DE1223180B

DE1223180B - Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE1223180B
Application number: DEV24205A
Authority: DE
Inventors: Paul Salerno
Original assignee: Vapor Corp
Current assignee: Vapor Corp
Priority date: 1962-09-04
Filing date: 1963-06-20
Publication date: 1966-08-18
Also published as: US3232119A; GB985379A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIp

Deutsche Kl.: 42 ο-17

Nummer: 1223 180

Aktenzeichen: V24205IXb/42o

Anmeldetag: 20. Juni 1963

Auslegetag: 18. August 1966

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsmesser mit einem Kapillarrohr, dessen Mittelteil mit Quecksilber und dessen äußere Abschnitte mit Gas gefüllt sind, sowie mit einem Gehäuse aus Isolierstoff und einer Vorrichtung zur Messung der Verschiebung des Quecksilbers bei auftretenden Längsbeschleunigungen.

Derartige Beschleunigungsmesser sind bekannt (siehe z. B. die USA.-Patentschrift 3 024 662).

Die bisher bekanntgewordenen Beschleunigungsmesser dieser Art haben den Nachteil, daß sie verhältnismäßig stark temperaturempfindlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungsmesser zu schaffen, der eine Temperaturkompensation über einen großen Bereich aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Quecksilbermenge im Mittelteil des Kapillarrohrs in bezug auf den Innendurchmesser der äußeren Abschnitte so bemessen ist, daß die Längenausdehnung der Quecksilbermasse sich im wesentlichen direkt mit der absoluten Temperatur des Beschleunigungsmessers ändert.

Durch den neuen Beschleunigungsmesser nach der Erfindung wird infolge der sehr zufriedenstellenden Temperaturkompensation ein beachtlicher technischer Fortschritt erzielt.

Die Masse des Quecksilbers ist mit dem Durchmesser des Kapillarrohres so in Beziehung gesetzt, daß die Länge der Quecksilbersäule sich annähernd direkt mit der absoluten Temperatur verändert. Bei einer von der Temperatur verursachten Erhöhung des Druckunterschiedes am Quecksilber wird dieses daher bei einer gegebenen Beschleunigung von dem Kontakt weiter weggestoßen, während bei der von der Temperatur verursachten Verlängerung der Quecksilbersäule das Quecksilber in ungefähr demselben Ausmaß näher an den Kontakt herangeführt wird.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In der Zeichnung ist die

F i g. 1 eine zum Teil als Längsschnitt gezeichnete schematische Darstellung eines Beschleunigungsmessers nach der Erfindung und die

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Veränderung der Verschiebung des Quecksilber-Trägheitselementes bei einer gegebenen Beschleunigung und bei veränderlichen Temperaturen für einen kompensierten und einen nicht kompensierten Be schleunigungsmesser zeigt.

Die Fig. 1 zeigt einen Beschleunigungsmesser mit gegenüber der Wirklichkeit stark veränderten Proportionen, da das¹ Glas und das Quecksilberelement tatsächlich verhältnismäßig dünn sind und eine Länge Beschleunigungsmesser

Anmelder:

Vapor Corporation, Chicago, JIl. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke und Dipl.-Ing. H. Agular,

Patentanwälte, München 27, Pienzenauer Str. 2

Als Erfinder benannt:

Paul Salerno, Glenview, JIl. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. September 1962
(221132)

von ungefähr 15 cm oder weniger aufweisen sowie den für Kapillarrohre üblichen Durchmesser, während die elektrische Schaltung jeden Umfang und jeden Grad von Kompliziertheit aufweisen kann. Bei der in den Figuren dargestellten, verhältnismäßig einfachen Ausführungsform weist das als Ganzes mit 10 bezeichnete Rohr des Beschleunigungsmessers je einen kapillarförmigen Endteil 11 und 12 und einen in der Mitte gelegenen erweiterten Teil 13 auf. Der Mittelteil und die sich an diesen beiderseits anschließenden Rohrteile enthalten eine Quecksilbermenge 15. Die Enden der kapillarförmigen Rohrteile 11 und 12 sind verschlossen, wodurch die mit einem Gas gefüllten Räume 16, 17 geschaffen werden. Die Quecksilbermenge bewegt sich bis zu einer Stelle, an der in beiden Räumen 16 und 17 der gleiche Gasdruck besteht. Diese Räume werden vorzugsweise so bemessen, daß sie gleich lang sind und das gleiche Volumen aufweisen, so daß die Quecksilbermenge zwischen den Räumen eingemittet wird.

In den erweiterten Teil 13 ist ein elektrischer Leiter 18 eingebettet, der jederzeit in das Quecksilber eintaucht, während mindestens ein weiterer elekirischer Leiter vorgesehen ist (20), der durch die Wandung des Kapillarrohres 11 hindurchgeführt ist und in den gasgefüllten Raum 16 hineinragt. Die elektrischen Leiter sind an einen Stromkreis angeschlossen, der eine Stromquelle 21 und ein Anzeige- oder Aufzeichnungsmittel, im vorliegenden Fall eine Lampe 22, umfaßt. Wird die Quecksilbermenge so weit verschoben, daß sie den Leiter 20 berührt, so

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wird der Stromkreis geschlossen, und die Lampe 22 Um eine benutzbare Gleichung abzuleiten, ist es

brennt. erwünscht, die Druckfunktion aus der Gleichung zu

Wenn gewünscht, kann eine thermische Isolation 25 eliminieren. Die Beziehung PV= mRT stellt das vorgesehen werden. Eine Isolation ist nur dort von Gesetz des vollkommenen Gases dar, und da bei der Nutzen, wo rasche und große Temperaturschwan- 5 beschriebenen Einrichtung V gleich dem inneren kungen auftreten, z. B. in einem Flugzeug, dessen Querschnitt des Kapillarrohres mal der Länge Flughöhe sich rasch ändert. Die Isolation dient nicht zwischen dessen Ende und dem Quecksilber ist, so dem Zweck, eine gegebene Temperatur aufrecht- kann der Ausdruck geschrieben werden:
zuerhalten, sondern sie soll bewirken, daß Temperaturänderungen bei dem Beschleunigungsmesser so lang- io PLA = mRT.
sam erfolgen, daß alle Teile des Meßgerätes die gleiche

Temperatur aufweisen. Muß mit Temperaturen unter- _D1 , , j ■· i_t j _n mRT ,

halb des Gefrierpunktes oder oberhalb des Siede- ^P ^{kann daher} ausgedruckt werden: Ρ = ~_τ]Γ, und

punktes der Flüssigkeitsmenge gerechnet werden, so die Gleichung kann daher geschrieben werden:

können in die Isolation Heiz- oder Kühlelemente 15

eingebettet werden, wobei jedoch nicht die Not- m RT m RT

wendigkeit besteht, die Temperatur genau regeln zu —TTa T~~A—

müssen, da das Trägheitselement lediglich im flüssigen = —— ——- ,

Zustand erhalten zu werden braucht. S L_m W

Um das Verständnis für die Erfindung zu erleichtern, 20

sollen nachstehend die mathematischen Beziehungen und da beide Seiten des Beschleunigungsmessers die

für einen nicht temperaturkompensierten Beschleu- gleiche Menge Gas enthalten und dieselbe Temperatur

nigungsmesser entwickelt werden. Ein solcher Be- aufweisen, so kann die Gleichung wie folgt geschrie-

schleunigungsmesser würde dem in der Fig. 1 dar- ben werden:

gestellten gleichen, mit der Ausnahme, daß der erwei- 25

terte Bezirk 13 fehlen und das Kapillarrohr in der mRT

ganzen Länge denselben Durchmesser aufweisen a A [ L₁ L₂

würde. Unter der Annahme, daß das Quecksilber ^Γ~~ ⁼ L_7nW '

den Mittelteil des Rohres einnimmt und von beiden

abgeschlossenen Enden des Kapillarrohres den 30 Während der Beschleunigung ist die Länge des

gleichen Abstand aufweist, so ist das Volumen des Raumes 16 gleich der ursprünglichen Länge minus

Raumes 16 gleich dem Volumen des Raumes 17, und der Verschiebung, während die Länge des Raumes 17

der Druck im Raum 16 ist gleich dem Druck im gleich der ursprünglichen Länge plus Verschiebung

Raum, so daß die Beziehung P₀ V₀ = P₀' V₀ besteht, ist oder:

wobei der Index »0« anzeigen soll, daß keine 35

Beschleunigung vorliegt. Wird das Rohr in der L₁ = L₀- a

Richtung seiner Achse und in Richtung zum Rohr- ^Jm^

teil 12 beschleunigt, so wird das Quecksilber in den L₂- L₀-\-d,

Raum 16 hineinversetzt, so daß das Volumen des so daß

Raumes 17 größer und das Volumen des Raumes 16 40

kleiner wird. Der Raum 17 weist daher einen ver- _^ 1_ __ 1 L₀ -f- d

minderten Druck P₁ und der Raum 16 einen erhöhten L₁ L₂ L₀- d 1

Druck P₂ auf. Die Kraft oder Masse mal Beschleu- *

nigung, die die Trägheit der Flüssigkeit überwinden

muß, ist gleich der Differenz dieser Drücke mal 45 _ 2 rf

Durchlaßquerschnitt des Kapillarrohres oder: Ll — d²

F = [P₁- Pi)A = Ma. j_st p_er Ausdruck kann daher auch so geschrieben

Die Masse M ist gleich der Länge des Quecksilbers werden:

im Rohr mal dem inneren Querschnitt des Rohres 5° _a mRT Γ ld

mal die Dichte des Quecksilbers und kann wie folgt = —j-=—=- \-yi -™

ausgedrückt werden: ^g AL_mw [ u — a

M = — , Aus dieser Gleichung ist zu ersehen, daß bei anstei-

^ 55 gender Temperatur eine gegebene Beschleunigung eine

wobei g die Massenbeschleunigung ist. Aus den kleinere Verschiebung bewirkt. Es ist ferner zu ersehen,

beiden Ausdrücken kann daher die Gleichung auf- daß bei längerer Quecksilbersäule eine gegebene

gestellt werden: Beschleunigung eine größere Verschiebung bewirkt.

Lm A Wa Bei der vorliegenden Erfindung wird die Eigenschaft

'* ~ ²^ ⁼ g 60 des Quecksilbers ausgenutzt, sich mit der Temperatur

auszudehnen. Die Masse des vorhandenen Queckoder, wenn A auf beiden Seiten der Gleichung Silbers, die von der Größe der Blase 13 bestimmt wird, gestrichen und die Beziehung in Ausdrücken der wird so bemessen, daß die Ausdehnung des Queck-Beschleunigung pro Schwerkrafteinheiten ausgedrückt silbers bewirkt, daß L_m oder die Länge des Queckwird: 65 silbers im Rohr sich direkt proportional mit der a P₁-P₂ Temperatur vergrößert. Ändert sich also die Ver- ~~g~ ~ —Z—W—' Schiebung auf Grund der Beschleumgung infolge der ^m Temperatureinwirkung auf den Druckunterschied, so

ändert die Länge des Quecksilberelementes auf Grund der Temperatur die Verschiebung in der entgegengesetzten Richtung und ungefähr in dem gleichen Ausmaß, wodurch der nachteilige Effekt kompensiert wird.

Dieser nachteilige Temperatureffekt ist in der F i g. 2 graphisch dargestellt. Auf der Abszisse sind die Temperaturgfade in Fahrenheit und Celsius angegeben, während auf der Ordinate die Beschleunigung in g aufgetragen ist, die erforderlich ist, um das Quecksilber über eine gegebene Strecke d zu verschieben. Bei einem herkömmlichen Beschleunigungsmesser verändert sich der Druckunterschied am Quecksilber an einer gegebenen Stelle der Verschiebung direkt mit der Temperatur. Die unterbrochene Linie 30 liegt parallel zur Abszisse und bei 40 g oberhalb dieser. Die Linie 32 zeigt, daß die zum Bewirken einer gegebenen Verschiebung erforderliche Beschleunigung sich linear mit der Temperatur verändert. Je weiter die Temperatur sich von der Temperatur entfernt, bei der das Gerät geeicht wurde, desto größer wird der Fehler.

Bei dem Beschleunigungsmesser nach der Erfindung wird eine Kurve 33 erhalten, wobei das sich ausdehnende Quecksilber den vergrößerten Druckunterschied kompensiert. Es besteht keine lineare Beziehung zwischen der Genauigkeit und der absoluten Temperatur, sondern es wird eine flache, fast waagerechte parabolische Kurve 33 erhalten, die sich sehr stark einer geraden Linie annähert. Hieraus ist zu ersehen, daß innerhalb sehr weiter Temperaturbereiche die Beschleunigung, die eine gegebene Verschiebung bewirkt, ungefähr dieselbe ist, so daß der Beschleunigungsmesser so geeicht werden kann, daß er genau die ermittelte Beschleunigung anzeigt.

Nachstehend wird als ein Ausführungsbeispiel ein nach der Erfindung gebauter Beschleunigungsmesser beschrieben.

Das Kapillarrohr des Beschleunigungsmessers weist eine Gesamtlänge von 12,5 cm auf. Es ist mit einer (unten genau angegebenen) Menge Quecksilber gefüllt, die in der eingemitteten Lage an jeder Seite einen 5 cm langen gasgefüllten Raum stehenläßt. Das Kapillarrohr weist einen Durchmesser von 0,2 mm auf, während jeder der Gasräume mit Luft unter einem Druck von 8050 g/cm² absolut gefüllt ist. In der Mitte des Rohres ist ein mit Quecksilber gefüllter Raum mit einem Volumen von 0,006 cm³ vorgesehen. Dieser Raum kann jede gewünschte Verteilung des Durchmessers und Länge aufweisen, solange die Länge den Wert von 25 mm nicht überschreitet, wobei typische Werte hierfür eine Länge von 3,2 mm und ein Durchmesser von 2,5 mm sind.

Für den soeben beschriebenen Beschleunigungsmesser zeigt die F i g. 2 die Kurve Temperatur gegen Beschleunigung, die zum Bewirken einer gegebenen Verschiebung erforderlich ist. Bei einer Temperatur von — 54°C bewirkt eine Beschleunigung von 40 g eine gegebene Verschiebung, bei einer Temperatur von +21⁰C ist eine Beschleunigung von 42 g erforderlich, um dieselbe Verschiebung zu bewirken, während bei einer Temperatur von +121⁰C eine Beschleunigung von 39 g erforderlich ist. Ein herkömmlicher Beschleunigungsmesser ohne die temperaturkompensierenden Form der Quecksilbermasse nach der Erfindung mit denselben, oben angegebenen Abmessungen mit Ausnahme der Blase im Quecksilberteil weist die in der Fig. 2 gleichfalls graphisch dargestellten Merkmale auf. Bei einer Temperatur von —54°C bewirkt eine Beschleunigung von 32 g dieselbe gegebene Verschiebung, während hierfür bei +21⁰C eine Beschleunigung von 42 g und bei +121⁰C eine Beschleunigung von 56 g erforderlich ist.

Aus dem Obenstehenden ist zu ersehen, daß der kompensierende Beschleunigungsmesser nach der Erfindung über einen sehr großen Temperaturbereich hinweg (größer als —47 bis +121⁰C) bei einer gegebenen Beschleunigung eine im wesentlichen gleichbleibende Verschiebung bewirkt, während ein herkömmlicher Beschleunigungsmesser mit den gleichen Abmessungen, jedoch ohne Temperaturkompensation, nach der Erfindung innerhalb desselben Temperaturbereichs um fast 100 % von der Genauigkeit abweicht.

Claims

Patentanspruch:

Beschleunigungsmesser mit einem Kapillarrohr, dessen Mittelteil mit Quecksilber und dessen äußere Abschnitte mit Gas gefüllt sind, sowie mit einem Gehäuse aus Isolierstoff und einer Vorrichtung zur Messung der Verschiebung des Quecksilbers bei auftretenden Längsbeschleunigungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Quecksilbermenge im Mittelteil des Kapillarrohres in bezug auf den Innendurchmesser der äußeren Abschnitte so bemessen ist, daß die Längsausdehnung der Quecksilbermasse sich im wesentlichen direkt mit der absoluten Temperatur des Beschleunigungsmessers ändert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 3 024 662

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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