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Kraftkompensierter Beschleunigungs- und Schwingungsmesswandler Beschleunigungs-Messwandler
werden nicht nur zur Messung linearer Beschleunigungen sondern auch finir wechselnde
Beschleunigungen wie Vibrationen oder Schwingungen eingesetzt.
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Unter dem Begriff Beschleunigungs-Messwandler soll in dieser Schrift
ein Messwandler für atatische wie dynamische, lineare wie wechselnde Beschleunigung
verstanden werden.
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Beim Bau von Beachleunigunge-Messwandlern wird der piezoelektrische
Effekt angewendet. Solche Messwertwandler bestehen dann *us einer seismischen Masse,
welche mittels bekannten Spannmitteln aber eine Anzahl von piezoelektrischen Scheiben
gegen die Montageplattform
gepresstwird. Wird das ganze System Beschleunig@
so bewirkt dit seismische Masse eine Kraft P = m # b auf die piezoelektrischen Kristalleinheiten
aus, welche dadurch eine entsprechende elektrische Ladung Q erzeugen. AIs Piezokristalle
können sowohl kera@@isch erzeugte da auch natürliche Kristalle wie Quarz. Seignettesalz
etx. Verwendung finden.
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Neben diesem hauptanwendungsfalle sind im Handel auch andere kraftempfindliche
Messzellen, anstelle der piezoelektrischen anzutreffen, z. B. die piezoresistiven
Dehnungsmessstre@@engeber kapazitiven oder induktiven Geber. S ie fallen ebenfalls
in den Anwendungsbereich dieser Erfindung. Der Einfachheit halber wird die Erfindung
anhand des piezoelektrischen Beschleunigungs-Messwandlera erltutert.
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Eine hauptschwierigkeit solcher handelsüblicher Beschleunigungs-Messwandler
besteht in der Tatsache, dame das zwischen Messe und Fundament angeordnett Kristellpaket
nicht nur auf Kräfte, hervorgebracht durch Beschleunigungseinwirkung, sondern auch
auf Kräfte, hervergebracht durch mechanische Krafteinwirkungen wie Vorspannungeänderungen,
Gehäusekräfte etc. reagiert, wodurch solche Instrumente in vielen Fällen nicht die
Beschleunigung des Systems messes, sondern eine Unzahl von Kraftwirkungen registrieren.
FOr Anwendungsfälle, wo saw einwandfreie Trennung von Kräften, welche dureb B u
solchen, welche durch andere Einwirkungen zustande kornmen, sind solex Messgeräte
nicht verwendbar.
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Diese Nachteilebestehender Accelere@@eter rühren in erster Linie von
der Tatsache her, dass das Kristall-Masse System unter mechanische Vors gewetzt
werden muss. Sobeld es möglich sein wird dieses System durch ein Löt- oder Schwelzsverfahren
zu einer festgefögten Einheit zu verbinden, so dass das Kristallpaket nicht nur
Druck, -gondern auch zugkräfte übertragen kann, sind mechanische Vorspannmittel
nicht mehr notwendig. Solche Beschleunigungs-Messwandler existieren wohl in der
Fachliteratur, su ihrer Verwirklichung sind aber nech jehrelenge Forechungen notwendig.
Die Henptachwierigkeiten besethen darin, Methoden zu finden, um die Kristallplatten
untereinander sonde auch mit der Masse und der Fundamentplatte mit kaltschwissendem
Let sa verbinden.
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Der Erfindung liegt nun ein Beschleunigungs-Messwandler zu Grunde,
der belotante und erprobte technische Mittel anwende% und welcher eine einwandfreie
Trennung der unerwünschten Kräfte von den Beschleunigungskrten gewährleistet. Dies
wird dadurch erreicht, dass ein Mes@system verwendet wird, welches alle Kräfte,
die nicht von der Beschleunigung herrühren, kompensiert. In diesem erfindungsgemässen
Messsystem v e aueeere Kräfte, die auf das Kristallpaket einwirken können, wie etwa
Aenderungen der Vorspannung durch Temperaturgradienten -oder äussere mechanische
Vorspannung beim Montieren - oder Schalldruck auf das Wandlergehäuse - oder aber
durch Körperschall ent-Ntehende Druckstösse - durch gegenpolige Ladung eines weitern
Kristallpakets
vollständig kompens@er@ Die Erfindung br@ngt son@@ völlig neue Asperme in den Bereich
praktischer Möglichkeiten, wodurch Beschleunigungs-Messwandler gebaut werden können.
welche nicht eine Mischung undefinierbarer Kräfte, welche auf dem Oszillographenschirm
als "Gras" sichtbar werden, registrieren, zondern einwandfreie, der Beschleunigung
des Wandlers entsprechende Werte ergeben.
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Der Gedanke der Erfindung ist an den folgenden Figuren nicher erläutert:
Es zeigen : Fig. l Ein Querschnitt durch eine mögliche Form eines Beschleunigungs-Messwandler
Fig. 2 Ein Querschnitt durch einen handelsüblichen piezoelektrischen Beschleunigungs-Messwandler
Fig. Ein Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Messwandlers.
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Fie. 4 Ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen
Messwandlers mit zwei Ausgängen, unter Einwirkung des ausseren Kraftimpulses Pi
Fig. 5 Messignale an beiden Ausgangen des Wandlers nach Fig. 4 unter Einwirkung
des äusseren Kraftimpulses Pl Fig. 6 Ein Querschnitt durch den Wandler nach Fig.
4 jedoch unter Einwirkung eines Beschleunigungsimpulses b Fig. 7 Messignale an beiden
Ausgängen des Wandlers nach Fig. 6 unter Einwirkung des Beschleunigungsimpulses
b FI 8 in Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemssen
Messwandlers mit 2 Ausgängen ter or. beiden Ausgängen des Wandlers nach Fig. 8 unter
Einwirkung des äusseren Kraftimpulses P1 Fig. 10 Ein Querschnitt durch den Wandler
nach Fig. 8 jedoch unter Einwirkung eines Beschleunigungsinapulses b 11 Messigs@le
ig. beiden Ausgängen des Wandlers nach Fig. 10 Matey Eiawirkang g eines Beschleunigungsimpulses
b Fig. 12 Ein Querschnitt durch einen handelsüblichen Beschleunigungs-Messwandler
unter Einwirkung des äusseren Kraftimpulses P1 Fig. 12 Das Messignal am Ausgang
des Wandlers nach Fig. 12 unter inwrkung des äusseren Kraftimpulses P1 F Querschnitt
durch Wandler nach Fig. 12 jedoch unter Einwirhnag sitits Beschleunigungsimpulses
b Fig. 15 Das Messignal am Ausgang des Wandlers nach Fig. 14 unter Einwirkung des
Beschleunigungsimpulzes b Fig. Ein Querschnitt durch eine Kombination Beschleunigungs-Kraftmeaswandler
zur Bestimmung von Impedanzen.
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Fig. Querschnitt durch einen Pr@@messwandller für Beschleunigang it
aufgeschraubtem Prüfling Fig. Querschnitt durch einen Beschleunigungs-Messwandler
ausgebildet als Stabmesswandler Fig. 19 Diagramm von Druckwellent welche sich durch
Wandler nach Fig. 18 fortpflenzen Fig. 20 Ein Querschnitt eines Beschleunigungs-Measwandlers
in Stabform gestaltet für besonders günstigen Durchschnitt von Körperschallwellen
Der
bis anhin angestrebte Beschleunigungs-Messwandler ist in Figur 1 dargestellt. Dieser
besteht aus der Fundamentplatte 1, aus dem Krist@llpaket 2, der seismischen Masse
3 und einem Schutzgehäuse 4. Das piezoelektrische Paket 2 besteht aus einer Anzahl
von plattenförmigen piesoclulttrXch Schelben, zwischen welchen Metallfolien oder
aufgedampfte odor chemisch aufgetragene Metallschichten 5 liegen. Verbindungsmittel
6 verbinden die gleichpoligen Seiten der Platten miteinander und mit der Fundamentplatte
1. Auf der Gegenseite werden die gegenpoligen lwn durch ähnliche Mittel zum Ausgangsstecker
7 geführt. Das Kristallpaket 2 ist sowohl unter sich, als auch mit der Fundamentplatte
l und der Masse 3 mit einer Löt-, Schweiss - oder Fusionsverbindung zu einer soliden
Einheit zusammengefügt.
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In Figer 2 ist ein dobfibhOer Beschleunigungs-Messwandler gese bestehend
aus der Fundamentplatte 21, dem Kristallpaket 22, der Masse 23, der Vorspannfeder
24 und der Vorspannschraube 25.
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In diesem Fall tiad die Kristallplatten lediglich aufeinander gelegt
und zwar so, dass jeweils gleicuhpolige Flhchen gegeneinander zu Megen kommen, wobei
zwischen diese flhchen wiederum dünne Metallfolien oder Metallillme als Ladungsträger
nach aussen verwendet werden. Die gleichpoligen Ladungen werden wiederum durch Sammelleiter
26 mit dem FuRnt 21 verbunden oder aut der gegenüberliegenden Seite zum Stocker
27 abgeführt. Die Vorspannfeder 24 wird mittels Spannschraube 25 so vorespannt,
dass auch bei der hnchsten zu messenden Beschleunigung
ein Abheben
der Masse 23 vom Kristallpaket 22 nicht errelcht wird. Auf diese Weise wird das
Kristallpaket lediglich auf Druck beansprucht.
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In Figur 3 ist ein erfindungsgemässer Beschieunigungs-Messwandler
gezeigt. Dieser besteht aus der Fundamentplatte 31, aus dem positiv gepolten Kristallpaket
3Z, der Masse 33, dem negativ Sepoltea zristau~ paket 34 und der Verschlussschraube
35. Die beiden Kristallpakete sind so im Messier montier dzs bei einer Krafteinwirkung
P das Kristallpaket 34 eine negeüve ladung an den Sammelleiter 36 und Kristallpaket
32 eine positive Ladung an den Sammelleiter 36 abgibt. Dieser ist mit dem Stocker
37 verbunden. Die Masse 33 ist mit Schiebesitz in die Verldngerung der Fnndamentplatte
31 eingepaMt und kann sich so@it in axialer Richtung frei bewegen. Die Kristallpakete
32 und 34 können aus einer beliebigen Anzahl von Kristallplatten bestehen, wobei
die von beiden Paketen erzeugten Ladungen gegenpolig und je nach Anwendungsfall
von gleicher oder verschiedener Grösse vorgesehen sind. Für volle Kraftkompensation
vie in Fig. 4, 5, 8 und 9 müssen beide Pakete gleich grosse, jedoch gegenpolige
Ladungen erzeugen.
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Die Funktionsweise eines erfindungsgemässen Beschleuniguns-Messwandlere
wird in den Figuren 4 - 11 näher erläutert.
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Figur 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform in einem starren Ge-Muse
41. In diesem Gehäuse sind die Kristallpakete 42 und 44. sowie die Masse 43 unter
hoher mechanischer Vorspannung eingebaut. Zur
besseren Erklärung
der Wirkungsweise sind beide Kristellpakete mit eigenen Ausgängen 45 und 46 versehen.
Diese beiden Ausgänge werden normalerweise in einem einzigen zusammengefasst.
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In Figur 6 sind die Ladungen dargestellt, die von einer Messvorrichtung
festgestellt werden, wenn ein Kraftimpuls P1 auf das Messsystem wirkt.
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Ein slcher Kraftimpuls kann z. B. durch einen Wärmeschock auf das
Gehäuse hervorgerufen werden. Durch die Anordnung der Polarität der bMen Kristallpakete
ergibt sich am Ausgang 46 ein negativer Impuls, von genau gleicher Grösse, unter
Voraussetzung gleicher absoluter Empfindlichkeit der beiden Kristallpakete. Bei
Zusammenschalten dieser Impulse heben sie sich vollständig auf. Der Wandler gibt
also durch eine solcho Krafteinwirkung kein iinal ab.
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In Figur 6 ist der gleiche Wandler gezeigt, jedoch bei Einwirkung
eines Beschleunigungsimpulses b out die Unt*rlage 60. Au di*ftr tior ist starr ausgebildet.
d. h. die Wandungen 61 sind massiv ausgeführt und die beiden Kristallsätze mit der
Masse 63 sind wieder um unter Vorspannung eingebaut Die Betchleunigung b bewirkt
nun, dass die Masse 63 unter dem Einfluss der auf sie einwirkenden Kraft P - m -
b eine minimale Verlagerung um den Weg s awfQhrt. Dadurch wird dz der t 64 um den
Betrag s komprimiert, das untere paket 62 um den Betrag s entlastet. Durch die Kompression
gibt das Paket 64 definitionsgemäss einen negativen Ladungsimpuls entsprechend Figur
7, während Kristallpaket 62 durch htlztiuiag eue dem hoch vorgespanntem Zustand
ebenfalls einen
negativen Ladungsimpuls abgibt. Bei Zusammenschaltung
der beiden Aus-Sie ergibt sich somit ein doppelter negativer Impuls, d. h. beide
Kristallpakete aind Sletchwertig am Messvorgang einer Beschleunigung beteiligt.
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In Figur 8. let ein weitere erfindungsgemässer Messwandler schematisch
gezoigt,, jedoch mit einer elastischen Vorspannung der Kristallpakete 83 und 84
und der Manse 83. Dan Gehãue 80 gebt in die Hülse 81 über.
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Entsprechend Figur 9 bewirktmmeinKreftimpulePtMfdenKrieteU-tz 84 definitionsgem@ss
einen negativen Impuls während der Kristallsatz 82 einen positiven Impuls genou
gleicher Amplitude erzeugt. Nach Zusammenschalten hebe nich die beiden Impulse wieder
auf.
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Ein gleicher Merawandler ist in Figur 10 gezeigt, jedoch water Einwirkung
eer Beechleunigung b auX die Messunterlage 100. Ddurch wirkt aut die Masse 103 eine
Kraft P1 = m - b nach oben, wodurch der Kristallsatz 101 komprimiert wird und der
Kristallsatz 102 entlastet wird. Die Masse der Deckplatte 104 bewirkt ebenfalls
eine Kraft P2 so dess die Deckplatte 104 um die Strecke s2 angehoben wird, da sich
die Hülse 105 elastisch deformiert.
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Diener Entlastungseinfluss wird auf Figur 11 erklärt: Figurt 11 a)
zeigt den Ladungsimpuls herrührend von der seismischen Axas Figur 11 b) denjenigen
herrührend von der Deckplatte 104.
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Figur 11 c) zeigt die Addition der Impulse von Figur 11 a) und b);
während
Figur 11 d) die Addition nach zusammenschaltung seigt, welche@ dem Impuls nach Figur
7 entspricht. Es ist somit erreich@, dass ein Beschleunigungs-Messwandller gebeut
werden kann, dessen Ausgangssig@@@ völlig unebhängig von der Vorspannung des Kristallpakets
ist, immer unter der Voraussetzung gleicher abscluter Empfindlichkeit der beiden
Kristallpakete. Je starrer das Gehäuse gebaut ist, um so gleichmässiger beteiligen
sich beide Kristallpakete am Signalausgang. Zudem ist die kraft@ompensierende Wirkunjg
ebenfalls völlig unabhängig von der Grössenordnung der Vorspannung, da jede Krafteinwirkung
vollständig kompensiert wird. Es lot zu diesen Dariegungen ersichtlich, dass der
erfindungsgemäsee Beschleunigungs-Messwandler nunmehr lediglich Beschleunigungen
miset und unbeeinflusst von Krafteinwirkungen ist, im Gegensatz dazu wie dies andmm
handd handelsüblichen Messwandler gezeigt werden soll.
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In Figur 12 ist ein handelsüblicher Messwandler gezeigt, bestehend
aus dem Gehäuse 121, dem Kristallpaket 122, der Masse 133, der Vorspannfeder 124
und der Montageschraube 125. Wirkt nun ein Kraftimpuls P1@ sei es durch Temperaturschock,
Schalldruck etc. @i@ Montageschraube 125 auf die Vorspannfeder 124, so ergibt sich
ein negative Signalimpuls entsprechend Figur 13, und zwar ist daran die gesamte
Empfindlichkeit des ganzen Kristallpaketes beteiligt. Wirkt nun anderseits ein Beschleunipngaimpule
b entsprechend Figur 14 auf die Messunterlage 140, so wird die Mo 141 durch die
Kraft P i m # b gegen die Vorspannfeder 144 und Montageschraube 145 gedrückt. Durch
die Lageveränderungs wird
die Masse 141 angebhoben und der Kristallsatz
142 entlastet. Dadurch entsteht am Ausgang entsprechend Figur 15 ein positives Signal,
das messignal. Aue dom Vergleich der Figuren 12 und 14 ist somit ersichtlich, dass
am Ausgang eines solchen Messwandlers nicht mehr unterschieden werden kann, ob das
Signal durch Krafteinwirkung oder Beschleunigungseinwirkung entstanden ist, was
in vielen Fällen völlig unbefriedigende R*siltate ergibt.
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Nachdem die Funktionwweiwe der Erfindung dargestellt bourde, en noch
wenige Anwendungegebiete angefahrt werden.
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Figur 16 zeigt eine Kombination eines erfindungsgemässen Beschleunigungs-Messwandlers
mit einem piezoelektrischen Kraftmesswandler@ in Serie geschaltet. Solche anordnungen
werden in Schwingungsuntersuchen zu Impedanzmessungen benötigt. Sie besteht aus
dem starren Gehäuse 161, den beiden Kristallsatzen 162, der Masse 163, dem kraftmessenden
Kristallsatz 164 und der Druckplatte 165. Die Gehausewand 166 don Kraftmesssatzes
ist sehr elastisch gehalten damit ein möglichst grosser TeU der zu messenden Kraft
liber den Kristallsatz 164 geleitet wird.
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Dessen Ausgang wird mit dem Stecker 167 verbunden, währendem die Beschleunigungs-Kristallsatse
162 mit dom Stecker 168 rbunden sind.
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Die Einheit gestattet Montage in einem bewegenden System und erlaubt
einwandfreie Trennung der Messung von Kraft und Beschleunigung desselben
EisweitereitessMAi&agi«taFgr17gesaigwed&<Brfindung
als Prüf@tandard f@r fhangaPrM&as"dr.aMeBeweM.«m!a<M<Wtaaef vrw$Bd-wdn!?t.Satahtwdaam&etsMntttMaCta<
lw<lcha)ß&ufsahwiaadeüaBtt?0meaM<rtMaata& Auf u@ der Deckplatte 172
ist ein handelsüblicher Beschleunigungs-Messwandler 173 kraftschlüssig verbunden
montiert. Die ganze Einheit wird nun auf einen handelsüblichen Vibrator montiert
und die beiden Signale werden nun verglichen. Durch die völlige Kraftunempfindlichkeit
des erfindungsgemässen Wandlers ergibt sich ein geeigneter Prüfstandard für Kalibrierung
von Beschleunigungs-Messwandlern jeder Art.
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In regur 18 ist ein erfindungsgemässer Wandler gezeigt, der als Einbauelement
in beliebige bewegliche Systeme geeignet ist. Er besteht aus den beiden symmetrischen
Krperhälften 181 und 182, die in der Mitte nach bekannten Verfthren zusammengeschweisst
oder geschraubt soin Mnaen und zwiechen ihren Druckfmchen 18S und 184 die erfindungsgemässe
Kristallanordnung aufweigen Die beiden Krietelleetze sind mit dem Ausgang 185 verbunden.
Durch die Möglichkeit der völlig 11 en Anordnung der Verbindungeteile 181 und 182
ergibt aich nua der grosse Vorteil, dass eintretende Körperschallwelllen P unbehindert
durch den Mosawandl*r durchtraten können und am anderen End in du Verbindungsglied
187 weitergeleitet werden. Würde statut des erfindungsgemässen ein handelsüblicher
Wandler so eingebaut, so würde eine im Eingangsglied 1@@ eintreffende Körperschallwelle
an der Masse reflektiert was zu unangenehmen
Signalstörungen führen
kann. Die erfindungsgemässe Ausführung gents indium unbehinderte Kraftübertragung
über den eingebauten Messwaadler chne sa befürchten, daoe dadurdh da Messignal verändert
würde.
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In Figur 19 sind die Verhältnisse dargestellt, wenn eine Körperschallwelle
mit stellem Druckanstieg und der Amplitude P in don Messwandler einläuft mit der
Geschwindigkeit v. Bei Auftreffen auf den ersten Kristallgtz entsteht *in powitiver
Signalimpuls, der nack Durchlaut durch den srit fiats wieder auf den Wert Null abgebaut
wird. Je kürzer nun die Distanz zwischen den beiden Kristallsätzen gestaltet werden
kann, um so geringer ist die Störung, die noch durch Körperschallwellen erzeugt
werdenMnnen.EinWandlernchdieeemGedankenietihFigur30 dargestellt. Darin wind wiederum
zwei Anschlussstücke 200 und 205 vorgesehen, welche mit den symmetrischen Teilen
201 und 304 verbunden sine. t Die aktive seismische Masse ist schwingradförmig ausgebildet
mit möglichst dünner Flanschpartie zwischen den Kristallsätzen, damit die beiden
mich aufhebenden Impulse zeitlich möglichst nahe zusammenliegen.
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Ein durchlaufender Druckimpule ist in Figur 18 a) dargestellt, mit
der Amplitude p und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit v. Figur 19 b) zeigt den potitiven
Signalimpuls des Kristallsatzes 188 währenddem Figur 19 c) denum df Zdt T = V/X
verschebenen, negative signalimpuls des Kristallsatzes 189 zeigt. Figue 19 d) gibt
das am Ausgang 185 registrierte @
Wird mm die Flanschpartie X der
seismischen Masse zwischen den Kristallsätzen entsprechend Figur 20 etwa 2 mm gewählt,
so beträgt der zeitliche Unterschied T(Figur 19 d) grössenordnungsmässig 1 Mikrosekunde,
was ohne Schwierigkeiten ausgefiltert werden kann.
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Die Erfindung ermöglicht somit die wirtschaftliche Herstellung von
kraftkom pen@ierten Beschleunigungs-Messwandlern, welow zu bedeutenden Verbesserungen
in der Messtechnik führen wird, da die Erfindung gestattet, Beschleunigungs- und
Krafteinflüsse an bewegenden Syatemen getrennt su srfsone Zudem sind auch die sonst
sehr ge-Nr¢ht Temperaturschockeinflüsse von auszen praktisch eliminiert, da die
dadurch hervorgerufenen Vorspannungsänderungen durch die eingebaute Kraftkompensation
wirkungoloo auf das Aungangasigmd worden.
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Ferner ermöglicht die Erfindung ganz neue Konstruktionsformen von
Beschleunigungs-Messwandlern, die als Einbauglieder in Bewegungaübertragungsorgane
vorgesehen werden können und völlig kraftschlüssige Verbindungen gestatten, die
praktisch keine Veränderung der Elastizität dex Verbindung erbringen. Zudem ermöglicht
die Ertindung auch gans notte Kombinationen von Beschleunigungs- und Kraftmessgeräten,
welche wiederum völlig kraftschlüssig sein können und in beliebige Systeme eingobaut
werden. Endlicb ermöglicht die Erfindung auch Beschleunigungs-Messgeräte, bei denen
die sehr unbeliebten Körperschallwellen praktisch unbehindert durch die Messwandler
durchlaufen können und keine nennensverte Störsignale hervorrufen. Dies ist insbesondere
der Fall, wenn die
Masse schwungradförmig ausgebildet ist und die
Partie zwischen den D mCgMchst dQnn ist.
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N Erfindung eignet sich insbesondere für den Einbau von allen Arten
von piezoclektrischen Materialien, sowohlkünstlicher als auch natürlicher.
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Sie ist aber nicht auf piesoelektrische Mittel beschränkt, da sie
ebensogut fOr dle anderen Messsysteme angewendet werden kann, bei denen die Beschleunigungsmessung
über eine Kraftmessung erflgt.
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In den beschriebenen Beispielen wurden durchwegs auf die Gegenpoligkeit
der beiden KristaUpstete Wert gelegt. Die Erfindung ist aber auch auf F'le enwendbar,
wo gleichgepolte Resellen von Vorteil aind und wo die Signale der beiden Mezellen
zusammengeachaltet oder aber auch einzeln aus dem Wandler herausgeführt werden können.
Sie gestattet auch durch Anwendung einfacher Mittel sehr wirtechaftliche hochpraziee
Messinstrumente herzustellen, da alle kostspieligen Konstruktionen Vorsorgen zur
Reduzierung von Krafteinflüssen waren, die mit einem Schlag @ überflüssig werden
durch die Kraftkompensation, welche die Uebel an der Wurzel erfasst.