel können aus einem einfachen Anschlag bestehen, sie können aber auch einen Nocken od. dgl. umfassen. Eine zusätzliche Steuerungsmöglichkeit wird durch Veränderung des Flächenverhältnisses der druckempfindlichen Kolben erreicht. Wenn man den Bereich niedrigerer Höhen erreicht, werden die durch die Kolben an den längeren Hebelarmen zur Wirkung gebrachten Kräfte sehr groß, und die Entlastung muß an einem geeigneten Bezugspunkt erfolgen, damit unmittelbar nach der Entlastung keine falschen Höhenangaben gemessen werden. Die nahe am Drehpunkt angeordneten Kolben 19 und 20 haben einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Drehmomente, die in großen Höhen übertragen werden. Sie können daher in ständiger Berührung mit dem Hebel belassen werden.
Die Erfindung wurde im vorstehenden im Hinblick auf die Verwendung schwingender Saiten beschrieben.
Es ist ebenso möglich einen digitalen Kraftübertrager zu verwenden. Ein solcher Übertrager besteht allgemein aus einem Scheibenkopf mit Schaft, der Drehschwingungen ausführt und dessen Resonanzfrequenz charakteristik durch die Änderung der Spannung eines Saitenpaars geändert wird, das mit dem Rand des Scheibenkopfes fest verbunden ist. Bei einer Ausbildungsform (F i g. 4) hat diese Anordnung einen mit einer Unterlage 42 fest verbundenen Schaft 43. Am Ende des Schaftes 43 befindet sich der Scheibenkopf 44 für Drehschwingungen. An gegenüberliegenden Punkten eines Durchmessers der Scheibe 44 sind die Saiten 45a und 45b angebracht, die mit der gegenüberliegenden Unterlage 42a so verbunden sind, daß die Saiten unter Spannung stehen. Dreht sich die Scheibe 44 um einen kleinen Winkel, wird durch die Spannung der Saiten 45a und 45b ein Kräftepaar in tangentialer Richtung erzeugt, das die ursprüngliche Lage der Scheibe wiederherzustellen trachtet. An Stelle eines zylindrischen Schaftes 43 und einer runden Scheibe 44 läßt sich auch ein an der Unterlage 42e befestigter Schaft 43 a verwenden (F i g. 4a), der in einem sich nach außen erstreckenden, Drehschwingungen ausführenden Flachkopf 44a endet, wobei die Hauptachse des Flachkopfes in der gleichen Ebene, jedoch senkrecht zur Längsachse des verlängerten Schaftes 43a angeordnet ist. Die Saiten 45a und 45b sind an gegenüberliegenden Enden des Flachkopfes 44 a befestigt. Die Wirkungsweise dieser Anordnung in Verbindung mit einem Übertrager für den barometrischen Druck ist die gleiche, wie sie in der Zeichnung für die Wirkungsweise der Saiten dargestellt ist.
Die weiter oben angegebenen Berechnungen und Formeln können ohne weiteres auf den scheibenförmigen Übertrager angewendet werden.
Rechenbeispiel Da wegen der örtlichen Wetteränderungen keine völlig feste Beziehung zwischen dem Luftdruck und der Höhe besteht, kann ein Höhenmesser nur auf der Grundlage einer Modellatmosphäre konstruiert werden. Im vorliegenden Falle wurde die 1959 vom Air Research Development Command aufgestellte Modellatmosphäre benutzt. Auf Grund eingehender Untersuchungen und Erfahrungen mit dem Prototyp der hier beschriebenen Einrichtungen kann gesagt werden, daß eine Gesamtstabilität der Spannung als Funktion des Produktes aus Summen- und Differenzfrequenzen von zwei getrennten Übertragern erreicht werden kann, die besser ist als 1: 100 000. Für den vorliegenden Zweck kann entsprechend der gegebenen theoretischen Ableitung angenommen werden, daß die Stabilität etwas besser ist als 1 : 20 000. Das bedeutet, daß der Druckübertrager für den gesamten Bereich eine Stabilität und Genauigkeit von 1: 10 000 haben sollte; dies entspricht der Skala zwischen den Bezugsfrequenzen. Fremdkräfte aus anderen Ursachen als dem Luftdruck sollten die Ausgangsfrequenz um nicht mehr als l/20000 des Endwertes der Luftdruckskala beeinflussen. Innerhalb der Grenzen, die durch diese Stabilitätskriterien gegeben sind, kann die Auflösung am Frequenzausgang durch Benutzung von Frequenzvervielfachern ohne Genauigkeitsverlust unbegrenzt gesteigert werden.
Wenn der volle Meßbereich des Instruments einer maximalen Frequenzänderung von 100 Hz entspricht, so würde der maximale Fehler aus der Stabilität beim Skalenendwert 1/in 000 von 100 oder 0,01 Hz betragen.
Bei jeder Belastung unterhalb dieses Drucks bis zum Skalennullpunkt und der entsprechenden Frequenz wird der Fehler nicht größer, sondern er bleibt im allgemeinen tatsächlich kleiner. Unter diesen Voraussetzungen würden der stabile Schwellwert und die kleinste auflösbare Änderung 0,01 Hz betragen. Zum Zwecke entweder der Ablesung oder der Regelungsinstrumentierung ist ein viel höherer Frequenzgradient vorzuziehen, d. h., es kann wünschenswert sein, 1 Hz als kleinsten Frequenzwert zu benutzen; der Maximalwert sei dann 10 000dz. Hierzu ist lediglich ein elektronischer Frequenzvervielfacher mit dem Multiplikationsfaktor 100 notwendig. Die 0,01 Hz erscheinen dann am Ausgang des Frequenzvervielfachers als 1 Hz.
Von der vorstehenden Überlegung ausgehend wird ein bei einer Höhe von 45 000 m noch tragbarer Höhenfehler und ein entsprechender Fehler der Druckänderungsmessung ausgewählt. Das Instrument wird so entworfen, daß diese kleinste Druckänderung eine Frequenzänderung von 0,01 Hz am Ausgang des Ubertragers oder von 1 Hz am Ausgang der Vervielfacherstufe bewirkt. Da in der Modellatmosphäre der Druckgradient in dieser Höhe 1,33 10-4 mb m-1 oder 0,0043 mb je 30 m beträgt, werden die Kolbenflächen und Hebelverhältnisse so ausgelegt, daß diese Druckänderung auf den Übertrager eine Kraft ausübt, die ausreicht, eine Frequenzänderung von mindestens 0,01 Hz zu erzeugen. Der Maximaldruck, bis zu dem der Übertrager jetzt betrieben werden kann, ist dann begrenzt auf das 10000fach dieses Mindestdrucks oder 43 mb. Dies entspricht einer Höhe von etwa 21 500 m.
Der Druckgradient nimmt mit abnehmender Höhe rasch zu, daher wird der Höhenfehler in der Höhe von 21 500 m zu einem Bruchteil der für die Höhe von 45 000 m angenommenen 30 m. Im Bereich des höheren Drucks in niedrigeren Höhen muß ein Maximaldruck von 1030 mb gemessen werden. Benutzt man die gleichen Werte für die Stabilität, die maximale Belastung und Spannung, so muß die Auflösung und Genauigkeit gleich 0,34 mb/m betragen. Der Höhenfehler wird dann auf der Skala für höhere Drücke kleiner als 18 m.
Geht man von den obenstehenden Voraussetzungen aus, läßt sich ein Übertrager für einen Höhenmesser berechnen, der in großen und niedrigen Höhen brauchbar ist. Ein solches Gerät ist in F i g. 3 nach dem Prinzip der schematischen Zeichnung in F i g. 1 dargestellt.
Es sei angenommen, daß in dem Gehänge 12 des Geräts ein nahezu völliges Vakuum besteht. Dann ist der Innendruck gleich Null, oder der Außendruck minus dem Innendruck ist gleich Dp = p, und der Druck auf die Kolben 19 und 20 vongleicherWirkungsfläche A ist gleich dem tatsächlich vorhandenen Luftdruck. Die Kraft auf jeden Kolben ist gleich PA, und die beiden Kräfte bilden zusammen ein Kräftepaar um den Drehpunkt mit der Größe 2 PAr. Dieses Drehmoment im Uhrzeugersinne wird durch ein Kräftepaar aufgehoben, das durch die Spannungsänderungen in jeder der schwingenden Saiten gebildet wird. Das Drehmoment durch das letztere Kräftepaar ist gegeben durch 2 DTr. Daher ist: 2PAr'= 2DTr, Die Gleichung für eine Frequenzänderung eines Systems mit zwei Saiten ist: k Df = . DT. f0 (Die Gleichung für die Frequenzänderung einer eink zelnen Saite ist . DT).
2f0 Daraus folgt: Hierin ist: k = Konstante -4mL 4pA-L2 p = Druck in kg cm2, A = Fläche der Kolben in cm2, f0 = Grundfrequenz in Schwingungen pro Sekunde (Hz), r' = Abstand der Kolben vom Drehpunkt in cm, r = Abstand der Saiten vom Drehpunkt in cm.
Für den oberen Meßbereich des Instruments (Höhen von 45 000 bis etwa 21 500 m) muß das Instrument so ausgelegt werden, daß Höhenänderungen von 30m noch nachweisbar sind. Das kleinste Druckdifferential, das in 45 000 m Höhe für eine Höhen-DP änderung von 30m auftritt, d. h. DK für 30m in 45 000 m Höhe, ist 0,0043 mb.
Dieser Teildruck ist, wie oben beschrieben, einer Darstellung der Modellatmosphäre des »Air Research Development Command« entnommen.
Die dieser Höhenänderung entsprechende Frequenzänderung wird als Schwellwert des Instruments angenommen und soll, wie oben erwähnt, größer als 0,01 Hz sein. Die Wahl der Grundfrequenz fo und eines Belastungsniveaus bestimmen die Ausmaße der Saiten.
Es ist offensichtlich vorteilhaft, die Belastung möglichst niedrig zu wählen, aber doch so, daß noch eine gute Stabilität erhalten bleibt. Der Wert f0 sollte etwa zwischen 2000 und 4000 Hz liegen. Es sei fo = 3000 Hz.
Die bereits weiter oben angegebene Gleichung für die Länge einer Saite lautet: Aus Stabilitätsgründen wird eine Beryllium-Kupfer-Legierung mit einer Massendichte von 8,4 10-3 kp sec2 cm4 benutzt. Die im Betrieb auftretende Spannung hängt von der Saite ab und kann zwischen 750 und 2250 kp cm-2 liegen, in manchen Fällen auch höher oder niedriger. Die Eingrenzung der Saitenspannung S0 auf 20 000 Pfund pro Quadratzoll ergibt als Länge der Saite: L = 2,16 cm.
Die Vorspannung Tist ein Konstruktionsparameter, der zweckmäßig so zu wählen ist, daß den Erfordernissen der Ausmaße der Saite zur möglichst weitgehenden Verkleinerung von Säuleneffekten entsprochen wird. Folglich muß die Saite dünn genug- sein, um als Faser zu wirken. Der Durchmesser der Saite kann aus der Formel für das Schlankheitsverhältnis einer Saite methematisch berechnet werden. Da jedoch das Material, aus dem die Saite hergestellt werden soll, im Handel in bestimmten Stärken erhältlich ist, ist es praktischer, eine handelsübliche Stärke auszuwählen und diese in die Rechnung einzusetzen. Auf diese Weise soll hier eine Stärke von 0,25 mm gewählt werden.
Nach Gleichung (2) kann man nun die Vorspannung berechnen.
T = 0,72 kp.
Die Empfindlichkeit G einer Saite ist das Verhältnis der Frequenzänderung zur Spannungsänderung.
Df Df1 + Df2 k 1 G = = = = DT DT f0 f0.(4p Al²) Die Empfindlichkeit G der Saite läßt sich nun wie folgt darstellen: Nachdem nun eine Saite ausgewählt wurde, müssen r' die Kolbenfläche und das Verhältnis der Arme ausr gewählt werden. Der hohe Empfindlichkeitswert bedeutet, daß sich in einem bestimmten Bereich, oder dem Verhältnis maximaler Frequenzänderung zum Schwellwert, der sogenannte Schwellwert vergrößern läßt, wobei die Genauigkeit vergrößert wird.
Um eine wirksame Auswahl zu treffen, wird eine Kurve gezeichnet, wie sie in F i g. 10 dargestellt ist, die die verschiedenen Parameter zeigt: Df (Schwellwert) = G DP (Schwellwert) Aus der graphischen Darstellung in F i g. 10 ergibt sich für die Linie für 1,6 cm² (Durchmesser = 1,42 cm) und ein Verhältnis r von 1,03 ein Df von 0,03 Hz.
Wenn der Bereich des Übertragers bei 10 000: 1 gehalten wird, so ist Dfmax = 104 ,| 0,03 = 300 Hz.
Daraus folgt: Dfmax = 300 sec-1 DTmax = = G 4200 kp-l sec-1 DTmax Smax = S0 + = 1,55 . 10³kp . cm-2.
A8 Das Das verhaltnis im Maximum ist 0,10.
S0 Für das vorliegende Instrument ist ein DT von 300 Hz zwischen Untergrenze und Obergrenze des Höhenbereichs gewählt worden. In der Praxis sollte dieses Df zwischen etwa 100 und 500 Hz liegen.
Für den Meßbereich des Instruments für große Höhen wurde bisher errechnet: Länge der Saite .............. 2,16 cm Durchmesser der Saite ........ 0,25 mm Kolbenfläche für große Höhen.. 1,6 cm² r' 1,03 D f ma; zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu 300 Hz Frequenzschwellwert ......... 0,03 Hz Der obere Druckbereich umfaßt einen Gesamtdruckanteil von 43 mb. Daher ist der Druck an der oberen Grenze des unteren Bereichs gegeben durch: P in 45 000 m + DP des oberen Bereichs = 44,5 mb.
Die diesem Druck in der Modellatmosphäre entsprechende Höhe ist 21 500 m.
Dp Bei H = 21 500m ist = 6,2 . 10-3 mb . m -1.
In niedrigeren Höhen wird das Kolbenpaar mit der Fläche A vom Hebel getrennt, und die Saiten werden über den Hebel durch ein zweites Paar mit den Flächen A2, die im Abstand r" vom Drehpunkt angeordnet sind, belastet.
Weil G = k, fo k r'' r'' Df = . DP A2 . = G DP A2 , f0 r r ist und weiter folgende Voraussetzungen gegeben sind: Druck in der Höhe Null .... 1000 mb Druck in 21 500m m ......... 44,5 mb D Pmas 985 mb Dfmin .................... 300 Hz G wiederum ............... 4200 kp-1 . sec-1, folgt Die Kolbenfläche für große Höhen A betrug 1,6 cm2.
Bei einer Fläche von ebenfalls 1,6 cm² für A2 ergibt sich: = 0,0446. r Weil der Frequenzschwellwert 0,03 Hz beträgt, ergibt sich die diesem Wert entsprechende Druckänderung zu In der Höhe H = 21 500 m ist DP = 6,25 . 10-3 mb . m-1.
DH Daher ergibt sich das Df von 0,03 Hz entsprechende DH zu 16 m.
Bei der Auswahl einer Saite bedarf es einiger Überlegung, eine solche mit dem passenden Schlankheitsverhältnis zu wählen. Wenn die Saite einen kreisrunden Querschnitt hat, errechnet sich dasSchlankheitsverhältnis zu 4 . Länge S.R. = Saitendurchmesser Das Schlankheitsverhältnis für die Zwecke der Erfindung sollte möglichst größer sein als 100. Im vorstehenden Beispiel ist S. R. = 340.
Patentansprüche: 1. Höhenmeßanordnung mit in einem Magnetfeld befindlichen, über elektrische Rückkopplung in Resonanz betriebenen, zu Transversal- oder Drehschwingungen fähigen Saiteuschwingelementen, deren von der Saitenbelastung abhängige Eigenfrequenz mittels eines vom atmosphärischen Druck beaufschlagten, die Saitenbelastung beeinflussenden Übertragerteils, in dem die Saitenschwingelemente mit einem Ende eingespannt sind, während das andere Saitenende jeweils fest im Gerätegehäuse verankert ist, dem atmosphärischen Druck zugeordnet und über eine Frequenzmeßschaltung einem Ablesegerät zugeführt ist, d adurch gekennzeichnet, daß in einer Vakuumkammer als Übertragerteil ein Hebel (17) vorgesehen ist, der mittels zwei parallelen, zur Hebelachse senkrechten 5 aitenschwingelementen (13; 14 bzw. 43, 44, 45a, 45b bzw. 43a, 44a 45a, 45b) sowie einer auf der anderen Seite der Hebelachse diesen Schwingelementen gegenüberliegenden und im Mittelpunkt (18) zwischen deren Angriffs punkten am Hebel (17) an diesem befestigten Feder (18 a) im Kammergehäuse aufgehängt ist und die-Schwingelemente durch die Feder (18a) gleichmäßig vorgespannt sind, und daß zwei vom atmosphärischen Druck beaufschlagte Kolben (19;- 20) mit gleicher Kolbenfläche jeweils im gleichen Abstand vom Mittelpunkt (18) am Hebel (17) angreifen, von denen der eine parallel zu den Saitenschwingelementen (13; 14 bzw. 43, 44, 45a, 45b, bzw. 43a, 44a, 45a, 45b) und der andere parallel zu der Feder (18a) liegt.

Claims

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere vom atmosphärischen Druck beaufschlagte Kolben (39; 40) mit gleicher Kolbenfläche jeweils im gleichen Abstand vom Mittelpunkt (18) am Hebel (17) angreifen, von denen der eine parallel zu den Saitenschwingelementen (13; 14 bzw. 43, 44, 45a, 45b bzw. 43a, 44a, 45a, 45b) und der andere parallel zu der Feder (18a) liegt, und daß eine Verriegelung (41) die Kolben (39; 40) bei Erreichen eines bestimmten atmosphärischen Druckes vom Hebel (17) trennt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Saitenschwingelemente durch Drehschwingungen ausführende Schwingkörper mit einem Schaft (43; 43a), der in einen Kopf (44; 44a) ausläuft, an dem ein Saitenpaar (45a, 45b) befestigt ist, gebildet sind.

4. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Saitenschwingelementen (13; 14 bzw. 43, 44, 45a, 45b bzw. 43a, 44a, 45a, 45b) abgegriffene Frequenz einem Misch- oder Filterkreis (29, 30) aufgegeben wird, der mit einem Frequenzgenerator (31) zum Vergleichen der im Kreis (29, 30) gebildeten Differenzfrequenz mit bestimmten Höhenwerten entsprechenden Bezugsfrequenzen des Generators (31) verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfrequenz mit der nächstniedrigeren Bezugsfrequenz des Generators (31) verglichen wird.

6. Anordnung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischstufe (32) vorgesehen ist zur Bildung einer Ausgangsfrequenz aus der Differenzfrequenz und der nächstliegenden Bezugsfrequenz, welche mit einem Diskriminator (34) in Verbindung steht, der die Ausgangsfrequenz in analoge Spannungswerte umformt und über Widerstände (38) an ein Analog-Anzeigegerät zur Anzeige der Spannungswerte angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 723 026; belgische Patentschrift Nr. 567 820; französische Patentschrift Nr. 1 206 800.