DE1236839B - Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

Deutsche Kl.: 42 ο -17

AUSLEGESCHRIFT —· ™*»

Aktenzeichen: G 38462IX b/42 ο

1 236 839 Anmeldetag: 13.August 1963

Auslegetag: 16. März 1967

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsmesser, bei dem die zu messenden Kräfte eine metallische Platte im Feld eines Kondensators bewegen, dessen jeweilige Spannungsänderung eine elektrostatische Rückstellung der Platte in ihre Nullage herbeiführt.

Ein Beschleunigungs- oder Kraftmesser, der nach diesem Prinzip arbeitet, ist bereits aus der deutschen Auslegeschrift L 23179 IX/42 k bekannt. Bei diesem Gerät bildet eine zwischen zwei Elektroden eingespannte sich unter Krafteinwirkung auf die eine oder andere Elektrode zu bewegende metallische Membran einen Differentialkondensator. Eine bestimmte elektrische Schaltung dient dabei zur Feststellung der Spannungsänderungen am Differentialkondensator und zur Erzeugung der erforderlichen elektrostatisehen Rückstellkraft. Die genannte Vorveröffentlichung zeigt jedoch nur das Schaltungsprinzip und enthält keinerlei Hinweise auf die praktische Ausführung, insbesondere auf den Schutz der Anordnung gegen äußere Einflüsse. Der sich anbietende einfache Einbau der Anordnung in ein Gehäuse würde zu einem unnötig umfangreichen Gerät führen und außerdem auch etwa den Einfluß der Temperatur nicht ausschalten, der um so schädlicher ist, je kleiner die zu messenden Kräfte sind. Die gleichen Probleme sind auch bei dem Kraftmesser nach der USA.-Patentschrift 2 968 952 nicht gelöst.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 062 965 ist ferner ein Beschleunigungsmesser bekannt, bei dem das beschleunigungsempfindliche Element aus einer in sechs Kalotten unterteilten metallischen Hohlkugel besteht, die zwischen ebenfalls kalottenförmigen Kondensatorplatten gehalten wird. Neben den bereits erwähnten Problemen weist eine solche Bauart den Nachteil auf, daß sowohl die Herstellung als auch die Montage und Justierung der Kugelkörper schwierig und teuer ist und daß das Instrument bei gegebener Empfindlichkeit wegen des hohlen Meßelementes verhältnismäßig groß wird.

Erfindungsgemäß werden die genannten Mängel und Nachteile bei einem Beschleunigungsmesser der eingangs bezeichneten Art durch ein aus drei Teilen aufgebautes Gehäuse vermieden, in dessen Mittelstück die beschleunigungsempfindliche metallische Platte nebst ihrem Träger so untergebracht ist, daß sie zwischen den jeweils an der Innenfläche der beiden Seitenteile befindlichen Kondensatorplatten kleine Bewegungen ausführen kann, wobei Gehäuse und Träger der metallischen Platte aus einem Werkstoff geringer träger Masse und kleiner Wärmeleitfähigkeit — vorzugsweise aus Glas — bestehen. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform lassen sich auftre-Beschleunigungsmesser

Anmelder:

General Precision Inc.,
Little Falls, N. J. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. Η. v. Schumann, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:

John C Stiles, Morristown, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 16. August 1962 (217 320)

tende Mängel leicht nachprüfen, die Einzelteile sind leicht zu montieren und der Raumbedarf des Meßgerätes ist infolge seiner kompakten Bauweise sehr gering. Wärmeeinwirkungen werden vermieden, da das Gehäuse und der Träger der metallischen Platte aus die Wärme schlecht leitendem Werkstoff bestehen. Dadurch ist das erfindungsgemäße Gerät auch für solche Zwecke brauchbar, bei denen es beträchtlichen Temperaturen und insbesondere auch großen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, insbesondere im Hinblick auf eine möglichst gedrängte Bauform, ergeben sich aus den angefügten Unteransprüchen. Besonders günstig ist es, das Gehäuse nach außen abzuschließen und die bewegbare metallische Platte mittels eines Gases — z. B. Luft — zu dämpfen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand von Zeichnungen beschrieben.

F i g. 1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsdurchmessers ;

F i g. 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 durch den zusammengebauten Beschleunigungsmesser;

F i g. 3 zeigt schematisch eine Anordnung zum Steuern des Beschleunigungsmessers nach Fig. 1;

F i g. 4 zeigt eine abgeänderte Ausbildungsform der Erfindung im Längsschnitt;

F i g. 5 ist eine perspektivische Darstellung eines abgeänderten Pendels und einer Elektrodenanordnung, wobei das Gehäuse des Beschleunigungsmessers aus Gründen der Deutlichkeit fortgelassen ist;

709 519/145

F i g. 6 ist ein Schnitt längs der Linie 6-6 in F i g. 5.

In F i g. 1 und 2 erkennt man einen insgesamt mit 10 bezeichneten Beschleunigungsmesser nach der Erfindung, der ein Gehäuse 12 mit einem flachen rechteckigen Mittelteil 14 und einer I-förmigen Kammer 16 umfaßt; die Kammer wird durch zwei Deckplatten 18 und 20 abgegrenzt, die mit den voneinander abgewandten Flächen des Mittelteils 14 verbunden sind. Das Gehäuse 12 besteht vorzugsweise aus Glas, das eine hohe Stabilität besitzt, und insbesondere aus Quarz, da Quarz vermutlich das mechanisch stabilste aller bekannten Materialien ist.

Ein Pendel 22 ist in dem Gehäuse an zwei Torsionsfaserscharnieren 24 aufgehängt, wie man sie gewöhnlich bei Mikrowaagen und ähnlichen Geräten verwendet. Das Pendel 22 umfaßt einen Schaft 26, der sich im wesentlichen rechtwinklig zu der durch die Torsionsfasern 24 bestimmten Achse erstreckt und an einem Ende nach außen abgewinkelte Arme 29 trägt, die mit den Torsionsfasern verbunden sind; am anderen Ende ist ein leitfähiger Kasten 30 vorgesehen, der eine Bezugsmasse .bildet. Der leitfähige Kasten 30 umfaßt durch einen Abstand getrennte parallele Wände 32 und 34, die in zum Schaft 26 im wesentlichen rechtwinkligen Ebenen liegen, und der as Kasten wird durch eine zentrale Membran 36 in zwei Hälften unterteilt; die Membran 36 erstreckt sich rechtwinklig zu den Wänden 32 und 34, so daß zwei sich nach außen öffnende Aussparungen vorhanden sind. Das Pendel 22 besteht vorzugsweise aus Quarz und hat eine sehr geringe Wandstärke; das gesamte Pendel ist mit einem dünnen Überzug aus Platin versehen, um es zu einem noch zu erläuternden Zweck elektrisch leitfähig zu machen.

Isolierende Klötze 38 und 40 stehen gegenüber den Innenflächen der Deckplatten 18 und 20 vor und ragen in die Vertiefungen des Kastens 30 auf beiden Seiten der leitfähigen Membran 36 hinein. Die Oberflächen der leitfähigen Klötze sind mit einem dünnen Überzug aus Platin versehen, so daß der Klotz 38 leitfähige Flächen 41, 42 und 44 und der Klotz 40 ähnliche leitfähige Flächen 46, 48 und 50 aufweist. Die leitfähigen Flächen 41 und 46 arbeiten mit dem Platinüberzug auf der Innenseite der Wand 32 des Kastens 30 zusammen, um einen Satz von Kondensatorplatten zu bilden, während die leitfähigen Flächen 44 und 50 mit dem Platinüberzug auf der Oberseite der Wand 34 des Kastens einen weiteren Satz von Kondensatorplatten bilden; alle Kondensatorplatten liegen in einer noch zu beschreibenden Schal- tung, die so aufgebaut ist, daß eine elektrostatische Rückstellkraft erzeugt wird, die bestrebt ist, den leitfähigen Kasten 30 in seine Nullage zu bringen. Die leitfähigen Flächen 42 und 48 sind gegenüber den ihnen zugewandten Flächen der leitfähigen Membran 36 angeordnet und bilden einen Kondensatorgeber, bei dem die leitfähige Membran das bewegliche Organ bildet.

Die elektrische Zuleitung für das Pendel 22 kann durch eine äußere Leitung 52 gebildet werden, die aus dem Mittelteil 14 des Gehäuses herausragt, und deren inneres Ende durch einen Draht 55 leitend mit dem ortsfesten Ende der Torsionsfaser 24 verbunden ist. Auf der Innenseite der Deckplatte 18 können Anschlüsse 56 und 58 vorgesehen sein, um das Anschließen von Leitungen 60 und 62 an die leitfähigen Flächen 41 und 44 zu erleichtern; ähnliche Anschlußstücke 64 und 66 können auf der Innenseite der

Deckplatte 20 angeordnet sein, damit man Leitungen 68 und 70 mit den leitfähigen Platten 46 und 50 verbinden kann. Die Leitungen 71 und 72 können direkt durch die isolierenden Klötze 38 und 40 geführt werden, um eine leitende Verbindung zu den leitfähigen Platten 42 und 48 herzustellen. Das Gehäuse 12 kann ferner drei miteinander fluchtende Öffnungen 74 und einen zweiten Satz von drei gleichachsigen öffnungen 76 erhalten, so daß durchgehende Löcher vorhanden sind, mittels deren das Gehäuse zusammengehalten und an einem Tragorgan befestigt werden kann.

Eine Ausführungsart einer Steuerschaltung für den Beschleunigungsmesser 10 ist in F i g. 3 schematisch dargestellt; die leitfähigen Flächen 42 und 48 stehen den ihnen zugewandten Flächen der leitfähigen Membran 36 gegenüber, so daß sie den Geber des Kondensators bilden, und die leitfähigen Flächen 41, 44, 46 und 50 überlappen teilweise die Innenflächen der Wände 32 und 34 des leitfähigen Kastens 30. Die leitfähigen Flächen 42 und 48 sind mit den Enden der Sekundärwicklung eines Transformators 80 verbunden, und ein geeigneter Verstärker 82 ist zwischen der leitfähigen Membran oder Trennwand 36 und einem Punkt zwischen den Enden der Sekundärwicklung des Transformators 80 angeschlossen. Gemäß F i g. 3 befindet sich der leitfähige Kasten 30 in der Nullstellung, so daß kein Ausgangssignal erzeugt wird. Sobald sich jedoch der Kasten 30 beim Auftreten einer Beschleunigungskraft in der einen oder anderen Richtung verlagert, wird ein Ausgangssignal erzeugt, das im Verstärker 82 verstärkt wird, um einen Motor 84 in der betreffenden Richtung anzutreiben, damit die Stellung eines Schleifkontaktes 86 eines Potentiometers 88 verändert wird.

Eine Batterie 90 liefert einen Spannungsabfall längs des Potentiometers 88, und die leitfähige Fläche 50 ist mit dem unteren Ende des Potentiometers verbunden, während die leitfähige Fläche 44 an das obere Ende des Potentiometers angeschlossen ist. Ferner sind zwei Ausgangsklemmen 92 und 94 vorgesehen; die Klemme 94 ist mit einer Mittelklemme der Batterie 90 verbunden. Die Ausgangsklemme 92 ist direkt an die leitfähigen Flächen 41 und 46 sowie an den Schleifkontakt 86 des Potentiometers angeschlossen. Bei dieser Anordnung arbeiten die Flächen 41 und 44 mit den Wänden 32 und 34 des leitfähigen Kastens 30 zusammen, um auf den Kasten eine gemäß F i g. 3 nach rechts wirkende elektrostatische Zugkraft aufzubringen, während die Flächen 46 und 50 mit den Wänden 32 und 34 des Kastens zusammenarbeiten, so daß auf den leitfähigen Kasten eine nach links wirkende elektrostatische Zugkraft aufgebracht wird; die Größe dieser Zugkräfte richtet sich nach der an den leitfähigen Flächen liegenden Spannung. Wenn der Motor 84 den Schleifkontakt 86 in der einen oder anderen Richtung verstellt, was geschieht, wenn der Kondensatorgeber ein Ausgangssignal abgibt, werden die Spannungen, die an der oberen und der unteren Hälfte des Potentiometers 88 liegen, geändert, so daß die erwähnten elektrostatischen Zugkräfte aus dem Gleichgewicht gebracht werden, um den leitfähigen Kasten 30 in der Nullage zu halten. Bei diesem unabgeglichenen Zustand entsteht eine Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 92 und 94, die der auf den leitfähigen Kasten 30 wirkenden Beschleunigungskraft direkt proportional ist. Es sei bemerkt, daß der durch den Motor 84 zu betätigende Schleifkontakt 86 des

Claims (1)

Potentiometers nur als Beispiel gezeigt worden ist, denn man könnte auch andere Spannungsteileranordnungen oder andere Mittel vorsehen, um die Spannung zu variieren, welche an die leitfähigen Flächen zum Erzeugen elektrostatischer Rückstellkräfte angelegt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 beträgt die durch den Transformator 80 aufgebrachte Erregerkraft 6,3 V bei 4000 Hz, und die Gleichspannung der Batterie 90 beträgt 300 V. Das Gewicht der Bezugsmasse beträgt etwa 2 Milligramm, und die geometrischen Verhältnisse der Flächen 41, 44 und 46, 50 sind so gewählt, daß eine elektrostatische Rückstellkraft derart erzeugt wird, daß die elektrostatische Kraft zwischen jedem Satz von Flächen und der Bezugsmasse bei 300 V etwa 32 Dyn beträgt. Hierbei kann die Bezugsmasse bei einer Beschleunigung von bis zu 16 g verwendet werden. Wegen des sehr geringen Gewichts der Bezugsmasse kann man ihre Bewegungen leicht mit Hilfe eines Gases dämpfen. Die gesamte Kammer 16 im Mittelteil 14 des Gehäuses ist mit einem geeigneten Gas, z. B. Luft, gefüllt, oder man verwendet ein Gas mit höherer Viskosität, z. B. Argon; da die isolierenden Klötze 38 und 40 die Aussparungen auf beiden Seiten der leitfähigen Membran 36 im wesentlichen ausfüllen, wird das Gas gezwungen, von einer Seite des Kastens zur anderen zu strömen, wenn das Pendel verlagert wird; auf diese Weise wird die Bewegung des Pendels gedämpft. Diese Dämpfungskraft genügt, um eine kritische Dämpfung bei einer Eigenschwingungszahl von 300 Hz bei Verwendung von Luft zu ermöglichen, während die kritische Dämpfung bei einem Gas von höherer Viskosität, z. B. Argon, bei einer Eigenschwingungszahl von 600 Hz eintritt. Die Viskosität des Gases ändert sich ziemlich langsam, d. h. sie nimmt mit steigender Temperatur zu und man kann erreichen, daß die Dämpfung des Beschleunigungsmessers innerhalb eines Bereichs von 300° C um weniger als 20% variiert. Wenn man alle Teile des Beschleunigungsmessers 10 aus Glas oder Platin herstellt, zeigt der Beschleunigungsmesser eine außergewöhnliche Stabilität, und er kann als vollständiges Aggregat im Ofen bei etwa 1200° C geglüht werden, um alle inneren Spannungen zu beseitigen. Es sind keine weiteren Einstellarbeiten erforderlich, und das Aggregat bleibt während einer unbestimmten Zeit in seinem spannungsfreien Zustand. Ein solcher Beschleunigungsmesser kann bei sehr hohen Temperaturen benutzt werden, denn der Erweichungspunkt von Quarz liegt oberhalb von 1500° C, so daß ein Dauerbetrieb des Beschleunigungsmessers bei 1000° C keine Schwierigkeiten bieten würde. Ferner kann der Beschleunigungsmesser einwandfrei im Bereich einer sehr starken Kernstrahlung arbeiten; die einzige Beschränkung ergibt sich hierbei durch das mögliche Kurzschließen der äußeren Anschlüsse des Beschleunigungsmessers für den Fall, daß die Strahlung so stark wird, daß ein Plasma entsteht. Da Glas ein verhältnismäßig leichtes Material ist, dessen spezifisches Gewicht etwa doppelt so hoch ist wie dasjenige von Wasser und nur ein Viertel desjenigen von Stahl beträgt, läßt sich aus Glas ein Pendel von sehr geringem Gewicht herstellen. Platin wird in Form eines Überzugs auf dem Glas verwendet, um die erforderliche elektrische Leitfähigkeit zu schaffen, da Platin mechanisch stabil und chemisch inert ist und sich mit Glas einwandfrei verbinden läßt. Jedoch könnte man auch jedes andere elektrisch leitfähige Material verwenden, daß diese Eigenschaften besitzt. Ein weiteres für das Pendel 22 verwendbares Material ist Tonerde. Wenn man dieses Material bei einem Pendel verwendet, würde man einen pendeiförmigen Körper aus Aluminium herstellen und die Oberfläche des Pendels anodisch behandeln, damit der aus Aluminium bestehende Körper ίο durch Auflösen entfernt werden kann; auf diese Weise bildet der anodisch erzeugte Überzug das gewünschte dünnwandige Pendel. Eine weitere Möglichkeit, das Pendel 22 in dem Gehäuse zu unterstützen, ist in F i g. 4 dargestellt, wc Quarzfaserscharniere 96 als direkte Verlängerungen der auch außen abgewinkelten Arme 28 des Pendels vorgesehen sind, wobei die Enden der Fasern an geneigten Flächen in den Ecken der Aussparung 16 befestigt sind. Bei dieser Konstruktion würden die Fasern 96 im Gegensatz zu der Anordnung nach F i g. 1 nicht auf Verdrehung, sondern auf Biegung beansprucht. Hierdurch erhält man eine etwas steifere Aufhängung für das Pendel, so daß man den Verstärkungsgrad des Verstärkers erhöhen muß, doch erhält man bei dieser Anordnung auch eine genügend hohe Eigenschwingungszahl, so daß weniger leicht Schwierigkeiten durch Schwingungen hervorgerufen werden. In Fi g. 5 und 6 ist ein Pendel 100 dargestellt, bei dessen Verwendung es nicht erforderlich ist, den Ieitfähigen Kasten vorzusehen, der gemäß F i g. 1 und 2 dem einen Ende des Pendels 22 zugeordnet ist. Das Pendel 100 hat einen quadratischen Querschnitt und ist am einen Ende mit Hilfe von Torsionsfaserscharnieren 24 drehbar gelagert. Bei dieser Konstruktion kann man die leitfähigen Flächen 41, 44, 46 und 50 so anordnen, daß sie teilweise ihnen zugewandte Flächen des Pendels überlappen, die wie zuvor mit Platin überzogen sind, so daß sie Sätze von Kondensatorplatten bilden, mittels deren die elektrostatischen Rückstellkräfte aufgebracht werden; die leitfähigen Flächen 42 und 48 können so angeordnet werden, daß sie den betreffenden Flächen des Pendels gegenüberliegen, die ebenfalls mit Platin überzogen sind, so daß sie ein Gebersignal liefern, mittels dessen die Stellung des Pendels ermittelt werden kann. Da das Pendel einen quadratischen Querschnitt hat, kann man es in einer Kammer des Beschleunigungsmessers anordnen, die einen rechteckigen Querschnitt hat, wobei ein kleiner Spielraum zwischen dem Pendel und den Wänden der Kammer vorhanden ist, auf denen die leitfähigen Platten 41, 44, 46 und 50 angeordnet sind. Hierdurch wird das in der Kammer enthaltene Gas gezwungen, die Spielräume von der einen Seite des Pendels zur anderen zu durchströmen, wenn sich das Pendel bewegt, so daß die Pendelbewegung durch das Gas gedämpft wird. Patentansprüche:

1. Beschleunigungsmesser, bei dem die zu messenden Kräfte eine metallische Platte im Feld eines Kondensators bewegen, dessen jeweilige Spannungsänderung eine elektrostatische Rückstellung der Platte in ihre Nullage herbeiführt, gekennzeichnet durch aus drei Teilen (14, 18, 10) aufgebautes Gehäuse (12), in dessen Mittelstück (14) die metallische Platte (36) nebst ihrem Träger (22) so untergebracht ist, daß sie zwischen den jeweils an der Innenfläche der bei-