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Einrichtung zur Messung de-r-R-elativbewegung zwischen einem mit einem
Körper verbundenen Behälter und einer trägen Masse Die Erfindung bezieht sich auf
eine Einrichtung zur Messung der Relativbewegung -zwischen einem mit einem Körper
verbundenen Behälter und einer trägen Masse, die in dem Behälter -mitHilfe einer
Energiequelle berührungslos in einer Bezugslage gehalten ist.
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Zur Erfassung von Bewegungen, wie Verschiebungen, Geschwindigkeiten
oder Beschleunigungen werden Einrichtungen verwendet, bei denen ein elektisches
Ausgangssignal erzeugt wird, dessen Größe von der Eigenart der Bewegungen abhängt
und außerdem auf die Bewegungsrichtung oder den- Drehsinn abgestimmt ist. Zum Beispiel
kann die Abweichung eines Körpers von einer bestimmten Bahn die auf ein besonderes
Koordinatensystem bezogen ist, dadurch bestimmt werden, daß die Beschleunigung des
Körpers während seiner Bewegung auf der Bahn ermittelt wird. Außerdem kann man mit
solchen Einrichtungen seismische Untersuchungen, Materialprüfungen für Flüssigkeiten
und Trägheitsnavigationen durchführen.
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Es ist bekannt, die träge Masse von Beschleunigungsmessem berührungslos
mit Hilfe von pneumatischen, magnetischen oder elektrostatischen Mitteln im Gleichgewicht
zu halten. So ist durch die deutsche Auslegeschrift 1 137241 ein Beschleunigungsmeßgerät
mit einem Trägheitskörper bekanntgeworden, der in einem Gehäuse frei beweglich mittels
Gasdrucklagern gestützt ist. Obwohl bei derartigen Gasdrucklagern die Lagerreibung
sehr gering gehalten werden kann, kann sie nicht auf Null reduziert werden, so daß
Meßfehler, insbesondere in Form von Schwellwertfehlern, auftreten. Aus der USA.-Patentschrift
2695 165 ist es bekanntgeworden, die Trägheitskräfte der Masse durch magnetische
Kräfte zu kompensieren. Ungünstig für höchste Genauigkeit ist hier die Nichtlinearität
und Hysterese magnetischer Stoffe. Schließlich ist aus der deutschen Auslegeschrift
1 965 ein Beschleunigungsmesser und Integrator bekanntgeworden, bei dem die zu messenden
Beschleunigungskräfte durch Kräfte kompensiert werden, die auf elektrostatischem
Weg zwischen der Meßmasse und einem Gefäß erzeugt werden. Bei dieser Art der Aufhängung
der trägen Masse treten - wie übrigens auch bei der magnetischen Aufhängung - Flußerscheinungen
in der Aufhängung auf, die merkliche Fehler verursachen, welche nicht ohne weiteres
ausgeglichen werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen,
die mit einer Stützung des Meßelements arbeitet, die im wesentlichen frei von $chwellwert-,
Hysterese- und Fluß erscheinungen ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Behälter ein kompressibles Medium
enthält, in dem mittels der Energiequelle ein Ultraschallfeld erzeugt ist, in dessen
entgegengesetzt zueinander liegenden Bereichen mit gleichem negativem Druckgradienten
in der Bezugslage der Energiequelle zugekehrte Oberflächenabschnifte der trägen
Masse vorgesehen sind.
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Das Zusammenwirken der irägen Masse in dem kompressiblen Medium mit
dem vorzugsweise diverganten Schallfeld kann so gesteuert werden, daß dadurch der
im Zeitmittel auftretende Druckgradient auf Grund der nichtlinearen Einstellung
des Schallfeldes abgewandelt wird. Dadurch werden an der trägen Masse Kräfte entwickelt
welche gewöhnlich diese in einer Bezugs- oder Null-Lage halten. Bei Verrückung aus
der Bezugs- oder Null-Lage ändern sich die Kräfte an der trägen Masse und neigen
dazu, diese in die Null-Lage zurückzuführen. Die dabei erzeugten Kräfte hängen dementsprechend
in ihrer Größe von der Größe der relativen Bewegung zwischen der trägen Masse und
einer Bezugsstellung ab.
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Dadurch ergibt sich eine akustische, federartige Abstützung, die frei
von den Nachteilen der bekannten Vorrichtungen ist.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Einrichtung nach
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bezüglich der sich mit der
Erfassung der Abweichung der trägen Masse von ihrer Bezugslage befassenden Ansprüche
ist darauf
hinzuweisen, daß es aus der USA.-Patentschrift 2695 165
bekannt ist, die Bewegung einer trägen Masse optisch abzutasten, und daß es aus
der deutschen Patentschrift 966 854 bekannt ist, Drehbewegungen mit Hilfe von Licht
polarisierenden Vorrichtungen abzutasten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich nachfolgend in Zusammenhang
mit den Zeichnungen. Es zeigt F i g. 1 eine schaubildliche Darstellung einer Einrichtung
nach der vorliegenden Erfindung an einem Körper, dessen Bewegung ermittelt werden
soll, Fig. 1 A eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, F i g. 1 B die Kurve eines Teiles eines im Zeitmittel sich ergebenden,
in der Vorrichtung nach F i g. 1 A erzeugten Druckfeldes, Fi g. 1 C eine isometrische
Darstellung eines Teiles der Vorrichtung nach F i g. 1 A, Fig. 1D eine weitere Ausführungsform
der Vorrichtung nach der Erfindung zum Messen von Beschleunigungen, Fig. 1E eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen von Drehbewegungen, Fig. 1F eine abgewandelte
Ausführungsform der Vorrichtung nach F i g. 1 E, Fig. 1G die abgewandelte Form eines
Teiles der Einrichtung nach F i g. 1 E, Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, F i g. 3 einen Querschnitt durch die Vorrichtung
nach F i g. 2 entlang der Linie 3-3, F i g. 4 eine schaubildliche Darstellung einer
kombinieten, als Flüssigkeitsbehälter und Ultraschallerzeuger dienenden Vorrichtung,
in welcher ein piezoelektrisch aktiver Kristall in einer Flüssigkeitsmenge schwebt,
Fig.5 eine schaubildliche schematische Darstellung der zur Ermittlung von Richtungsabweichungen
dienenden Vorrichtung, die in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet
wird, Fig. 6 einen senkrechten Schnitt durch eine abgewandelte Form der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung, F i g. 7 die Ansicht eines Längsschnittes durch eine
weitere Ausführungsform, F i g. 8 einen Querschnitt durch die Ausführungsform nach
F i g. 7 entlang der Linie 8-8, F i g. 9 eine Teildarstellung in Seitenansicht des
senkrecht einstellbaren Lampengehäuses nach F i g. 7 F i g. 10 einen Längsschnitt
durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
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Zur Erläuterung des bei Erfassung von Bewegungen auftretenden Problems
wird zunächst auf F i g. 1 Bezug genommen. Falls der Körper A sich entlang einer
gegebenen Bahn bewegt, kann irgendeine Abweichung von dieser Bahn als Drehabweichung
aufgefaßt werden, die durch Komponenten entlang den drei Achsen X, Y und Z wiedergegeben
wird.
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Die Aufhängung eines bewegungsermittelnden Elementes wird kritisch,
wenn eine hohe Auflösung erforderlich ist. Federsysteme unterliegen z. B. Temperaturschwankungen.
Mit Lageranordnungen arbeit tende Aufhängungen sind mechanischen Abnutzungen unterworfen
und weisen Schwellenwerte auf.
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Andere zum Stand der Technik gehörige Vorrichtungen sind durch das
Auftreten von Flußerschelnungen in der Aufhängung oder in dem Element
selbst gekennzeichnet.
Als Beispiel wird die Aufhängung einer magnetischen Masse in einem Magnetfeld angeführt.
Der Fluß gerichteter elektrischer Ströme, welcher mit der Aufhängung verbunden ist,
verursacht merkliche Fehler, die nicht ohne weiteres ausgeglichen werden können.
Die Stützung einer seismischen Masse in einem strömungsfähigen Medium mittels des
Strömungsmittelflusses führt ebenfalls zu nicht berechenbaren Fehlern.
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Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von den bekannten Vorrichtungen
dadurch, daß sie mit einer Stützung des Meßelementes arbeitet, die im wesentlichen
frei von Schwellenwerteinflüssen und Hysterese ist, wobei die gewöhnlich bei den
bekannten Vorrichtungen mit Flußerscheinungen verbundenen Beschränkungen im wesentlichen
vermieden sind.
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Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Ermittlung von Bewegungen
vor, welche mit der federnden Abstützung einer seismischen Masse in einem kompressiblen
Medium arbeitet, in welchem ein divergentes Schallfeld erzeugt wird. Das Zusammenwirken
der seismischen Masse in dem kompressiblen Medium mit dem divergenten Schallfeld
kann so gesteuert werden, daß dadurch der im Zeitmittel auftretende Druckgradient
auf Grund der nichtlinearen Einstellung des Scballfeldes abgewandelt wird. Dadurch
werden an der seismischen Masse Kräfte entwickelt, welche gewöhnlich. diese in einer
Bezugs- oder Null-Lage zurückhalten. Bei Verrückung aus der Bezugs-oder Null-Lage
ändern sich die Kräfte an der seismischen Masse und neigen dazu, diese in die Null
Lage zurückzuführen. Die dabei erzeugten Kräfte hängen dementsprechend in ihrer
Größe von der Größe der relativen Bewegung zwischen der seismischen Masse und einer
Bezugsstellung ab. Dadurch ergibt sich eine akustische federartige Abstützung, die
frei von den beschränkenden Wirkungen der bekannten Vorrichtungen ist.
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Bei einer ersten Ausführungsform ist ein Beschleunigungsinesser 210
(F i g. 1 A) auf einem Körper A (Fig. 1) angeordnet, um dessen Beschleunigung zu
ermitteln. Der Beschleunigungsmesser 210 weist ein verhältnismäßig flaches, schalenförmiges
Gefäß 211 auf, welches eine kompressible Flüssigkeit212 enthält. Ein Sockel 213
ist koaxial innerhalb des Gefäßes 211 auf dessen Boden angeordnet und trägt einen
zylindrischen elektroakustischen Wandler 214.
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Der Wandler 214 ist auf einer Schulter am oberen Ende des Sockels
213 angeordnet, der sich in das Bodenende des Wandlers 214 hineinerstreckt. Der
Sockel 213 kann aus einem Teflonzylinder bestehen, durch den hindurch ein Paar Kanäle215
und 216 führen. Elektrische Leiter 215 a und 216 b führen von den Anschlüssen 217
und 218 durch die Kanäle 215 und 216 und stellen elektrische Anschlüsse für die
äußere und innere Elektrode des Wandlers 214 her.
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Der Wandler 214 ist ein verhältnismäßig kurzer Zylinder aus elektrostriktivem
keramischem Material. In der hier beschriebenen Ausführungsform hat der Wandler
einen äußeren Radius von 1,256 cm und eine Wandstärke von 0,31 cm bei einer Höhe
von 1,256 cm.
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Ein starrer Zylinder 219 mit einer äußerst dünnen Wandung ist konzentrisch
zum Sockel 213- angeordnet und reicht bis über den oberen Rand des Wandlers 214
hinaus. Der Zylinder 219 dient als Strömungsfilter, um die Endflächenwirkungen des
Wandlers 214 auszuschalten oder auf ein Kleinstmaß zu
verringern.
Der Zylinder 219 ist auf einer Schulter am unteren Ende des Sockels 213 angeordnet.
Trotz der Wirkung als Strömungsfilter hat der Zylinder 219 im Bereich von Ultraschallfrequenzen
keinen nennenswerten Einfluß auf die Übertragung von Schallwellen nach außen durch
das Medium 212.
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Ein geometrischer fester Körper in Gestalt eines kurzen, dünnwandigen
Zylinders oder Ringes 220 ist in die Flüssigkeit 212 eingetaucht und umgibt den
antreibenden Wandler 214, der konzentrisch zum Ring liegt. Der Ring 220 kann aus
mit Bichromat behandeltem Magnesium bestehen und eine Dichte von 2,1 aufweisen.
Die Flüssigkeit 212 kann eine Mischung aus Tetrabromäthan und m-Bromtoluol sein,
wobei die Dichte etwas größer als 2,1 ist, so daß der Ring 220 einen leichten Auftrieb
hat. Der Massenunterschied zwischen dem Ring 220 und dem verdrängten Strömungsmittel
stellt die seismische Masse des Beschleunigungsmessers dar.
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Die Vorrichtung zur Bestimmung der Bewegung des Gefäßes 211 gegenüber
dem Ring 220 enthält eine Lichtquelle 221, die in einem Gehäuse 222 eingeschlossen
ist, welches mit einem Paar Schlitzen versehen ist, um eine Lichtausstrahlung auf
den Wegen 223, 224 zu ermöglichen. Wenn der Ring 220 konzentrisch zum Wandler 214
liegt, fallen die an der oberen gebogenen Fläche des Ringes 220 reflektierten Lichtstrahlen
auf die Nullstellungen der Skalen 225 und 226. Eine Bewegung des Gefäßes 211 nach
rechts oder nach links verursacht eine Verschiebung der Reflektionen auf den Skalen
225 und 226. Eine gewisse Vergrößerung wird durch die Krümmung der oberen Fläche
verursacht. Damit ist ein Mittel zur Bestimmung oder Messung der Relativbewegung
zwischen dem Ring 220 und dem Wandler 214 geschaften.
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Die Lichtquelle 221 und die Skalen 226 und 225 werden gegenüber dem
Gefäß 211 in fester Lage gehalten, so daß alle Teile der Vorrichtung mit Ausnahme
des Ringes 220 feststehen.
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Die von den Anschlüssen 217 und 218 ausgehenden Leiter 227 und 228
sind an die Ausgangsklemmen einer Antriebs- oder Hochfrequenzspannungserzeugungsvorrichtung
230 angeschlossen. Die Vorrichtung230 erregt den Wandler 214 zu einer Gehäuseresonanz.
Dadurch wird eine stehende Welle in dem Medium 212 erzeugt, Das aus den oben beschriebenen
Bestandteilen zusammengesetzte Medium 212 ist kompressibel. Das durch den Wandler
214 erzeugte Feld ist ein divergentes Feld. Unter diesen Bedingungen wird ein Zeitmitteldruckfeld
innerhalb des Mediums entwickelt. Dieses Druckfeld beruht auf der nichtlinearen
Ausrichtung des akustischen Wechselfeldes, das von dem Wandler 214 erzeugt wird.
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Das im Zeitmittel vorhandene Strahlungsdruckprofil wird nach der
Erfindung ausgenutzt; dadurch sind Kräfte ausreichender Größe vorhanden, um eine
vom Ring 220 dargestellte seismische Masse zu stützen und anzuhalten. Im einzelnen
kann von den Annahmen ausgegangen werden, daß 1. die Flüssigkeit in dem Gefäß 211
eine vernachlässigbare Viskosität aufweist, 2. die Strömung ausgefiltert ist und
3. die akustische Störung sich durch Zusammenwirken mit dem starren Körper 220 ergibt.
Die Bewegungsgleichung kann dann wie folgt ausgedrückt werden:
worin e die Dichte der Flüssigkeit 212 ist, dvf dt das Ausmaß der Teilchengeschwindigkeitsänderung
mit Bezug auf die Zeit ist, und #P #xi den Druckgradient im Medium 212 als Funktion
der Entfernung xi darstellt.
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Die Gleichung für die Erhaltung der Masse lautet: xt at--f -(v=0.
(2) Hier ist #P #t die Druckänderung mit der Zeit und a - VI) der Dichte-Geschwindigkeitsgradient.
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Auf Grund der vorstehenden Annahmen und der Gleichungen (1) und (2)
kann gezeigt werden, daß der Überschußdruck P im Zeitmittel innerhalb des Mediums
ist, wobei c die Phasengeschwindigkeit des Lichtes ## in der Flüssigkeit 212 ist,
physikalisch einen #t Überschußdruckzuwachs darstellt, da die Druckwellen durch
das kompressible, nichtlineare Medium 212 hindurchgeleitet werden. (Dies bedeutet,
daß eine Druckstörung, welche in einer Sinusbeziehung zeitabhängig ist, der Dichte
des Mediums eine Sinus-Zeit-Abhängigkeit aufprägt. Das momentane Produkt aus Dichte
und Druck enthält dann einen Ausdruck, der als (sin2 w t) ausgedrückt werden kann
und ein Zeitmittel erzeugt.) Vç gibt die Tatsache wieder, daß Teilchen des Mediums
eine Geschwindigkeit auf Grund der Kräfte erworben haben, die auf die Teilchen vom
Druck her einwirken. (Da der Druck selbst eine zeitlich ausgerichtete Komponente
aufweist, gilt das auch für die Teilchengeschwindigkeit, so daß tatsächlich Vt =
1" ist.) (n ¢)2 ist das Quadrat der Teilchengeschwindigkeit.
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Unter Benutzung der Gleichung (3) und bei Einsetzung der erforderlichen
Grenzbedingungen für eine Zylinderwelle lassen sich die folgenden unterscheidenden
Merkmale mit Bezug auf die Druckwelle feststellen: 1. eine Zylinderwelle ändert
ihre Form bei Abgang von der Quelle 220 und läßt einen Nachstrom hinter sich.
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2. Der Zeitmitteldruck und damit die Kraft an der Grenze hängt von
dem Quadrat des Druckes ab; der von der Quelle erzeugt wird.
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Für eine Zylinderwelle in dem System nach Fig. 1 A und einer Frequenz
von 704 kHz ist das Zeitmitteldruckfeld in F i g. 1 B aufgetragen. Der Druck an
den inneren Grenzen des Zylinders 220, dividiert durch den Druck an der Außenfläche
des Wandlers 214, ist als Ordinate gegen eine Abszisse
aufgetragen,
welche - durch den Radius der Begrenzung ausgearückt ist, d. h. den Radius der Innenfläche
des Ringes 220. Der Maßstab der F i g. 1 B ist stark überhöht und zeigt nur einen
Teil der Zone zwischen dem Wandler 214 und der Wandung des Gefäßes 211, so daß die
Ausbildung des Feldes unmittelbar anschließend an die Wandungen des Wandlers 214
verständlich wird. Das Feld ist zylindrisch und daher symmetrisch mit Bezug auf
die Achse der Vtorrichtung 210. Die von gegenüberliegenden Seiten des Wandlers gebildeten
Flächen werden durch senkrechte Linien214a und 214 b dargestellt. Die dargestellten~Werte
gelten für den Fall, in welchem der Wandlerradius 1,256 cm beträgt. Das Verhältnis
des Druckes an der Grenze zum Druck an der Quelle ändert sich periodisch und gibt
die nichtlineare Ausrichtung des Schallfeldes wieder, das unter demEinfluß der oben
erörterten quadratischen Funktion steht.
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Der Radius des Ringes 220 ist derart, daß der Betrieb in einem stabilen
Bereich abläuft. Die Kurven der F i g. 1-B sind so aufgetragen, daß sie den Druckgradienten
oder das Strahlungsdruckprofil für verschiedene Werte des -Grenzradius, d. h. des
inneren Radius- des Ringës 214 wiedergeben Falls der Grenzrfadius: gleich dem Quelienradius
ist, ist der Druck an ger Grenze der gleiche wie an der Quelle, da die beiden am
gleichen Punkt liegen. Mit Vergrößerung des Grenzradius steigt jedoch der Druck,
wie aus dem Anstieg fii den Zonen -231 und 232 hervorgeht. Bei einem Grenzradius
von 1,3 cm erreicht das Druckprofil ein Maximum, woran sich die Abschnitte 233 und
234 des Profils mit einem Abfall anschließen.
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DasDrui3kprofil verläuft dann durch Minima 235 und 236. bei etwa 1,36
cm. Anschließend folgen Abschnitte mit Anstieg 237 und 238, an die sich abtaUénde
Abschnitte 239 anschließen.
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Falls ein Ring 220 mit einem Innenradius über 1,3 - und unter 1,36
cm gewählt wird, befindet sich dieser in einem stabilen Betriebsbereich. Das heißt,
falls der Ring Flächen hat, die durch die Linien 240 und 241 dargestellt,;werden,
nimmt der Druck auf die Fläche 241 bei einer Bewegung ab, welche den Zwischenraum
zwischen den Flächen 241 und 214 a zu vergrößern und den Zwischenraum zwischen den
Flächen 240 und 214 b zu verringern sucht. Zur gleichen Zeit bewegt sich die Fläche
240 in einen Bereich höheren Drucks hinein. Dies- führt dazu, den Ring mit den Flächen
240, 241 in eine Stellung zurückzubringen, die mit Bezug auf die Fläche 214 a, 214
b symmetrisch ist. Ein Ring würde auch in einem stabilen Bereich arbeiten, wenn
er einen Radius über 1,42 und unter 1,48 cm aufweist. Eine Reihe von stabilen Arbeitsbereichen
kann experimentell mit Ringen von fortschreitend wachsendem Radius vom Mittelpunkt
des Wandlers 214 aus ermittelt werden.
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Die Größe der Rückstellkraft kann in jedem Fall durch die Größe der
Kraft gesteuert werden, die von dem Wandler 214 in akustische Energie umgesetzt
wird, sowie mittels des Arbeitspunktes, der in dem auf das Zeitmittel bezogenen
Feldprofil ausgewählt ist.
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Es ist wichtig, daß die Kräfte,' welche den Ring 220 zu halten suchen,
unabhängig von der Strömung sind. Innerhalb des Ringes 220 ist kein elektrischer
fluß, d. h. kein Fluß elektrischer Ströme vorhanden.
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Außerdem ist der Betrieb in dem von Kurven der F i g. 1 B -dargestellten
Feld nicht durch Strömungsmittelfuß im Medium 212 begleitet. Damit sind in
der Vorrichtung
nach der Erfindung die wesentlichen Beschränkungen ausgeschaltet, welche in den
bekannten Vorrichtungen vorhanden sind. Im einzelnen ist festgestellt worden, daß
das Drehmoment am Ring 220 etwas weniger als 10-õ dyncm beträgt und in einem Bereich
von 10-s bis 10-7 dyncm liegen kann.
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Die Bedeutung dieser Werte geht daraus hervor, daß bei den gegenwärtig
vorhandenen Vorrichtungen zum Messen von Drehverrückungen der den Systemen innewohnende
Drehmomentswert drei bis vier Größenordnungen über demjenigen nach der Erfindung
liegt. Zum Beispiel sind Drehmomente in der Größenordnung von 10-3 dyncm bei den
bestehenden Meßvorrichtungen sehr hinderlich. Nach der Erfindung ist, wie im Zusammenhang
mit F i g. 1 A beschrieben wurde, eine Vorrichtung zum Bestimmen von Beschleunigungen
des schwebenden Körpers in einer X-Z-Ebene geschaffen worden. Wie noch beschrieben
wird, sind Mittel vorgesehen, um die Drehung des schwebenden Elementes 220 im Inertialraum
zu bestimmen. Zum Beispiel wenn das Gefäß 211 gegenüber der Erde feststeht, welche
mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,1400 pro Minute rotiert, bleibt der Ring-220
im Inertialraum fest, so daß, falls kein Ausgleich vorgesehen ist, eine Drehverrückung
des Ringes 220 gegenüber dem Gefäß 211 auftritt.
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An Stelle einer Relativdrehung zwischen Ring 220 und Gefäß 211 kann
das Gefäß 211 abhängig vom Ring gehalten werden. Die Einstellungen, die erforderlich
sind, um den Ring 220 in fester Beziehung nicht allein im Inertialsystem, sondern
auch innerhalb des Gefäßes 211 zu halten, werden dann gemessen, um die Größe und
die Geschwindigkeit der Drehverschiebung anzuzeigen.
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Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines divergenten
Schallfeldes in einem kompressiblen Medium, d. h. einem Medium, das durch eine druckabhängige
Dichte gekennzeichnet ist. Eine stehende Welle' wird zwischen der Schallquelle und
einem geometrischen festen Körper in dem Feld unterhalten. Das Bild der stehenden
Welle wechselt. Die nichtlineare Ausrichtung dieses Feldes erzeugt im Zeitmittel
Kraftfelder, welche zur Stützung des festen Körpers mit einer regelbaren federartigen
Kraft, jedoch ohne merkliches Drehmoment dienen. Mit Ausnahme der von der Endfläche
des Quellenzylinders erzeugten Wirkungen ist in dem Feld keine- Strömung vorhanden,
weder ein Vektorstrom noch ein Strömungsmittelstrom.
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Obwohl die Vorrichtung nach den Fig. 1 A und 1C stark vereinfacht
ist, ist sie im Betrieb außerordentlich stabil und kann deshalb für die Messung
von Beschleunigungen und Drehabweichungen verwendet werden.
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In Fig. 1 D ist eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt, mit
welcher z. B. die Beschleunigung eines Körpers ermittelt werden kann, auf welchem
die Vorrichtung angeordnet ist. Im einzelnen ist ein zylindrisches Gehäuse 250 vorgesehen,
das durch Deckel 251 und -252 an den Enden verschlossen ist.
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Der obere Deckel 251 hält einen umgekehrten, isolierenden Sockel 253,
der seinerseits einen kurzen zylindrischen Wandler 254 trägt. In gleicher Weise
trägt der untere Deckel 252 einen zylindrischen Sokkel 255, der seinerseits einen'
kurzen zylindrischen Wandler 256 trägt. Die Wandler 254 und 256 sind in dem Gehäuse
koaxial angeordnet. lm Mittelabschnitt des Gehäuses reichen ein Paar isolierender
Ansätze
260 und 261 in das Gehäuse hinein und dienen als Träger
für einen kugelförmigen Wandler 262. Der Wandler 262 ist vorzugsweise im geometrischen
Mittelpunkt des Gehäuses 250 angeordnet. Ein in dem Gehäuse gelagertes Element enthält
eine seismische Masse und weist eine kugelförmige Schale 263 auf, die mit zylindrischen
Ansätzen 264 und 265 versehen ist, welche angenähert den gleichen Radius wie die
Schale 263 haben. An der Verbindungsstelle zwischen den zylindrischen Ansätzen 264
und 265 und der Schale 263 sind ein -Paar Öffnungen 266 und 267 vorgesehen, welche
den Durchtritt der Ansätze 260 und 261 ermöglichen. Die Schale 263 und die Ansätze
264 und 265 sind symmetrisch mit Bezug auf die Längsachse 250a des Gehäuses 250.
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Das Gehäuse 250 ist mit einem kompressiblen, schallübertragenden
Medium, wie z. B. mit der im Zusammenhang mit F i g. 1 A beschriebenen Flüssigkeit,
gefüllt. Die darin angeordnete Masse M hat einen leichten Auftrieb in der Flüssigkeit.
Ein Metallring 270 ist am oberen Ende des Zylinders 264 angeordnet und liegt einem
-zweiten Metallring 271 gegenüber, der an der Innenseite des Deckels 251 angeordnet
ist. In gleicher Weise ist ein Ring 272 am Ende des zylindrischen Ansatzes 265 angeordnet
und einem Metallring 263 zugekehrt, der an der Innenseite des Deckels 252 angeordnet
ist.
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Die in dieser Weise aufgebaute Vorrichtung kann bei - richtiger Betätigung
zum Bestimmen von Beschleunigungen entlang der Achse 250a dienen.
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Die Masse M ist seitlich in dem Gehäuse 250 durch ein Paar verhältnismäßig
starker zylindrischer Schallfelder angehalten. Der Bewegung der Masse M entlang
der Achse 257 wirken die Änderungen in einem verhältnismäßig wenig starken sphärischen
Schallfeld entgegen. Zusätzlich werden zylindrische Schallfelder durch Erregung
der Wandler 254 und 256 von einer Quelle 275 aus erzeugt, wodurch der Bewegung der
Masse entlang der Achse 257 entgegengewirkt wird. Die Leitung 254 a geht von der
Quelle 275 zum Wandler 254 und erregt diesen zur Erzeugung zylindrischer Wellen,
wie im Zusammenhang mit Fig. 1 A erklärt worden ist. In gleicher Weise führt die
Leitung 256 a von der Quelle 275 zum Wandler 256 und erregt diesen zur Erzeugung
eines zweiten Schallfeldes.
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Die von den Wandlern 254 und 256 erzeugten Schallfelder wirken mit
den Enden der Zylinder 264 und 265 zusammen, um diese in einer Stellung zu halten
die im wesentlichen festliegt, wodurch irgendeiner Relativbewegung quer zur Längsachse
250 a entgegengewirkt wird. Die von den Wandlern 254 und 256 erzeugten Felder weisen
eine hohe Intensität auf, so daß sich eine hohe Federkonstante ergibt, welche die
Zylinder 264 und 265 koaxial innerhalb des Zylinders 250 hält. Das Schallfeld hat
im wesentlichen den gleichen Charakter wie in Fig. 1B dargestellt, wobei der Radius
dc dem Radius des treibenden Zylinders nach F i g. 1 B entspricht. Die Strecke bs
gibt den Radius der zylindrischen Zwischenfiäche innerhalb des Schallfeldes wieder,
d. h. der Flächen 214 a und 214 b. Auf diese Weise wird der Zylinder in einer festen
seitlichen Stellung durch ein Aufhängesystem gehalten, das keine Hysterese oder
Schwellenwirkungen aufweist.
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Die Bewegungen des Gehäuses 250 gegenüber der schwebenden MasseM
wird durch Änderungen in der elektrischen Kapazität zwischen den Ringen 270
und 271
und zwischen den Ringen 272 und 273 ermittelt. Das Feld, welches der relativen Bewegung
in Richtung der Achse 250 a entgegenwirkt, wird durch Erregung des kugelförmigen,
schalenartigen Wandlers 262 hergestellt. Der Wandler 262 ist an den Ausgang eines
Antriebsoszillators 280 über die Leitung 281 angeschlossen. Die Antriebsvorrichtung
280 kann in Praxis die gleiche wie die Vorrichtung 275 sein, wobei in den Anschlüssen
für die einzelnen Wandler geeignete Regler für die Stärke eingeschaltet sein können.
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Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Erregerkreis einen
Oszillator 282 auf, der durch einen Transformator 283 an eine erste Gegentaktverstärkerstufe
284 und danach über einen Transformator 285 an eine zweite Gegentaktverstärkerstufe
286 angeschlossen ist. Der Verstärker 286 wirkt als Leistungsverstärker, der einen
Ausgangstransformator 287 erregt, welcher die Erregungsspannung auf den Wandler
262 überträgt. Das von der Kugelschale 262 erzeugte Schallfeld ist zwar sphärisch,
hat jedoch im wesentlichen den gleichen Charakter wie in F i g. 1 B für das zylindrische
Feld dargestellt. Das sphärische Feld wird so gesteuert, daß eine relative Bewegung
zwischen der Masse M und der Schale 262 in Richtung der Achse 250a innerhalb eines
Bereiches möglich ist, der von dem Bereich der zu messenden Beschleunigungen abhängt.
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Wenn die Masse M sich axial gegenüber dem Gehäuse 250, z. B. auf
Grund einer abwärts gerichteten Beschleunigung des Gehäuses 250 bewegt, verringert
sich der Zwischenraum zwischen den Ringen 270 und 271, während der Zwischenraum
zwischen den Ringen 272 und 273 sich zu vergrößern sucht. Die aus den Ringen 270,
271 und 272, 273 bestehenden elektrischen Kapazitäten sind verhältnismäßig klein.
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Sie können so angesehen werden, als ob sie in Reihe mit einem größeren
Kondensator geschaltet sind dessen eine Platte die Wände der Zylinder 264 und 265
umfaßt. Die zweite Platte des größeren Kondensators enthält die Wandung des Gehäuses
250. Das Gehäuse 250 ist im Punkt 288 elektrisch an Masse angeschlossen. Der Ring
271 ist an den Eingang einer Meßvorrichtung 290 über einen Leiter 291 angeschlossen.
Der Ring 273 ist mit dem Meßkreis über die Leitung 292 verbunden. Der Meßkreis 290
ist ein hochempfindliches System, welches verhältnismäßig kleine Änderungen in der
Kapazität zwischen den Ringen 270 bis 273 in eine Spannung übersetzen kann, welche
die Bewegung des Gehäuses 250 entlang der Achse 250a wiedergibt.
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Der Meßkreis 290 enthält einen Oszillator 293, der eine Ausgangsspule
294 aufweist, die über einen Leiter 295 an eine Elektrode 296 angeschlossen ist,
welche an der Hülle einer Ionenröhre 297 liegt. Eine zweite Elektrode 298 liegt
auf der gegenüberliegenden Seite der Röhre 297 und ist an Masse angeschlossen. Die
Röhre 297 hat ein Paar Elektroden 300 und 301, die in den gasgefüllten Raum hineinreichen,
der sich innerhalb der Röhrenhülle befindet.
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Die Leiter 292 und 291 sind unmittelbar mit den Elektroden 300 und
301 verbunden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung hat die Röhre 297 die Gestalt
einer Glashülle mit etwa 1,252 cm Länge und 0,626 cm Durchmesser. Die Elektroden
300 und 301 sind Wolframstäbe mit etwa 0,079 cm Durchmesser. Sie reichen etwa 0,9525
cm weit in die Hülle hinein und liegen etwa 0,4 cm
auseinander.
Die Hülle ist nach ihrer Evakuierung mit Xenongas mit einem Druck von etwa 1/2 mm
bei Raumtemperatur gefüllt. Befriedigende Betriebsergebnisse ergeben sich bei Xenongasdrücken
bis zu etwa 1,5 mm und auch etwas niedrigeren Druck höhen. Andere inerte Gase, wie
z. B. Neon, Argon oder Helium, sind auch geeignet; die besten Ergebnisse sind jedoch
mit Xenon erzielt worden.
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Die Elektroden300 und 301 sind auch über eine Filtervorrichtung,
welche die Spulen 302 und 303 und eine Kapazität 304 enthält, an den Eingang eines
Verstärkers 305 angeschlossen. Um Frequenzen von Signalen aus dem Oszillator 293
auszusoheiden, weist der Verstärker 305 einen ersten Transistor 306 auf, dessen
Basis mit einem Widerstand 307 verbunden ist, der weiter mit einem Anschluß der
Spule 302 verbunden ist. Die Basis ist außerdem über einen Widerstand 308 mit der
Emitterelektrode verbunden, die ihrerseits mit dem Pluspol 309 der Anoden stromversorgung
verbunden ist. Die Kollektorelektrode ist über den Widerstand 310 an den Masseanschluß
angeschlossen. Die Schaltung für die andere Stufe des Verstärkers 305, welche den
Transistor 311 enthält, gleicht der Schaltung für den Transistor 306. Dadurch ergibt
sich eine Gegentaktausgangsleistung, die auf ein geeignetes Meßsystem gegeben werden
kann, welches ein Oszilloskop 313 aufweist, auf welchem die Kapazitätsschwankungen,
die durch Beschleunigung in dem System erzeugt sind, als Ablenkungen des Kathodenstraihles
erscheinen. Die Anlage enthält auch ein Meßgerät 314, welches eine direkte oder
numerische Messung der Beschlennigung ermöglicht. Eine Aufzeichnungsvorrichtung
315 ist ebenfalls vorgesehen und ermöglicht eine ständige Aufzeichnung der zeitlichen
Änderung in der Beschleunigung.
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Um die Vorteile der Präzisionsaufhängung des Systems im Gehäuse 250
auszunutzen, ist eine äußerst empfindliche und stabile Verrückungsvorrichtung erforderlich.
Dabei ist zu beachten, daß Verrückungen m der &rößenordnung von Bruchteilen
von tansendstel Zoll bestimmt werden sollen. Die Verwendung der Vorrichtung 297,
die in der beschriebenen Weise erregt wird, erlaubt die Erzeugung einerNutzspannung,
die nicht vollständig von der hohen elektronischen Verstärkung abhängig ist, obwohl
in einigen Bereichen eine mehr konventionelle Verstärkungsvorrichtung verwendbar
sein kann. Die Ionenröhre 297 ist gekennzeichnet durch nichtlineare Ionisation,
wenn sie durch ein hochfrequentes Signal erregt wird. Der Oszillator 293 kann eine
Ionisationsspannung bei einer Frequenz in der Größenordnung von 400 kHz erzeugen.
Diese Spannung wird auf das Plasma innerhalb der Hülle 297 als ein elektrostat-isches
Feld gegeben, in dem die erzeugte hochfrequente Spannung auf die Elektroden 296
und 298 gegeben ist. Die Kapazitätsschwankungen zwischen den Ringen 270 bis 273
dienen dazu, die wirksame Kapazität an den Elektroden 300 und 301 zu ändern, so
daß im Ergebnis eine Gleichspannung, die sich bei sehr kleinen Werten der Kapazitätsänderungen
linear mitändert, an den Elektroden 300 und 301 erscheint.
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Der Oszillator 293 kann durch eine Verbindung ersetzt werden, welche
unmittelbar um den Oszillator 282 geht. Der Übersichtlichkeit halber sind jedoch
getrennte Bauteile dargestellt worden. Die Kapazitäten im Gehäuse 250 zusammen mit
dem Masseanschluß des Gehäuses selbst dienen als Differential-
brückenelement, welches
mit dem Kreis 305 zusammenwirkt, um eine Brückenmessung zu ermöglichen, in welcher
umgebungsbedingte Spaltschwankungen zwischen Ringen 270, 271 und 272,273 ausgeschaltet
oder auf einem Kleinstwert gehalten werden.
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Die Vorrichtung nach F i g. 1 E entspricht im wesentlichen derjenigen
nach F i g. 1 A, kann jedoch Drehungsabweichungen feststellen. Soweit die dargestellten
Teile übereinstimmen, haben sie die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 A. Das
Gefäß 211 ist auf einer Plattform 320 angeordnet, welche in einem Lager 321 gehalten
wird. Die Plattform kann sich demnach um die Achse der Welle 322 drehen.
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Das Lager321 ist mit einem Körper A verbunden, dessen Bewegung errnittelt
werden soll. Das Gefäß 211 und die Plattform 320 sind mit Bezug auf den Körper A
bewegbar. Das Gefäß 211 ist mit einem Deckel 211 a versehen und enthält eine kompressible
Flüssigkeit 212. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist der Zylinder 220 so
gewählt, daß er in der Flüssigkeit 212 einen leichten Auftrieb hat. Der Ring 220
besteht vorzugsweise aus Material, welches die Eigenschaft hat, den elektrischen
Lichtvektor zu drehen. Vorzugsweise ist die axiale Länge des Zylinders 220 gleich
derjenigen einer Halbwellenplatte.
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Licht von einer Quelle 322 wird dem Gefäß 211 über eine Kollimatorkinse
323 zugeführt. Die Lichtstrahlen gehen abwärts in das Gefäß 211 durch Fenster 324
und 325. Die Fenster 324 und 325 bestehen aus polarisierendem Material. Das polarisierte
Licht geht dann abwärts durch die Länge des Zylinders 220 und dann durch polarisierende
Fenster 326 und 327 zu den lichtempfindlichen Zellen 328 und 329. Die Zellen 328
und 329 sind in Reihe verbunden und über die Leitung 330 an den Eingangstransformator
331 einer Verstärkerschaltung angeschlossen. Die Fenster 324 bis 327 sind mit Bezug
auf das Licht aus der Lampe 322 so ausgerichtet, daß das Licht von der Lampe 322
nicht zu den Zellen 328 und 329 gelangen kann, wenn der Ring 220 eine gegebene bestimmte
Lage einnimmt. Falls jedoch die Plattform 320 sich gegenüber dem Ring 220 dreht,
wird durch die Wirkung des Ringes 220 bei der Übertragung des durch die Fenster
324 und 325 eintretenden Lichtes ermöglicht, daß das Licht zu den Zellen 328 und
329 gelangt. In diesem Fall erscheint in der Leitung 330 ein elektrisches Signal,
das von der Drehabweichung des Gehäuses 320 .gegenüber dem Ring 220 abhängt.
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Der Wandler 214 und der Ring 220 sind mit Bezug auf die Achse des
Gefäßes 211 symmetrisch und mit dem Strömungsfüter 219 anfangs so angeordnet, daß
bei Erregung des Wandlers 214 der Ring 220 in koaxialer Stellung jm Schallfeld gehalten
wird. Die Strömungsmitteihöhe im Gefäß 211 ist vorzugsweise so, daß der Ring 220
über das obere und das untere Ende des Wandlers 214 gleich weit hervorsteht.
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Der Wandler 214 wird über Leiter227 und 228 erregt, um ein Schallfeld
im Medium 212 herzustel len, welches den Ring 220 federnd stützt. Eine derartige
Stützung des Ringes 220 arbeitet mit einem äußerst geringen Drehmoment. Der Drehmomentsfehler
ist ewa drei bis vier Größenordnungen geringer als derjenige bei den bekannten Vorrichtungen.
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Wenn aber die Plattform 320 sich um die Achse des Gefäßes 211 zu drehen
sucht, bleibt der Ring 220 in der festen Bezugsstellung. Das am Ausgang der Zellen
328 und 329 erzeugte Signal kann dann durch die Verstärkerschaltung 340 zum Antrieb
eines Motors
341 verwendet werden, welcher seinerseits einen »Selsyn«-Übertrager
342 (Drehmeldler) über ein entsprechendes Getriebe betätigt. Die Ausgangsleistung
des Selsyn-Übertragers wird dann über die Leitungen 346 auf einen Selsyn-Empfänger
344 übertragen, der durch eine Verbindung 345 an die Welle 322 angekoppelt ist.
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Die F i g. 1 E zeigt eine Rückkopplungsschleife, welche eine Ausgleichs-
oder Null-Lage aufrechtzuerhalten sucht. Wenn der Körper A um die Achse des Gefäßes
211 zu drehen beginnt, wird ein Signal erzeugt, welches auf den Verstärker 340 und
von dort auf den Ubertrager 342 und den Empfänger 344 gegeben wird, um die Plattform
320 zu drehen, wodurch die Lage des Gefäßes 211 unverändert mit Bezug auf die Stellung
des Ringes 220 erhalten wird.
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Während der Ring 220 anfänglich in Längsrichtung des Gefäßes 211
durch Auftrieb eingestellt werden kann, wird nachfolgend gezeigt, daß das im Zeitdurchschnitt
vorhandene Kraftfeld innerhalb des Mediums 212 benutzt werden kann, um eine Aufhängung
zu schaffen, die nicht nur in seitlicher Richtung des Gefäßes211, sondern auch in
Längsrichtung wirkt. Der Ring 220 kann daher in dem Gefäß 211 dem Feld des Wandlers
214 entsprechend eingestellt werden.
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In F i g. 1 F ist eine Abwandlung der sonst im allgemeinen der F
i g. 1 D entsprechenden Anlage dargestellt, die zur Erfassung von Drehabweichungen
im Gegensatz zu Beschleunigungen geeignet ist. In dieser Ausführungsform haben gleiche
Teile die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 D. Das Gehäuse 250 ist mit einer
kompressiblen Flüssigkeit, z. B. der Flüssigkeit 212 nach F i g. 1 A, gefüllt Eine
Masse M ist koaxial innerhalb des Gehäuses 250 angeordnet und enthält eine kugelförmige
Schale 263 und zylindrische Ansätze 264 und 265. Ein zentraler, kugelförmiger Wandler
262 ist auf axial ausgerichteten Stiitzen 260' und 261' angeordnet. Diese Ausführungsform
weicht insofern von derjenigen nach Fig. 1 A ab, daß der Wandler 262 axial im Gehäuse
250 gestützt wird, so daß die Masse M frei um die Achse des Gehäuses 250 drehbar
ist.
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Wie im Fall der Fig. 1E besteht die schwebende Masse M aus einem
Material, welches die Eigenschaft hat, den elektrischen Vektor des aus der Lampe
322' kommenden Lichtes zu drehen, das über eine Kollimatorlinse 323' eintritt und
durch das Gehäuse mittels der polarisierenden Fenster324' und 325' hindurchgeht.
Die Drehung der Masse M gegenüber dem Gehäuse 250 ändert die Übertragung der Lichtstrahlen
aus der Lampe 322' zu den Fotozellen 328' und 329'. Auf diese Weise kann eine Drehabweichung
des Gehäuses 250 gegenüber der Masse M festgestellt werden. Das Gehäuse 250 kann
an Stelle des Gefäßes 211 der F i g. 1 E benutzt werden, wobei ein geeignetes Drehmeldersystem
vorgesehen sein kann, um eine bestimmte feste Beziehung zwischen der Masse M und
dem Gehäuse 250 aufrechtzuerhalten. Das Ausmaß der Bewegung, die erforderlich ist,
um eine derartige feste Beziehung aufrechtzuerhalten, kann in Abhängigkeit von der
Zeit aufgezeichnet werden und liefert ein direktes Maß für die Drehabweichung des
Gehäuses 250 mit Bezug auf die Masse M.
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Die Drehmomente, welche auf das Element 220 der F i g. 1 E oder das
Element M der F i g. 1 F durch die zugehörigen Aufhängungen ausgeübt werden,
sind
ausreichend klein, so daß selbst bei kleinem Trägheitsmoment die Stabilität der
beiden Vorrichtungen in dem stützenden Feld wesentlich besser als bei rotierenden
Systemen, wie z. B. Kreiseln, ist, bei denen der Masse eine hohe Drehgeschwindigkeit
velliehen wird, um das Trägheitsmoment mit Bezug auf eine bestimmte Achse zu vergrößern.
Die Kreiselinstrumente sind in der Richtung weiterentwickelt worden, daß das Trägheitsmoment
des feststehenden Körpers oder des Bezugskörpers vergrößert wird, um die Stabilität
des Systems zu verbessern. Im vorliegenden Fall hat der Bezugskörper die Trägheitseigenschaften
des in Ruhe befindlichen Körpers. Die Aufhängung ist jedoch derart abgewandelt,
daß die Stabilität der Masse selbst im statischen Zustand größer ist als bei den
Vorrichtungen, in denen die Trägheit vervielfacht wird. Die Erfindung folgt damit
einer Richtung, die entgegengesetzt zu den aus dem Stand der Technik bekannten Entwicklungen
liegt.
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In den F i g. 1 E und 1 F sind der Ring 220 und die Masse M so beschrieben
worden, daß sie Halbwellenplatten für die Drehung des durch sie hindurch gehen den
Lichtvektors bilden. Die Steuerung des Lichtes, welches die Zellen 328 und 329 bzw.
328' und 329' erreicht, kann jedoch auch auf anderem Weg als durch Benutzung von
Halbwellenplatten durchgeführt werden. Zum Beispiel kann der Lichtweg durch Elemente
abgedeckt werden, von denen wenigstens einige durch das schwebende Element gehalten
werden, so daß die den Zellen zugeleitete Lichtmenge von der relativen Drehlage
abhängt. Danach lassen bewegbare Schlitze das Licht zu den aufnehmenden Zellen in
Abhängigkeit von ihrer relativen Stellung im Lichtstrahl. In jedem Fall wird die
Drehlage des schwebenden Elementes gegenüber seinem Gehäuse ermittelt und erzeugt
ein Ausgangssignal, welches in einem Servosystem verwendet wird um die Relativstellungen
eines lßezugselementes und seines Gehäuses im wesentlichen unverändert zu er halten.
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Nach der Erfindung ist es möglich, den Vorteil eines Systems auszunutzen,
das von einem im Zeitmittel vorhandenen Schallfeld, welches in einem kompressiblen
Medium erzeugt wird, unterstützt wird, und gleichzeitig die Vorteile auszunutzen,
die sich durch ein vergrößertes Trägheitsmoment auf Grund der Verwendung einer Drehmasse
ergeben. In einer Vorrichtung derart, wie sie in F i g. 1 A dargestellt ist, kann
die schwebend erhaltene Masse, wie z. B. der Ring 220 der F i g. 1 G, so ausgebildet
sein, daß er unter der Einwirkung der Kräfte im Schallfeld rotiert. Die Innenfläche
des Ringes 220 (F i g. 1 G) kann mit Nuten oder Schaufeln versehen sein, die in
den Bereichen 350 angedeutet sind. In der dargestellten Form sind die Schaufeln
in die Innenwand des Ringes 220 eingefräst. Die im Zeitmittel vorhandenen Kräfte
werden dadurch an den Winkelflächen entwickelt, die von den Nuten gebildet werden,
so daß dem Ring 220 eine Drehbewegung erteilt wird. Der Drehwinkel ist dadurch merklich
vergrößert, während die Vorrichtung in einem Aufhängesystem gestützt wird, das einen
niedrigen Drehmomentfehler, eine Hysterese von der Größe Null und keine Schwellenwertgrenze
aufweist. Eine Vorrichtung dieser Art und unter Verwendung des im Zeitdurchschnitt
vorhandenen Kraftfeldes kann durch Vervielfachung der wirksamen Trägheit der schwebenden
Masse weiterentwickelt werden, indem eine
gewobbelte Bewegung mit
Bezug auf. die Achse des Zylinders 220 an Stelle der Drehung um diese Achse benutzt
wird. Eine Vorrichtung, welche eine Wobbelbewegung bei Unterstützung in einem Schallfeld
benutzt, -ist in F i g. 2 dargestellt worden.
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Die Einheit B-2 nach Flug. 2 enthält eine Lichtquelle C, die in einer
festen Stellung über einer Kollimatorlinse D angeordnet ist, welche einen Lichtstrahl
E in ein polarisierendes Medium P einstrahlt, in welchem das Licht in einer einzigen
Ebene F polarisiert. Das Licht geht weiter abwärts durch einen lichtleitenden Körper
G, der vorzugsweise länglich geformt ist. Der Körper G hat außerdem die Eigenschaft,
daß er den elektrischen Vektor E-1 des Lichtes E dreht, welches in den Körper G
unter einem Winkel H eintritt, so daß das Licht den Körper G als Strahl E-2 (s.
F i g. 5) wieder verläßt.
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Nach Austreten aus dem Körper G tritt der Lichtstrahl E-2 in ein
zweites polarisierendes Medium P-1 ein. P-1 ist koaxial mit dem ersten Medium ausgerichtet,
während der -Körper G dazwischen angeordnet ist. Das zweite Medium P-1 ist gegenüber
dem Medium P in Drehrichtung so angeordnet, daß es nur Licht durchläßt, welches
in einer Ebene normal zur Polarisationsebene des ersten Mediums polarisiert ist.
Falls der Körper G aus seiner Stellung zwischen dem ersten und dem zweiten Medium
P und P-1 entfernt wird, würde auf Grund der gegenseitigen Einstellung der Polarisationsebenen
dieser Medien der Lichtdurchtritt durch das zweite Medium vollkommen verhindert
sein. Eine lichtempfindliche Zelle J ist unmittelbar unter dem zweiten polarisierenden
Medium1 angeordnet und empfängt alles Licht E-Z, - das aus dem zweiten Medium heraustritt.
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Die Zelle 1 erzeugt einen elektrischen Strom, dessen Größe von der
LichtmengeE-2, die auf die Zelle fällt, abhängt.
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:-Eine starre zylindrische HülseK ist vorgesehen, welche transparente,
optisch inaktive Endstücke L und L' aufweist. In der Schale ist eine Flüssigkeit
enthaltn;. 'die'optisch aktiv; lichtdurchlässig und im wesentlichen von der gleichen
Dichte wie der Körper G ist.
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- Zwei kleine aus einem magnetischen Material bestehende Kugeln M
und M' sind auf entgegengesetzten Endendes Körpers G angeordnet. Zwei Elektrom'agnete.N
undN', die vorzugsweise als Ringe geformt sind, sind in Nachbarschaft der entgegengesetzten
Enden der Hülse K derart angeordnet, daß sie den- Lichtdurchgang -nicht stören.
Ein normalerweise geöffneter elektrischer Stromkreis 0 erregt bei Schließung die
Elektromagnete N und N'. Die damit erzeugten Magnetfelder ziehen die Kugeln und
M' an und verleihen dem Körper G die in F i g. 2 dargestellte Stellung.
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Eine Anzahl Ultraschallgeneratoren Q-1, Q-2, Q-3, Q-4, Q-5 und Q-6
sind in die Hülse K eingebettet oder auf andere Weise in festen umfänglichen und
senkrechten Abständen darauf angeordnet. Die Ultrasohallgeneratoren werden abwechselnd
mittels eines üblichen elektrischen Schwingungskreises, der nicht dargestellt ist,
erregt und richten Ultraschallenergiestrahlen T in einem kreuzweisen Muster (s.
F i g. 2) in den Raum. Diese Strahlen laufen durch den Mittelpunkt des Körpers G
und veranlassen ihn, mit ausreichend hoher Geschwindigkeit zu schwingen, um den
Körper in ausgerichteter Stellung zwischen den polarisierenden Me'dien- P- ünd P-1
zu halten.
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Die anfängliche Einstellung des Körpers G in der Flüssigkeit R wird
dadurch erreicht, daß die ElektromagneteN und N' erregt werden. Nach Betätigung
der Generatoren Q-1 bis Q-6 wird der Stromkreis O der Elektromagnete N und N' unterbrochen.
Der Stromkreis 0 wird nicht weiter benötigt, bis es wiederum erforderlich ist, den
Körper G in der in Fig. 2 dargestellten Weise aufzurichten und einzustellen.
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Die bei Lichteinfall auf die lichtempfindliche Zelle J erzeugte elektrische
Energie wird von da aus durch die elektrische Leitung U (s. F i g. 2) weitergeleitet.
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Die Vorriohtung arbeitet äußerst einfach. Sie ist in Längsrichtung
auf die Achse Y ausgerichtet, wobei die polarisierenden Medien P und P-1 in fester
Beziehung zum Körper A gehalten werden. Der Körper G wird dann in eine Stellung
zwischen den Medien P und P-1 gedreht, so daß, falls der Körper A in einer richtig
ausgerichteten Lage mit Bezug auf die Achsen und Z ist, in der er während des Verlaufes
seiner Bewegung gehalten werden soll, kein Licht auf die lichtempfindliche Zelle
1 fällt und durch die Fotozelle kein Strom erzeugt wird. Die ZelleJ kann entweder
eine Fotozelle oder eine solche Zelle sein, die einen bekannten Widerstand aufweist,
der in bekannter mathematischer Beziehung im Verhältnis zu der Lichtmenge sich ändert,
die in der Zeiteinheit darauf fällt.
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Die EinheitB-2 ist starr mit dem Körper A verbunden. Irgendwelche
richtungsmäßigen Drehabweichungen dieses Körpers um die Y-Achse verursachen eine
Drehung der polarisierenden Medien P und P-1 gegenüber dem Körper G, wenn dieser
in einer festen, schnell schwingenden Lage während der Erregung der Generatoren
Q-1 bis Q-6 gehalten wird. Je größer die Drehung der M;edien P und P-1 um die Y-Achse
gegenüber dem Körper G ist, desto größer ist die Lichtmenge E-2, die auf die Zelle
J fällt, und um so größer ist die Stärke des Stromes, der von der Zelle über die
Leitung U zu einer nicht dargestellten, mit dem Körper A verbundenen Einheit fließt,
welche diie unterschiedliche Größe des durch den Leiter U fließenden elektrischen
Stromes ausnutzt, um den Kurs des Körpers A zu ändern und irgendwelche Drehabweichungen
dieses Körpers um die Y-Achse zu berichtigen.
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Die in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellte praktisch erprobte Ausführungsform
der Erfindung, die mit B-2 bezeichnet ist, weist eine starre Grundplatte 10 auf,
von der aus zwei gleiche, seitlich auseinanderliegende Pfosten 12 aufwärts ragen.
Ein Kopfstück 14 ist auf der Oberseite der Pfosten 12 mittels Schrauben 16 oder
ähnlichen Mitteln befestigt. In dem Kopfstück 14 ist eine Mittelbohrung 18 ausgebildet,
die eine derartige Querschnittsfläche aufweist, daß alles Licht aus der Lichtquelle
C, das durch die Bohrung 18 hindurchgeht, auch durch den Körper G hindurch geht,
wenn dieser der Wirkung der Ultraschallstrahlen T in der beschriebenen Weise ausgesetzt
wird. Ein ringförmiger Flansch 20 ragt von der Unterseite des Kopfstückes 14 nach
unten und ist konzentrisch zur Bohrung 18 angeordnet. Das erste polarisierende Medium
P ist kreisförmig ausgebildet und aus einem plattenartigen Material hergestellt.
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Der Durchmesser des Mediums P ermöglicht einen Paßsitz innerhalb des
Flansches 20. Ein kreisförmiger O-Ring 22 oder ein anderer, ringförmiger und nachgiebiger
Teil steht mit der unteren Umfangskante des Mediums P im Eingriff. Eine erste kreisförmige
Platte
24 ist abnehmbar an der Unterseite des Flansches 20 mit
Schrauben oder auf ähnliche Weise befestigt und drückt gegen den Ring 22, um das
erste Medium P in einer festen Lage zwischen dem Ring und der Unterseite des Kopfstückes
14 zu halten. In der Mitte der Platte 24 ist eine zweite Bohrung 28 ausgebildet,
in die ein erstes Rohr 30 so eingesetzt ist, daß es sich darin hält und die dritte
Bohrung dieses Rohres 30 koaxial in Flucht mit der ersten Bohrung liegt, jedoch
eine größere Querschnittsfläche als die erste Bohrung aufweist.
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Ein ringförmiger Träger 34 ist für dile Linse D vorgesehen, die mittels
Schrauben 36 oder ähnlichen Mitteln herausnehmbar an der Oberseite des Kopfstückes
14 angeordnet ist. Die Linse wird in zentrierter Stellung mit Bezug auf die Längsmittellinie
38 gehalten, die abwärts durch die erste Bohrungl8 und die dritte Bohrung 32 hindurchgeht.
Die Lichtquelle C sitzt in einer Fassung 40, die in Längsrichtung in Flucht mit
der Mittellinie 38 liegt. Die Lichtquelle sitzt in einem napfförmigen Gehäuse 42,
welches eine zylindrische Seitenwand 44 und eine obere Stirnwand 46 aufweist, die
eben ist und die Fassung 40 trägt. Die Mündung des Gehäuses 42 sitzt gleitfähig
auf der Außenfläche des Trägers 34. Eine mit Gewinde versehene Sackbohrung 47 nimmt
eine Schraube 48 auf, die auch durch einen aufwärts führenden Schlitz 50 hindurchgeht,
der in der Seitenwand 44 ausgebildet ist. Durch Lösung oder Festziehung der Schraube
48 kann das vom Träger 34 gehaltene Gehäuse 42 in senkrechter Richtung eingestellt
werden.
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Zwei Plattenteile 52 und 54 weisen allgemein halbkreisförmige Ausnehmungen
52a, 54a auf. Die Flächen dieser Ausnehmungen treten in Reibung, eingriff mit der
Hülse K, um diese in der gewünsohten senkrechten Stellung mit Bezug auf die Teile
52 und 54 zu halten. Der Teil 52 ist starr an den Pfosten 12 mittels Schrauben 56
oder anderen Befestigungsmitteln befestigt. In dem Teil 52 sind zwei Sackbohrungen
57 vorgesehen, die koaxial in Flucht mit zwei Bohrungen 58 liegen, die durch den
Teil 54 hindurchführen. Zwei Schrauben 60 erstrecken sich durch die Bohrungen 58
hindurch und sitzen mit Gewindeeingriff in den Bohrungen 57. Durch Anziehen der
Schrauben 60 kann die Hülse K in der gewünschten Höhe gegenüber den Teilen 52 und
54 und die Pfosten 12 gehalten werden. Die untere Innenfläche der Hülse K weist
ein Gewinde 62 auf, das in Gewindeeingriff mit einem Ansatz 64 steht, der von einem
kreisförmigen Teil 66 aufragt, dessen Durchmesser merklich größer als der Außendurchmesser
der Hülse ist und teilweise das Endstück L-1 begrenzt. Eine vierte Bohrung 68 ist
in der Mitte des Teiles 66 ausgebildet und liegt koaxial in Flucht mit der Gegenbohrung
70.
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An der Übergangsstelle dieser Bohrungen ergibt sich eine ringförmige
Schulter 72. Eine kreisförmige Scheibe74 eines optisch inaktiven Glases sitzt mit
Paß sitz in der Bohrung 68 und ruht auf der Schulter 72. Zwischen der Scheibe 74
und dem Teil 66 wird eine strömungsmittelundurchlässige Abdichtung durch Zement
(nicht dargestellt) oder eine andere Dichtungsmasse hergestellt.
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Eine zweite Röhre 76, die der ersten Röhre 32 mit der Ausnahme gleicht,
daß sie länger ist, erstreckt sich von einer fünften Bohrung77 in der zweiten Platte
78 aufwärts. Die Röhre 76 und die Platte 78
sind starr miteinander verbunden. Die
zweite Platte 78 ruht auf der Oberseite eines zweiten ringförmigen Flansches 80,
der von einem Querstück 82 nach oben ragt, welches mittels Schrauben an den Innenflächen
der Pfosten 12 befestigt ist. Das Querstück 82 weist eine sechste mittig angeordnete
Bohrung 84 auf, die in Längsrichtung auf die Mittellinie ausgerichtet ist.
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Eine mittige Ausnehmung 88 einer starren Platte 86 nimmt zum Teil
die lichtempfindliche Zelle J auf. Die Platte 86 ist mittels Schrauben 90 abnehmbar
an der Unterseite des Querstückes 82 angeordnet, wobei die ZelleJ in koaxialer Ausrichtung
zur Bohrung84 liegt.
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Das zweite polarisierende Medium P-1 gleicht dem ersten Medium P
mit Ausnahme der geänderten Dreheinstellung der Durchgangsachse. Es ruht auf der
Oberseite des Querstückes 82, wobei ein zweiter O-Ring 92 auf der oberen Randkante
des Mediums angeordnet ist. Schrauben 94, die abwärts durch die zweite Platte 78,
den Flansch 80 hindurch und in das Querstück 82 eingreifen, üben einen Druck auf
den O-Ring 92 aus, um das Medium1 in fester Stellung gegenüber dem Medium P zu halten.
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Der Körper G kann irgendein natürlicher oder synthetischer Kristall
sein, welcher merkliche piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Bei dem Beispiel
nach F i g. 2 bis 4 weist der Kristall im wesentlichen die gleiche Dichte wie die
Flüssigkeit R auf, in der er schwebt. Für diesen Zweck können z. B. Materialien,
wie Kalkspat, Turmalin und Quarz, verwendet werden. Diese Stoffe sind jedoch nur
als Beispiel für Materialien genannt, die für die Herstellung des Körpers G verwendet
werden können; die Herstellung des Körpers ist nicht auf diese Stoffe beschränkt.
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In dem Beispiel nach F i g. 2 wird ein X-geschnittener Quarz für den
Körper G verwendet. Der Lichtstrahl verläuft normal zur optischen Achse. Auf Grund
dessen wird der Vektor eines polarisierten Lichtstrahles E um einen Winkel H (Fig.
5) gedreht, wenn er durch den Körper G hindurchgeht, bevor die Drehung des LichtstrahlesE-2
in optisch aktiven Medium P-1 stattfindet.
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Um die Drehung des Körpers G gegenüber den polarisierenden Medien
P und P-1 zu erleichtern, während der Körper in der FlüssigkeitR schwebt, kann dieser
in seiner Mitte mit einem sehr kleinen Ring 100 versehen sein, der aus Material
mit magnetischer Hysterese hergestellt ist und als Rotor dient.
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Wenn ein solcher Ring benutzt und eine ringförmige Drehmomentspule
(Hysterese-Motor-Windung) 102 an den Pfosten 12 angeordnet wird, werden zunächst
die Elektromagnete N und N' verwendet, um den Körper G in die in F i g. 2 dargestellte
Stellung mit Bezug auf die Hülse K aufzurichten. Nach dieser Einstellung des Körpers
G wird die Spule 102 durch einen Kreis 104 erregt. Dadurch ergibt sich ein magnetisches
Feld, und der Körper G dreht sich auf Grund des Hystereseringes 100 um seine Längsachse
und wird auf eine elektro-optische Nullstellung ausgerichtet. In dieser Stellung
fällt auf das zweite polarisierende Medium P-1 das gesamte Licht E-2 mit einem elektrischen
Vektor, der über den Winkel H gedreht worden ist, der normal gegenüber der Ubertragungsachse
des zweiten Mediums liegt. Dementsprechend wird kein Licht zur fotoempfindlichen
Zelle übertragen.
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Damit der Körper G mit Bezug auf die FlüssigkeitR, in der er schwebt,
möglichst nicht beschleunigt wird, hat vorzugsweise die Flüssigkeit im
wesentlichen
die gleiche Dichte wie der Körper G.
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Falls Quarz mit einer Dichte von 2,65 für die Herstellung des Körpers
G verwendet wird, kann die Flüssigkeit R eine Mischung von Trichloräthylen und Acetylentetrabrömid
in solchen Anteilen sein, daß die Mischung eine Dichte von 2,65 aufweist.
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Das Material für die Ultraschallgeneratoren Q-1 bis Q-6 kann so gewählt
werden, daß bei Erregung durch eine Hochfrequenzspannung Strahlen mit Wellenenergie
T auf den Körper G gerichtet werden. In der Ausführungsform der Erfindung nach den
F i g. 2, 3 und 4 ist für diesen Zweck Bariumtitanat verwendet worden. Bei diesem
Beispiel sind die Generatoren Q-5 und Q-6 vorzugsweise elektronisch in Phase und
die übrigen Generatoren Q-1 bis Q-4 in einer Gegentaktschaltung. Die fotoempfindliche
Zelle J kann in irgendeiner handelsüblichen Ausführung verwendet werden, deren elektrischer
Widerstand eine Funktion der einfallenden Lichtintensität ist. Zu dieser Gruppe
von Vorrichtungen gehören nicht nur Fotozellen, in - welchen ein elektrischer Strom
in Abhängigkeit' von der einfallenden Lichtintensität erzeugt wird, sondern auch
Vorrichtungen, die mit Bezug auf einen ständig hindurchfließenden elektrischen Strom
einen bekannten Widerstandswert haben, der in einer bekannten mathematischen Beziehung
auf Grund der Intensität des auffallenden Lichtstrahles abnimmt.
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Im Betrieb wird der Körper G zunächst aufgerichtet, bis er die in
Längsrichtung sich erstreckende, mittige Stellung mit Bezug auf die Hülse K einnimmt
(s. F i g. 2). Zu diesem Zweck werden der erste und der zweite Elektromagnet N und
N' elektrisch erregt.
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Die Drehung des Körpers G um die Längsachse 38 wird dadurch ausgeführt,
daß die Drehmomentspule 102 elektrisch erregt wird, bis auf Grund des Hystereseringes
100 sich der Körper in eine Stellung gedreht hat, in der däs Licht aus der QuelleC
nicht auf die fotoempfindliche Zelle J fällt. Die Drehspule 102 wird dann abgeschaltet,
bis sie erneut zur Ausrichtung des Körpers G gegenüber dem ersten und dem zweiten
polarisierenden Medium P und P-1 benötigt wird.
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Die Ultraschallgeneratoren Q-1 bis Q-6 werden elektrisch durch einen
üblichen elektrischen Oszillatorkreis erregt.
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Der Körper G wird abwechselnd winklig in der FlüssigkeitR mit Bezug
auf die Achse 38 verrückt, auf die er ausgerichtet ist, wobei diese Winkelbewegung
auf einen Punkt 106 (Fi g. 5) zentriert ist.
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Die Längsachse des Körpers wird zunächst auf die Stellung 38' (Fig.5)
und dann in die Stellung 38" verschoben. Diese winklige Hin- und Herbewegung des
Körpers G, die in der Darstellung stark übertrieben gezeichnet ist, ergibt sich
durch die zeitliche Änderung des Druckes am Körper G auf Grund des Ultraschallfeldes,
in welchem der Körper liegt, und auf Grund der Gegentaktanordnung der Generatoren
Q-1 bis Q-4 bei der Erzeugung der Wellenenergie, auf die der Körper G anspricht.
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Mit der hier beschriebenen Erregung und unter der Annahme, daß die
Grundplatte 10 starr mit dem Körper A verbunden ist, ist die Vorrichtung in einem
Betriebszustand, in welchem sie irgendeine richtungsmäßige Drehabweichung des Körpers
A um seine Achse feststellen kann.
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In der durch die Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsform, die
lediglich als Beispiel dient, wer-
den die Generatoren Q-1 bis Q-6 mit einem sinusförmigen
Signal von 1,6 MItz und mit 30 Watt kombinierter Leistung erregt. Irgendeine Relativdrehung
der Hülse K und des ersten und zweiten polarisierenden Mediums P und P-1 gegenüber
der lichtempfindlichen Zelle J von der ursprünglich mit dem Körper A ausgerichteten
Stellung aus ist mit einer wachsenden, auf das zweite Medium fallenden Lichtmenge
verbunden, wobei diese Menge wiederum die elektrische Ausgangsleitung der Zelle
J abwandelt, um die Größe der Drehabweichung des Körpers A gegenüber der Achse 38
anzuzeigen.
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Eine Abwandlungsmöglichkeit der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt.
Diese Vorrichtung läßt sich für den Fall verwenden, wenn nicht nur die richtungsmäßige
Drehabweichung, sondern auch seitliche Beschleunigungen des Körpers festgestellt
werden sollen. Die hier beschriebene Ausführungsform ist so dargestellt, daß sie
seitliche Abweichungen von der Y-Achse bestimmen kann. Diese Ausführungsform gleicht
derjenigen nach den F i g. 2, 3 und 4 mit der Ausnahme, daß eine zweite Lichtquelle
C' und eine zweite lichtempfindliche ZelleJ' vorgesehen ist. Soweit die gleichen
Bestandteile verwendet werden, sind gleiche Bezugszeichen wie in den F i g. 2 bis
4 unter Zufügung eines Apostrophs benutzt worden.
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Nach F i g. 6 ist eine Öffnung 108 in einem Mittelabschnitt der Hülse
K' ausgebildet, in der eine zweite Kollimatorlinse angeordnet ist, die einen Lichtstrahl
E-3 durch die FlüssigkeitR' gegen den Körper G' richtet, der einen Überzug aus opakem
Material 110 aufweist, der die Längsfläche des Körpers bedeckt. Unter gewöhnlichen
Bedingungen verhindert der Körper G' den Durchgang des Lichtstrahles3 zu der lichtempfindlichen
ZelleJ'. Der Öffnung 108 liegt diametral gegenüber eine ergänzende, in der Hülle
K' ausgebildete Öffnung 108', durch die irgendein Teil des LichtstrahlesE-3 hindurchtreten
kann, falls er nicht durch den Körper G' daran gehindert wird. Die lichtempfindliche
Zelle 1' ist fest an der Außenseite der Hülse K' gegenüber der Lichtquelle C' angeordnet
und empfängt das gesamte Licht, das durch die Öffnung 108' hindurchtritt. Eine Scheibe
aus durchsichtigem Material 112 ist in die öffnung 108' eingesetzt. Falls jedoch
die Hülse K' aus einem Material hergestellt ist das durchsichtig und mit Bezug auf
die Brechung irgendeines Teiles des Lichtstrahles E-3 optisch inaktiv ist, kann
die Scheibe 112 fortgelassen werden.
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Die Flüssigkeit R' kann die gleichen Bestandteile enthalten, wie sie
bei der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet worden sind. Das Dichteverhältnis
zwischen dem Körper G' und der Flüssigkeit kann jedoch auf etwa 1,5 eingestellt
werden, so daß der Körper G' in einer Richtung beschleunigt wird, welche durch die
Y-Achse (Fig. 6) hindurchgeht und normal zu der Fläche des Blattes liegt, auf welcher
die Figur gedruckt ist. Bei Beschleunigung in dieser Richtung neigen der Körper
G' und die Hülse K' dazu, sich gegeneinander zu bewegen. Auf Grund dieser Relativbewegung
kann ein Teil des Lichtstrahles E-3 die den Lichtdurchtritt verhindernde Hülse 110
umgehen und auf die zweite lichtempfindliche Zelle J' fallen. Die Menge des auf
diese Zelle fallenden Lichtes gibt die Größe der Beschleunigung wieder, welcher
die Hülse K' und der Körper A gegenüber dem Körper G' unterliegen.
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Auf Grund des Energiefeldes, welchem der Körper G'
durch
die Ultraschallerzeuger Q-1' bis Q-6' ausgesetzt ist, neigt der Körper dazu, gegenüber
der Hülse K' ständig auf einem festen Ort zu bleiben.
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Das Energiefeld wirkt analog einer Feder und sucht jederzeit den
Körper G' in eine feste Lage gegenüber der Hülse K' zurückzuführen, so daß der Körper
in diese Stellung zurückgeführt wird, nachdem der Beschleunigungsvorgang beendet
ist. Diese Abwandlungsform der Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Licht
aus einer Quelle C' als dem Medium zur Ermittlung der Beschleunigung beschränkt.
Es kann jede Energieform verwendet werden, die durch Wellenbewegung fortgepflanzt
wird, und deren Weg gewöhnlich durch die Schicht 110 unterbrochen wird, welche auf
der Längsfläche des Körpers G' angeordnet ist. Für eine andere, in Wellen sich fortbewegende
Energieform als Licht muß eine Empfängervorrichtung vorgesehen werden, die auf diese
Form anspricht und den Teil der Energie aufnimmt, der den Körper G' passiert.
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Eine weitere Abwandlung der Erfindung ist in F i g. 7 dargestellt,
welche ebenfalls der Ausführungsform nach F i g. 2 bis 4 im wesentlichen gleicht,
so daß die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Elemente unter Zufügung eines
Doppelapostrophs verwendet worden sind. Eine Hochfrequenzspule 114 ist vorgesehen,
die elektrisch durch eine übliche elektrische Schwingungskreisschaltung, die nicht
dargestellt ist, erregbar ist. Die Spule ist vorzugsweise innerhalb des rohrförmigen
Teiles 30' angeordnet.
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Das untere Ende des rohrförmigen Teiles 30" sowie das obere Ende der
Hülse K" sind durch eine kreisförmige Platte 116 aus optisch inaktivem, transparentem
Material verschlossen.
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Ein länglicher Ultraschallgenerator 118 ist in Längsrichtung in der
Hülse K" angeordnet und mit seinen Enden vorzugsweise an der Unterseite der Platte
116 und der Oberseite der Lichtdurchlässigen Platte 74" befestigt. Eine verhältnismäßig
große Zahl von kleinen Körpern G", welche die gleichen Eigenschaften wie der Körper
G in den bereits beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung aufweisen, sind in
der Flüssigkeit R" innerhalb der Hülse K" angeordnet. Durch elektrische Erregung
der Hochfrequenzspule 114 wird ein elektromagnetisches Feld hergestellt, und auf
Grund seiner piezoelektrischen Eigenschaften strahlt der Generator 118 Ultraschallenergie
durch die Flüssigkeit R".
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Die Körper G" ordnen sich innerhalb der Flüssigkeit R" in einem Muster
an, wobei jeder Körper in einem Kavitationsknotenbereich schwebt, der sich in der
erregten Flüssigkeit R" (s. F i g. 8) ausbildet. Die innerhalb der Flüssigkeit R"
erreichte Anordnung ist stabil, und jeder Körper G" ist in der gleichen Weise wie
der bereits beschriebene Körper G ausgerichtet. Jeder Körper G" hat die gleiche
Aufgabe wie der Körper G. Der Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung liegt
darin, daß die Erreoerwellen aus der Hochfrequenzspule parallel zum Generator austreten.
Daher ergibt sich mit Bezug auf den Generator keine Änderung im Erregungsfeld, und
die Hülse K" und das übrige System können sich relativ zum Generator drehen. Bei
der Ausführungsform nach Fig. 2 bis 4 ist das nicht möglich.
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Eine weitere Abwandlungsmöglichkeit der Erfindung ist in F i g. 10
dargestellt und bezieht sich auf die in den Fig. 1A, 1D, 1E und 1F gezeigten Ausführungsformen.
Die Ausführungsform weist ein
zylindrisches Beleuchtungsgehäuse 120 mit einer Lichtquelle
122, z. B. einer Glühbirne auf, die im oberen Abschnitt angeordnet ist. Ein zylindrischer
Flüssigkeitsbehälter 124 ist vorgesehen, der einen einwärts vorspringenden Ringflansch
in seinem oberen Kantenabschnitt aufweist, welcher eine ringförmige Hochfrequenzspulel28
hält, die durch eine übliche, nicht dargestellte Oszillatorschaltung erregt wird,
die durch die Leiter 130 angeschlossen ist. Eine Kollimatorlinse 132 ist quer zur
Längsrichtung innerhalb der Spule 128 ebenso wie das kreisförmige erste polarisierende
Medium 134 angeordnet, welches das hindurchgehende Licht in einer einzigen Ebene
polarisiert. Das Medium 134 bewirkt zusammen mit der Hochfrequenzspule 128 die Abdichtung
des oberen Endes der Hülse 124.
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Ein Ultraschallgenerator, der aus einem Material mit piezoelektrischen
Eigenschaften besteht und eine längliche Ausbildung aufweist (s. Fig. 10) ist mit
einer Bohrungl29 versehen, die in Längsrichtung durch den Generator hindurchgeht.
Der Mittelabschnitt 126 weist vorzugsweise einen gleichmäßigen Querschnitt auf,
der sich nach den Enden zu auf den Abschnitten 130 bzw. 132 verbreitert. Die Endabschnitte
130 und 132 sind mit kreisförmigem Querschnitt dargestellt, können jedoch auch quadratisch
oder anders geformt sein.
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Der piezoelektrische Eigenschaften aufweisende Generator 126 kann
z. B. aus Bariumtitanat bestehen. Der untere Endabschnitt 132 ist mit einem plattenförmigen,
zweiten polarisierenden Medium 136 versehen, dessen Oberseite an die Unterseite
des Endabschnittes 132 angeklebt oder in anderer Weise befestigt ist. Eine kreisförmige
lichtempfindliche Zelle 138 liegt unter dem Generator 126 und empfängt alles Licht,
das durch die ringsum sich erstreckende, ringförmige Fläche hindurchgeht, welche
zwischen der äußeren Umfangskante des vergrößerten Endabschnittes 132 und der äußeren
Umfangskante des zweiten polarisierenden Mediums 136 liegt.
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Um den Durchtritt von Licht nach unten durch die Bohrung 129, den
Mittelabschnitt des Generators oder die vergrößerten Endabschnitte hindurch zur
Betätigung der lichtempfindlichen Zelle 138 zu verhindern, ist der innere obere
empfindliche Lichtbereich dieser Zelle, der allgemein mit dem Bezugszeichen 140
versehen ist, mit einem opaken Material 141 bedeckt. Die mit dem ersten Medium hergestellte
Polarisationsebene liegt normal mit Bezug auf die Polarisationsebene des zweiten
Mediums. Ein Körper 148 ist vorgesehen, der die Eigenschaft hat, die elektrischen
Vektoren des Lichtes zu drehen, das von dem ringförmigen Bereich 144 des ersten
Mediums zum ringförmigen Bereich 146 des zweiten Mediums hindurchgeht. Die äußere
Längsfläche des Körpers 148 ist mit einer Schicht aus einer Metallfolie 150 bedeckt.
Die innere Längsfläche des Körpers ist mit einer Schicht 152 aus dem gleichen Material
bedeckt. Die Schichten 150 und 152 sind nicht miteinander verbunden. Eine Induktionsspule
154 ist innerhalb des Körpers 148 angeordnet. Obwohl dieser Körper hier als zylindrisch
dargestellt ist, ist er jedoch nicht auf diese besondere Formausbildung beschränkt.
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Die Einrichtung nach Fig. 10 enthält außerdem bauliche Merkmale der
Ausführungsform der Erfindung, die in F i g. 2 dargestellt ist. Das Licht aus der
Quelle 122 wird in einer ersten Ebene polarisiert und
fällt als
Strahl E' auf die Oberseite des Körpers 148.
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Nach Durchgang durch den Körper 148 ist der elektrische Vektor um
den Winkel H' (s. Fig. 10) gedreht, bevor der Lichtstrahl auf die ringförmige zweite
polarisierende Fläche146, in der das Licht senkrecht zu der Polarisationsebene des
ersten Mediums polarisiert wird. Der Körper 148 schwebt in einer Flüssigkeit 149,
welche die gleiche Zusammensetzung wie die FlüssigkeitR nach den Fig.2 bis 4 aufweisen
kann. Im letzteren Fall ist der Körper 149 anfänglich gegenüber dem Körper A so
ausgerichtet, daß kein Licht auf die lichtempfindliche Zelle 138 fällt.
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Die Enden der Spule 154 sind mit den Metallschichten 150 und 152
verbunden. Die Außenfläche des Generators 126 ist mit einer Schicht aus metallischem
Material 126a bedeckt, und die die Bohrung 129 begrenzende Fläche ist ebenfalls
mit einer Metallschicht 126a bedeckt. Die Erregung der Hochfrequenzspule 128 durch
den nicht dargestellten Schwindungskreis dient zwei Zwecken. Erstens wird der Generator
126, insofern er aus piezoelektrischem Material besteht, durch elektrisch hochfrequenten
Strom erregt, -der in der Spule 128 fließt.-Dementsprechend schwingt der Generator
in einem ausreichenden Ausmaß, um Ultraschallwellenenergie in die Flüssigkeit 149
abzugeben. Diese Energie hat eine solche Größe, daß der Körper 148 dazu gezwungen
wird,- sich konzentrisch und in Längsrichtung- mit Abstand vom Generator 126, wie
dargestellt,' einzustellen.
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Der durch die Spule128 hindurchgehende hochfrequente elektrische
Strom induziert außerdem einen Hochfrequenzstrom in der Spule 156, die mit den Metallschichten
150 und 152 verbunden ist. Die Spule156 ist mit Bezug auf die Spule 128 gegen induktiv,
so daß eine Spannung in der Spule 156 induziert wird, die auf das von den Metallschichten
150 und 152 begrenzte Aquipotential gegeben wird.
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Die angelegte Spannung führt zu einer- Funktion aus Zeit und mechanischer
Spannung und verleiht dem Körper 148 einen Drehimpuls, um ihn anfänglich gegen Drehung
in der Flüssigkeit 149 zu stabilisieren, wenn die Hülse 124, die Flüssigkeit 149
und der Generator 126 diesem gegenüber drehen.
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Diese Ausführungsform der Erfindung arbeitet im wesentlichen in der
gleichen Weise wie die Einrichtungen nach Fig.'2 bis 4, verbunden mit der Ausführungsform
nach Fig.6, und ermöglicht überdies die betrieblichen Vorteile, welche die Ausführungsformen
nach Fig. 1A, 1D, 1E und 1F kennzeichnen.