DE1921125A1 - Kraftmesser - Google Patents

Description

• Kraftmesser Bei Kraftrnessern läßt SiCtI eine hohe Genauigkeit durch eine sehr genaue Messung der Verschiebung des bewegt lichen Elementes, durch eine hohe Verschiebungsempfindlicnkeiten ermöglichende Aufhängung des beweglichen Elementes oder durch eine Kombination von beiden erreichen.
• Die beste Einrichtung zur Erreichung einer hohen Verschiebungsempfindlichkeit in einem horizontalen Beschleunlgungsmesser oder Selsmometer war das horizontale Pendel. Dieses Pendel schwingt um eine etwa vertikale Achse, so daß die Pendelbewegungen in einer nahezu @orizontalen Ebene erfolgen. Bei einer derartigen Einrichtung bewirken geringe änderungen der Lage oder der horizontalen Beschleunigung eine große Anclerurlg der Stellung des Pendels und darnit eine hohe Verschiebunsempflndlichkeit.
• Die Einrichtung mit der größten Verschiebungsempfindlichkeit, die sisher als Gravitationsmesser, Vertlkal-Be-Schleuntgungsmesser oder Vertikal-Seismometer benutzt wurde, war die "Nullängen-Feder" - Aufhängung. Eine derartige Einrichtung ist in der USA - Paentschrift 2 293 437 beschrieben. Bei ihr ist das kraftempfindliche Element (n einer im wesentlichen horizontalen Achse angelenkt und von einer " "Nullängen-Feder" gehalten, d.h. von einer Feder, deren Länge im ungestreckten Zustand null ist oder null wäre, wenn si.eh die Windungen der Feder im unbelasteten Zustand nicht berühren würden. Wie in der vorstehend genannten Patentschrift beschrieben, hat diese "Nullängen-Feder"-Aufhängung eine schr hohe Verschiebungs empfindlichkeit.
• Das horizontale Pendel und die "Nullängen-Feder" - Aufhängung haben mehrere Nachteile. So wird bei beiden die Verschiebungsetnpfindliehkeit durch Neigungen des Gerätes beeinflußt, was für den Fall des horizontalen Pendels offensichtlich ist und für die "Nullängen-Feder"-Aufhängung in der vorstehend genannten Patentschrift beschri.eben wird. Ferner ist die Bewegungsbahn-des Schwerpunktes der beweglichen Massen bei beiden Einrichtungen ein Kreis und keine Gerade. Daher ist die Empfindlichkeit der Masse auf angreifende Kräfte nicht unabhängig von der Lage der Masse innerhalb der kreisförmigen Bewegung bahn. Mit anderen Worten, die Lage der Empfindlichkeitsachse (Richtung der maximalen Empfindlichkeit) ändert sich mit der Lage der beweglichen Masse. Durch diese Anderungen der Richtung der Empfindlichkeitsachse trete,n zwei? Schwierigkeiten auf. Einmal wird die Auswertung oder Verarbeitung der Daten in der Seismik oder bei der Trägheitslenkung komplizierter. Andererseits ergeben sichFehler, wenn Gravitationsmesser oder Beschleunigungsmesser gleichzeitig Beschleunigunge in verschiedenen ichtungen ausgesetzt werden. Diese Fehler sind als Kopplungsfehler bekannt und beispielsweise in "Geophysics" 1967, Vol. 3,2 S. 99 bis 109 beschrieben.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kraftmesser, beispielsweise für Nivelliergeräte, Gravitationsmesser, horizontale oder vertikale Beschleunigungsmesser, horizontale oder vertikale Langzeit-Seismometer zu schaffen, bei dem sich die Empfindlichkeitsachse des beweglichen Elementes nicht mit dessen Bewegung verschiebt, der ein hohes Verhältnis von Dämpfung zur Masse des beweglichen Elementes hat, dessen VerscllieDungsempf indl ichkeit und Frequenz nicht merkbar durch Neigungen des Gerätes oder Verschiebung des beweglichen Elementes aus einer Bezugslage beeinträchtigt wird, der zur Messung von Neigungen, der Gravitation, von Horizontal- und Vertikalbeschleunigungen, horizontalen und vertikalen seismischen Bewegungen geeignet ist und bei hoher VerschiebungselnpSindlichkeit eine verhältnismässig kleine, auf das bewegliche Element wirkende Rückstelltcraft hat.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftmesser dadurch gelöst, daß eine Masse an einem Rahmen befestigt und nur entlang eiiier von drei Kodrdinatenachsen unter geringer Drehung um diese eine Koordinatenachse der Bewegung bewegbar ist.
• Ztn Befestigung der Masse am Rahmen sind vorzugsweise eine Anzahl von ion wesentlichen gleichlangen Verbindungen vorgesehen.
• Außerdem kann zur Befestigung der Masse am Rahmen eine "Nullängen-Feder" vorgesehen sein.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand der lQusführungsbeispiele zeigenden Figuren näher erlXutert.
• Fig. 1 zeigt in Perspektivischer Darstellung eine durch die zu messende Kraft bewegliche Masse und ihre Befestigung, wobei die Lage der Masse~nach der Verschiebung entlang der Empfindlichkeitsachse gestrichelt dargestellt ist; Fig. 2 zeigt die Aufsicht auf einen Kraftmesser gemäß der Erfindung mit einem teilweise geschnittenen Gehäuse, so daß die Befestigung der bewegliches Masse im Gehäuse erkennbar ist; Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2; Fig. 4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 2; Fig. 5 zeigt die Seitenansicht eines anderen usführungsbeispiels der Erfindung, wobei ein Teil des Gehäuses weggeschnitten ist, um die Befestigung der zwischen Gehäuse und Masse zu zeigen; Fig. 6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5; Fig. 7 zeigt einen Schnitt entlang der LinieII-VII in Fig. 6; Fig. 8 zeigt in Prinzip einen Kraftmesser gemäß der Erfinduiig zur Verdeutlichung der Berechnung des Aufbaus.
• Das bewegliche El,elnent oder die Masse M und die zugehörige Aufhängung ist in Fig. 1 so perspektivisch dargestellt, daß die Befestigung und Bewegung der Masse M zu erkennen ist. Die Masse M ist ein quaderförmiger massiver Körper. Die Empfindlichkeitsachse oder Koordinatenachse der Bewegung erstreckt sich vorzugsweise, wie hier dargestellt, durch den Schwerpunkt Gr der Masse Al und durch zwei Endflächen dieser Masse. Am Boden, den Seiten und der oberen Fläche sind jeweils ein Paar Verbindungsglieder befestigt, die die Masse M mit einem entsprechenden Rahmen beispielsweise dem in den weiteren Figuren gezeigten Gehäuse, vorbinden. Die festen Enden der Verbindungsglieder sind in Fig. 1 im Prinzip gezeigt.
• An der oberen Fläche und arn Boden der Masse N befinden sich jeweils zwei Zugverbindungen , während an den Seiten jeweils zwei Druckverbindungch C vorgesehen sind.
• Bezogen aur die in Fig. 1 gezeigte Endfläche der MaSse -M verhindern die beiden Zugverbindungen oben und unten eine Bewegung der Masse i Gegenuhrzeigersinn. Die Druckverbindungen verhindern Bewegungen im Uhrzeigersinn. Die wirksame Länge aller Verbindungen ist im wesentlichen gleich. Vorzugsweise sind die Abstände aller Befestigungs punkte der Verbindungen an der Masse M von der Empfindlichkeitsachse gleich groß. Ebenso sind die Abstände aller Befestigungspunkte oder Verbindungen am Gehäuse oder Rahmen von der Empfindlichkeitsachse gleich groß.
• Somit weist die Aufnängung für die masse m eine Anzahl von gleichlangen Verbindungen auf, die paarweise parallel sind.
• Bewegungen der masse M sind. außer in Richtung der Empfindlichkeitsachse, nicht möglich, Bewegt sich die masse M entlang der Empfindlichkeitsacnse, so erfährt sie eine Drehung um diese Achse, da eine Winkelverschiebung der Befestigungspunkte der Verbindungen on der Masse M bezüglich der resten Enden der Verbindungen erfolgt. Die Lage eines Endes der masse M nach einer Bewegung entlang der Empfindlichkeitsachse in Richtung des Pfeils am -Ende dieser Achse ist gestrichelt gezeigt. Der gebogene Pfeil zeigt die Bewegung der Masse M um die Empfindlichkeitsachse infolge der Bewegung entlang dieser- Achse.
• Bei Rückwärtsbewegung der Masse M dreht sich die Drehrichtung um, bis die Masse M wieder ihre Mittellage erreicht hat. Eine weitere Bewegung in dieser entgègengesetzten Richtung ergibt eme Drehung der Masse M in der gleichen Richtung, wie durch den Pfeil angedeutet.
• Wie im folgenden beschrieben wird hat jede Verbindung feine Drahtenden, vorzug§we-ise in Formit von Schleifen, die über verhältnismässig steife Verbindungsteile miteinander verbunden sind, welche slch nur unter Stoßbeanspruchung elastisch verformen. Somit ergeben diese Verbindungen eine minimale Rückstellkraft bei Verschiebung der Masse M, sind aber gegen Beschädigungen infolge von stoßartigen Belastungen geschützt.
• Der in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellte Kraftmesser 10 gemäß der Erfindung kann beispielsweise als Neigungsmesse,horizontaler Beschleungigungsmesser oder horizontales Seismometer benutzt werden. Im Kraftmesser 10 ist die Empfindlichkeitsachse horizontal angeordnet, wie später beschrieben wird.
• Im Kraftmesser 10 ist eine masse 14 im Genäuse 12 befestigt. Die Masse 14 ist ein sechsflächiger massiver Körper mit rechteckförmigen Flächen. Er Wird i Gehäuse 12 von den Druckverbindungen 16 und den Zugverbindungen 18 gehalten. Wie den Figuren zu entnenmen ist, erstreckt sich die Empfindlichkeitsachse 20 horizontal durch den Kraftmesser 10. Die Zugverbindungen 18 sind an Vorsprüngen 22 am Ende der oberen und unteren Seite der Masse 14 und,an Ansätzen 24 des Gehäuses 12 nahe der oberen und unteren Fläche der Masse 14 und gegenüber den Vorsprüngen 22 befestigt. In ähnlicher Weise sind die Druckverbindungen 16 an Vorsprüngen 26 an Kanten der gegenüberliegenden Seiten der Masse 14 und an ansätzen 28 des Gehäuses 12 nahe den Seiten der Hasse 14 und nahe deren oberer, bzw.
• unterer Fläche befestigt. Wie am besten in Fig. 4 zu erkennen, erstreckt sich jede Verbindung von ihrem Befestigungspunkt an der Masse 14 im gleichen Drehsinn zu dem Befestigungspui'kt am Gehäuse 12.
• Durch die verbindungersinn 16 und 18 ergibt sich eine stabile und Während frei bewegbare Aufhängung für die Masse 14. Die Zugverbindungen 1 8 Druckverbindungen eine Drehung der Masse 14 im verhältnismässig und nacll rechts oder links (Fig. 4), verhindern die Uhrzeigersi 16 eine Bewegung der Masse 14 im Gegenuhrzeigersnn und nach oben oder unten verhindern.
• Die Paare von Verbindungen 16 und 18 verlaufen im wesentlichen parallel, und alle Verbindungen haben im wesentlichen die gleiche Länge. Vorzugsweise haben die BeSestigungspunkte der Verbindungen 16 und 18 an der Masse 14 alle den gleichen Abstand von der Empfindlichkeitsachse.
• Ebenso haben die Befestigungspunkte der Verbindungen 16 und 18 am Gehäuse 12 alle den gleichen Abstand von der Empfindlichkeitsachse. Bei dieser Aufhängung der Masse 14 im Gehäuse 12 kann sich die Masse 14 nur entlang der Empf indlichkeitsaehse- 20 mit einer geringfügigen Drehung um diese Achse bewegen.
• Die Verbindungen 16 und 18 haben verhältnismässig feste Längen, sind jedoch ausreichend elastisch, um sich unter Stoßbelastungen zu verformen. Die Druckverbindungen 16 haben' ein verhältnismässlg"-s'tar'res V rbindungsgiied 30, das S-förmig und länger als die wirksame Länge der Druckverbindung ist. Die Zugteile 32, die vorzugsweise-aus den Drahtschlaufen bestehen, die jeweils vom Verbindungsglied 50 zu den Ansätzen 28 und den Vorsprüngen 26 führen enthalten jeweils verhältnismässig steife Federteile 34, Die Zugglieder 36 bestehen vorzugsweise aus dünnen Drahtschleifen, die die Federteile 54 jeweils mit den Vorsprüngen 22 und den Ansätzen 24 verbinden.
• Im Gehäuse 12 sind Dämpfer 58 zur Dämpfung der Bewegung der Masse 14 entlang der Empfindlichkeitsachse 20 vorgesehen, die aus zylindrischen Zapfen bestehen und in eine zylindrische Ausspavrung in der Masse 14 hineinreichen.
• Die Dämpfer 38 sind zentrisch zur Empfindlichkeitsachse 20 angebracht. Begrenzungsschrauben 40 dienen zur Begrenzung der Bewegung der Masse 14 gegenüber dem Gehäuse 12. Diese Begrenzungsschrauben erstrecken sich durch das Gehäuse 12 und die Dämpfer 58 in eine Öffnung in der Masse 14. Sie sind einstellbar, d.h. sie können hinein- oder herausgeschraubt werden, um den Bewegungsbereich der Masse 14 zu ändern.
• Die Verschiebung der Masse 14 kann auf verschiedene Weise gemessen werden. Gemäß Fig. 2, 5 tund 4 wird eine Photozelle benutzt. Die von der Batterie 44 gespeiste Lampe 42 bestrahlt durch einen Spalt 46 einen auf der Masse -14 befestigten Konkavspiegel 50, der ein Abbild 52 des Spalts 46 reflektiert. Das Bild 52 fällt auf die Photozellen 54 und 56. Bewegt sich die Masse 14 aus ihrer Mittellage heraus, so bewegt sich das Abbild 52 auf'die eine oder die andere Photozelle zu. Die Ausgangssignale der beiden einander entgegenwirkenden Photozellen betätigen ein Mikroamperemeter 58, das die Verschiebung anzeigt.
• Häufig ist es erforderlich, einen Verstärker zwischen die Ausgänge der Photozellen 54 und 56 und das Mikroamperemeter 58 zu schalten.
• Die Figuren zeigen, daß die acht Verbindungen eine Translationsbewegung der Masse 14 entlang der Achse 20 zulassen, und daß diese Translationsbewegung von einer leichten Rotationsbewegung definierter Größe um die Achse 20 begleitet ist. Es ist erwünscht, die acht Verbindungen so einzustellen, daß die Translationsbewegung der Masse 14 genau entlang der Achse 20 erfolgt. Ferner ist es erwUnschts daß der Schwerpunkt der Masse 14 möglichst genau auf der Achse 20 liegt. Der Zweck dieser Anordnung des Schwerpunktes besteht in der Ausschaltung der Wirkung der Rotation der Masse 14 bis auf einen im allgemeinen vernachlässigbaren Trägheitseffekt. Um eine geradlinige Bewegung zu erreichen, müssen die Verbindungen wie folgt eingestellt werden: Wird die Steife der feinen Drähte 56 in den Verbindungen 18 vernachlässigt, so ist die wirksame Länge der Verbindungen 18 gleichen Entfernungen zwischen den Befestigungspunkten der feinen Drähte 56 an den Ansätzen 24 und den Vorsprüngen 22. Wird die Steife der feinen Drähte berücksichtigt, so ist die wirksame Länge etwas kleiner.
• Falls erforderlich, kann eine entsprechende Korrektur vorgenommen werden. Andererseits ist die wirksame Länge der Verbindungen 16 etwas größer als der Abstand zwischen den Befestigungspunkten der feinen Drähte 72 an den Ansätzen 28 und den Vorsprüngen 26.
• Werden die RUckstellkräfté der feinen Drähte vernachlässigt, so müssen vier Bedingungen erfüllt werden, damit sich der Schwerpunkt der Masse 14 genau geradlinig auf der Achse 20 bewegt, Erstens müssen die Längen aller Verbindungen 16 und 18 gleich sein. Zweitens müssen die befestigten Enden aller Verbindungen 16 und 18 den gleichen Abstand von der Achse 20 haben. Drittens müssen die beweglichen Enden aller Verbindungen 16 und 18 den gleichen Abstand von der Achse 20 haben. Viertens müssen alle Verbindungen parallel zu einer Ebene verlaufen, wie sie durch die Linie IV-IV in Fig. 2 angedeutet ist, wenn die Masse 14 in der Mittellage im Gehäuse 12 ist.
• Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, sondern es genug, daß alle Verbindungen während einer Stellung der Masse 14 in ihrer Bewegungsbahn.parallel zur Ebene IV-IV,liegen oder daß alle Verbindungen bei- irgendeiner Lage der Masse 14 den gleichen Winkel zur Achse 20 bilden.
• Werden die vorstehenden Bedingungen erfüllt, so bewegt sich die Masse 14 entlang der Achse 20 mit einer leichten Drehung um diese Achse, ohne daß die Länge irgendeiner Verbindung geändert wird. Es entstehen daher keine die Bewegung unterstützenden oder hemmenden Kräfte außer einer geringfügigen Rückstellkraft infolge der Biegung der feinen Drähte und natürlich der Schwerkraft. Die Einwirkung der Schwerkraft kann dadurch ausgeschaltet werden, daß man den Kraftmesser neigt, so daß die Empfindlichkeitsachse 20 senkrecht zur Richtung der Schwerkraft verläuft. Die Schwerkraft kann auch dadurch ausgeglichen werden, daß man eine "Nullängen-Feder" zufügt> wie später erklärt wird. Obwohl vorstehend die Einflüsse der Steife der feinen Drähte nicht berücksichtigt wurden, treffen die vier Bedingungen auch dann noch zu, wenn statt der wirklichen Längen und Enden der Verbindungen die wirksamen Längen und Enden angenommen werden.
• Die erwähnte Rückstellkraft infolge der Steife der feinen Drähte kann fast vollständig durch eine leichte Abwandlung der vorstehenden Bedingungen ausgeglichen werden.
• Um dies zu erklären, wird angenommen, daß eine derVerbindungen 18 kürzer ist als die andere. Bewegt sich die Masse 14 aus ihrer-in den Figuren dargestellten Mittellage heraus, so wird die kurze Verbindung 18 länger, wo. -bei das Federteil 34 gestreckt wird. Diese Streckung des Federteils hat die Neigung, die Masse 14 in ihre Mittellage zurückzubringen, d.h. es entsteht eine größere Rückstellkraft in der Aufhängung. Das gleiche gilt für das Verkürzen irgendeiner der Verbindungen 18. Wird eine der Verbindungen 16 verkürzt, so erfolgt bei Bewegung der Masse 14 aus der'Mittellage eine Verlängerung dieser Verbindung. In diesem Fall verringert jedoch das Verbindungsglied 30 die von ihm ausgeübte Kraft, wodurch die Rückstellkraft in der Aufhängung verringert wird. Diese Wirkung tritt bei Verkürzung irgendeiner Verbindung 16 ein, da sie alle die Verbindungsglieder 50 enthalten. Somit kann also die Rflckstellkraft in der Aufhängu ng durch Einstellung der Längen verschiedener Verbindungen gesteuert werden.
• Es ist außerdem möglich, die Rückstellkraft durch Anderung der Abstände der Enden der Verbindungen 16 und 18 von der Achse 20 zu regulieren. Es sei beispielsweise angenommen, daß ein Ende einer der Verbindungen 18 näher an der Achse 20 liegt, ohne daß die Länge der Verbindung geändert ist. Bewegt sich nun die Masse 14 aus der Mittellage, so wird diese Verbindung gestreckt, wodurch die Rückstellkraft in der Aufhängung vergrößert wird. Die Rückstellkraft läßt sich also durch verschiedene Verstellungen regulieren. In der Praxis hat es sich als zweckmässig erwiesen, einen oder mehrere der Ansätze 24 in Erstreciungsrichtung der zugehörigen Verbindungen zu verstellen und die Länge der Verbindungsglieder oder Federteile in den Verbindungen, falls erforderlich, zu verändern. Man erkennt, daß die vorstehend angegebenen vier Bedingungen für die genaue Arbeit des Kraftmessers nicht exakt erfüllt werden müssen, da geringe Abweichungen in einer Verbindung oder ihren Befestigungspunkten durch entsprechende Einstellung anderer Verbindungen oder ihrer Befestigungspunkte ausgeglichen werden kann. In der Praxis werden die vier vorstehend genannten Bedingungen so gut wie möglich erfüllt und dann durch entsprechende Einstellungen die gewünschte Empfindlichkeit erreicht.
• Die optimale Spannung für die Verbindungen hängt vom Anwendungszweck ab. Die Spannung muß ausreichend groß sein, damit keine der Verbindungen durchhängt, wenn der Kraftmesser dermaximal erwarteten Transversalbeschleunigung ausgesetzt wird. Andererseits steigen die Hysteresefehler mit der Spannung, so daß die Spannung nicht größer als unbedingt notwendig sein soll. Die feinen Drähte sollen unter Berücksichtigung des Sicherheitsfaktors so dünn wie möglich sein. Die Begrenzungsschrauben 40 dienen üblicherweise dazu, bei rauher Behandlung des Kraftmessers Zerstörungen der feinen Drähte zu vermeiden. Die Verbindungsglieder 50 und die Federteile 54 werden im allgemeinen elastisch gemacht, Um in solchen Fällen die maximale Kraft in den feinen Drähten zu begrenzen. Der optimale Wert der Federkonstanten der Verbindungsglieder 50 und Federteile 54 hängt davon ab, welche seitliche Bewegung der Masse 14 bei maximal zu erwartender seitlicher Beschleunigung zugelassen werden kann. Ein Gravitationsmesser oder ein Beschleunigungsmesser, der auf See benutzt wird, muß ziemlich seitenstabil sein, während dies bei einem Gerät zur Messung der Neigung an Land nicht erforderlich ist.
• In den Fig. 2, 3 und 4 sind die vier Verbindungen 18 parallel zueinander und die Verbindungen 16 ebenfalls parallel zueinander und im wesentlichen senkrecht zu den Verbindungen 18 dargestellt. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, sondern nur zweckmässig für die Herstellung und zur Erzielung eines symmetrischen Aufbaus. Ferner sind die Verbindungen symmetrisch zur Ebene IV-IV angeordnet, wenn sich die Masse 14 in ihrer Mittellage befindet. Dies ist ebenfalls zweckmässig, jedoch nicht unbedingt erforderlich. So würde beispielsweise der Kraftmesser gemäß der Erfindung genau so arbeiten, wenn die Verbindungen 16 und 18 an einem Ende der Masse 14 um einen gleichen Winkel zur Achse 20 geneigt wären.
• Das gleiche ist der Fall, wenn irgendeine Verbindung in Richtung der Achse 20 versetzt ist.
• Wird der Kraftmesser gemäß der Erfindung als Gravitationsmesser, als vertikaler Beschleunigungsmesser oder als vertikales Seismometer benutzt, so wird er gedreht, so daß die Emptindlichkeitsachse 20 vertikal liegt, und es wird eine Nullängen-Feder hinzugefügt, wie später beschrieben wird. Ein derartiger Kraftmesser ist in den Fig. 5, 6> 7 und 8 dargestellt, wobei gleiche Teile wie in den Fig. 2, 3 und 4 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dieser Kraftmesser hat also ein Gehäuse 12 mit einer in Druckverbindungen 16 und Zugverbindungen 18 aufgehängten Masse 14. Die Empfindlichkeitsachse 20 ist in die Vertikale gedreht, wie Fig. 5 zu entnehmen ist.
• Dämpfer 38 und Begrenzungsschrauben 40 sind ebenfalls vorgesehen. Die Verbindungen 16 und 18 sind genauso autgebaut wie vorstehend bereits beschrieben.
• Eine Feder 60 ist an einer Stütze 62 an der beweglichen Masse 14 und an einem Bügel 64 am Gehäuse 12 befestigt (Fig. 5). Vorzugsweise erfolgt die Befestigung.an der Stütze 62 und dem Bügel 64 mit Schleifen aus feinem Draht, in die die Feder eingehakt wird. Der Bügel 64 ist über die Blattfeder 66 verstellbar am Gehäuse 12 befestigt. Die Blattfeder 66 sitzt am Bock 68 Die Einstellung der Blattfeder 66 erfolgt über eine Stellschraube 79, die in das Gehäuse 12 geschraubt ist und deren Ende auf der Blattfeder 66 aufliegt. Eine Drehung der Stellschraube 70 verstellt den Bügel 64 in der Vertikalen, wodurch die Spannung der Feder 60 zum Ausgleich der Schwerkraft verändert wird. Die Stellung der Schraube 70 läßt sich mit einer an ihr befestigten Skalenscheibe 72 und einem am Gehäuse 12 befestigten Zeiger 74 bestimmen.
• Die Federspannung kann beispielsweise auch über eine Hebelanordnung gemäß USA-Patentschrift 2 377 889 eingestellt werden, wobei sich eine größere Genauigkeit erzielen läßt.
• Obwohl an sich eine einzelne Feder 6o für einen erfindungsgemäßen Kraftmesser ausreicht, wird im allgemeinen eine zweite Feder 76 vorgesehen, um eine symmetrische Aufhängung zu erreichen. Die zweite Feder 76 ist in den Fig. 6 und 7 zu erkennen. Sie ist ähnlich wie die Feder 60 befestigt und ohne die Verstelleinrichtungen gezeigt. Diese können zwar vorgesehen werden, sind im allgemeinen aber nicht erforderlich.
• Um eine große Verschiebungsempfindlichkeit oder eine lange Periodendauer zu erreichen sollen die Federn 60 und 76 "Nullangen-Federn" sein. Das sind Federn, deren Länge im unbelasteten Zustand null ist oder null wäre,, wenn nicht die einzelnen Windungen der Feder areinander lägen (USA-Patentsofrift 2 295 437). Die von einer derartigen Feder ausgeübte Kraft ist(gemäß dem Hooke'schen Gesetz) f = k x s, wobei k die Federkonstante und s die Länge der Feder ist. Ware die Feder keine "Nullängen-Feder", so wäre die Kraft f = k (s-so), wobei so die Länge der Feder im unbelasteten Zustand ist. Das Verhalten einer Nullängen-Peder" wird zur Erzielung einer hohen Verschiebungsempfindlichkeit ausgenutzt. Werden mehr als eine Feder verwendet, so muß die Kombination dieser Federn äquivalent einer 'tRullangen-Feder" sein, wenn auch die einzelnen Federn nicht alle "Nullëngen-Federn" sind. In einem solchen Fall muß mindestens eine Feder eine negative ungestreckte Länge haben, die von den ungestreckten Längen der anderen Federn ausgeglichen wird, von denen mindestens eine eine positive ungestreckte Länge hat.
• Die "Nullängen-Federn" müssen an den richtigen Stellen mit der Masse 14 und dem Gehäuse 12 verbunden werden.
• Gemäß Fig. 5 ist die Feder 60 an einer Stelle mit der Nasse 14 verbunden, die auf einer Geraden mit den Befestigungspunkten der Zugverbindungen 18 an der gleichen Seite der Masse 14 liegt. Ferner ist die Feder 60 so mit dem Bügel 64 verbunden, daß der Befestigungspunkt auf einer Geraden mit den Befestigungspunkten der anderen Enden der Zugverbindungen 18 an Gehäuse liegt. Wie später erklärt wird ergibt eine derartige Befestigung der Feder 60 die gewunschten Ergebnisse. Es sei jedoch bemerkt, daß eine derartige Befestigung nicht unbedingt erforderlich ist. Beispielsweise erhält man die gleichen Ergebnisse, wenn die beiden Enden der Feder 60 um den gleichen Winkel um die Achse 20 gedreht sind. Eine Drehung der Feder 60 um die Achse 20 um 1800 ;bringt sie in die gleiche Lage wie die Feder 60.
• Zur Bestimmung der auf die Feder 60 in der Aufhängung ausgeübten Kraft wird Fig. 8 benutzt. Die Befestigungspunkte 76, 78 und 80 liegen fest am Gehäuse 12 und auf der Geraden JJ'. Entsprechend liegen die Befestigungspunkte 82, 84 und 86 fest an der Masse 14 und auf der Geraden HH'. Da die beiden Zugverbindungen L und L2 immer parallel zueinander liegen und gleiche Länge haben (was vorstehend angenommen wurde) bilden die Punkte 76, 82, 84, 78 ein Parallelogramm. Eine Gerade durch 86 parallel zur unteren Verbindung 18 schneidet die Gerade J,J' bei 88. Die Gerade 86-88 ist als L' bezeichnet. Aus den geometrischen Beziehungen ergibt sich, daß die Länge von L' gleich der Länge der Verbindungen L, L2 ist. Diese Länge ist als b bezeichnet.
• Ferner sind die Länge der Feder 60 als s, die Länge der Geraden 80-88 als y und der Winkel zwischen L oder L' und der Geraden J, J' als 0 bezeichnet. L' kann man als virtuelle Verbindung ansehen, da dort eine Verbindung eingefügt werden kann, ohne das Verhalten der Aufhängung zu beeinflussen.
• Ein zweckmässiger Weg zur Bestimmung der von der Feder 60 ausgeübten Kraft besteht in der Errechnung aus. der potentiellen Energie der Feder. Die bekannte Gleichung für die potentielle Energie einer Feder ist 1) v = k (s-so)2/2 wobei V die potentielle Energie, k die Federkonstante und die ungestreckte Länge der Feder ist. Für eine "Nullangen-Feder" ist sO - c) und somit 2) -- Bei Anwendung des Kosinuessatzes auf diese Gleichung erhält man 22 5) V = k (y +b - 2yb cos Es wurde vorstehend vorausgesetzt, daß die Bewegung der beweglichen Masse 14 entlang der Achse 20 verläuft, die parallel zu den GeradenH, H' und J,J'-liegt. Daher wird die potentielle Energie V bezüglich der Richtung der Achse 20 differenziert, um die in dieser Richtung auf die Masse 14 ausgeübte Kraft zu erhalten. Man erkennt aus Fig. 8, daß sich die Bewegung des Punktes 82 entlang der Geraden H,H' (oder 20) durch z = b cos e ergibt.
• Diese Bewegung entlang der Achse 20 ist auch die Bewegung der Masse 14 entlang dieser Achse, da die einzige weitere Bewegung der Masse die Drehung um die Achse 20 ist. Somit ist die auf die Aufhängung durch die Feder 60 in Richtung der Achse 20 ausgeübte Kraft gleich 4) f =-dV/dz = ky Liegt der Schwerpunkt der Masse 14 auf der Achse 20, so kann die Schwerkraft die Aufhängung nur entlang dieser Achse beeinflussen. Somit ist die Achse 20 die Emptindlichkeitsachse der Einrichtung, und die Summe der auf die Masse 14 wirkenden Feder- und Gravitationskräfte ist für jede Lage der Masse 14 gleich 5) fO = ky-mg cos (oder fo = ky+k'y'-mg cos $ für zwei Federn), webel m ul Le klasse von 14, g die Faltbeschleunigung, # der' Winkel der Achse 20 zur Vertikalen und k', y' die ky ent sprechenden Werte für die zweite Feder sind. Wird die Federkonstante und die Entfernung Y richtig gewählt, so ist f0 für jede Stellung der beweglichen Masse gleich null.
• Mit anderen Worten, es ergibt sich keine Rückstellkraft.
• Dies ist diehekannte Bedingung für die unendlich große Empfindlichkeit eines Kraftmessers oder die unendliche Periodendauer eines Seismometers.
• Obwohl durch die Rückstellkraft in der aus feinen Drähten bestehenden Aufhängung und der Hysterese der Feder die Empfindlichkeit nicht unendlich groß wird, erhält man doch eine sehr große Empfindlichkeit, wenn die Verbindungen 16 und 18 sorgfältig eingestellt werden, wie vorstehend beschrieben.-Aus Fig. 8 ergibt sich, daß die Feder 60 und die virtuelle Verbindung L' eine "Nullängen-Feder" - Aufhängung orgeben.
• Es ist daher möglich, die Empfîildlichkeit der Aufhängung durch horizontale Verschiebung des Befestigungspunktes 80 der Feder nach rechts in Fig. 8 oder umgekehrt zu vergrößern. Ferner kann die Empfindlichkeit bei kleinen Werten des Winkels # dadurch vergrößert werden, daß die ungestreckte Länge der Feder statt null negativ gemacht wird. Diese Eigenschaft der Aufhängung wird zur abschliessenden Einstellung der Empfindlichkeit und der Linearität ausgenutzt.
• Aus der vorstehenden Beschreibung erkermt man, daß sich der Scilwerpunkt der beweglichen Masse auf einer Geraden, der Empfindlichkeitsachse 20, bewegt, die gegenüber dem Gehäuse 12 festliegt. Dadurcil werden Uberkopplungsfehler in Gravitat ionsmesserri und Beschleunigungsmessern vermieden, und die Interpretation und Auswertung von seismischen und anderen Daten vereinfacht sich. Ferner hat die dargestellte Aufhängung eine sehr kleine Rückstellkraft, wodurch sich eine hohe Verschiebungsempfindlichkeit für Neigungsmesser, Gravitationsmesser und Beschleunigungsmesser und eine lange Periodendauer für Seismometer ergibt.
• Ein Kraftmesser soll auch ein sehr großes Verhältnis von Dämpfung zu Masse des beweglichen Elementes haben. Dies ist für die erfindungsgemäßen Kraftmesser ohne weiteres möglich, da praktisch die gesamte Masse 14 Teil des Dämpfers sein kann und da die geradlinige Bewegung der Masse geringere Dämpferabstände ermöglicht, ohne daß Störungen auftreten. Dies ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Kraftmessers, da keine komplizierten und teueren konzentrischen Ringdämpfer erforderlich sind.
• Eine hohe Dämpfung ist vorteilhaft, wenn das Gerät großen Beschleunigungen ausgesetzt ist, da die Dämpfung die Bewegung des beweglichen Elementes beschränkt und dadurch Fehler infolge mechanischer Hysterese begrenzt. Wie bereits vorstehend erwähnt, verwandelt eine hohe Dämpfung einen üblichen Beschleunigungsmesser in einen integrierenden Beschleunigungsmesser, was besonders zweckmässig bei der Trägheitsnavigation ist.
• Es ist ferner erwünscht, einen Kraftmesser zu schaffen, dessen Verschiebungsempfindlichkeit und -periode nicht merkbar durch die Stellung der beweglichen Masse 14 oder die Neigung des Gerätes beeinflußt wird. Dazu wird die Rückstellkraft der Aufhängung aus der vorhergehenden Gleichung erreelinet. Es ist 6) cit /dz Q 0 unabhängig von der Lage z der beweglichen Masse oder der Neigung 4 des Gerätes. Somit ergibt sich mathematisch eine unendliche Empfindlichkeit und Periode unabhängig von der Lage der beweglichen Masse oder der Neigung des Gerätes.
• Arbeitet der erfindungsgemässe Kraftmesser als Neigungsmesser, horizontales Seismometer oder horizontaler Beschleunigungsmesser, so liegt seine Empfindlichkeitsachse 20 horizontal oder nahezu horizontal und es muß somit keine nennenswerte Komponente der Gravitationskraft ausgeglichen werden. Für diese Anwendungszwecke kann also ein erfindungsgemässer Kraftmesser ohne die Federn 60 und 70 verwendet werden. Soll der.Pegel oder die Neigung gemessen werden, so wird die Neigung der Fläche, auf der der Kraftmesser ruht, entweder durch die Auslenkung der beweglichen Masse oder durch die Einpegelung der Masse durch Neigung des Gerätes gegenüber der Fläche gemessen.
• Bei Verwendung als horizontales Seirmometer verschieben die seismischen Bewegungen die bewegliche Masse. In der Erdbeben-Seismik ist es häufig erwünscht, daß die Ablenkung der Seismometermasse statt proportional zur seis-.
• mischen Beschleunigung nahezu proportional zur seismischen Verschiebung ist. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man die Seismometerperiode merkbar länger als die interessierenden seismischen Perioden macht. Für diese Zwecke ist der erfindungsgemässe Kraftmesser sehr gut geeignet.
• Wird das Gerät jedoch benutzt, um seismische oder andere Bewegungen zu messen, deren Perioden sowohl kürzer als auch länger als die Periode des Gerätes sind, so ergibt sich eine Schwierigkeit, da die inj'£ indl ichkeit des Inst,rumentes gegenüber ver@@@@iedenen perioden sehr unterschiellch ist.
• Eine gut geeignete MGglichkeit zur Überwindung dieser Schwierigkeiten -besteht darin, das Gerät sehr stark zu dämpfen und eine sehr lange Periode einzustellen. Dadurch erhält man einen integrierenden Beschleunigungsmesser (oder Geschwindigkeitsmesser) und eine sehr lineare Geschwindigkeitsempfindlichkeit über einen sehr großen Periodenbereich. Ferner ermöglicht die hohe Dämpfung den Betrieb bei Vorhandensein großer Beschleunigungen, ohne daß extreme Bewegungen des beweglichen Elementes entstehen. Ein integrierender Beschleunigungsmesser dieser Art ist besonders für die Trägheitsnavigation geeignet, da dabei die Geschwindigkeit interessanter als die Besehleunigung ist Wird der erfindungsgemäße Kraftmesser als Gravitationsmesser, vertikaler Beschleunigungsmesser oder vertikales Seismometer benutzt, so steht die Empfindlichkeitsachse 20 so vertikal als möglich und somit muß eine erhebliche Gravitationskraft ausgeglichen werden. Daher ist für diese Anwendungszwecke ein erfindungsgemässer Kraftmesser mit Federn 60 und 76 geeignet.
• Bei Verwendung als üblicher Gravitationsmesser wird die S chwerkraft durch Verstellung der die Kraft der Feder 60 regulierenden Schraube 70 ausgeglichen. Der Wert auf der Skalenscheibe zeigt dann die Größe cter Gravitatiun an.
• Wird der erfindungsgemäße Kraftrnesser als Gravitationsmesser bei Vorhandensein großer Bes(hleunlgllrlEren oder als vertikaler Beschleunigungsmesser benutzt, so Ist es vorteilhaft, das bewegliche Element sehr stark zu dämpfen und die Verschiebungsemprindlichkeit auf einen sehr hohen Wert einzustellen. Binde hohe Dämpfung ermöglicht die VerweNdung einer hohen Empfindlichkeit1 ohne daß Instabilitätsprobleme auftreten, da sich die bewegliche Masse sehr langsam bewegt. Das Gerät mißt dann das Integral von Gravitations- und Vertikalbeschleunigung. Ein derartiges Gerät ist besonders zur Messung der Gravitation auf See und in der Luft und bei der Trägheitsnavigation verwendbar. Es sei darauf hingewiesen, daß es zur Messung irgendeiner Art von Kraft benutzt werden kann, wenn nur die Masse gegenüber dieser Kraft empfindlich gemacht wird.
• Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß der erfindungsgemässe Kraftmesser ein bewegliches Element hat, dessen Enipfindlichkeitsachse sich nicht mit der Bewegung des Elementes verschlebt, daß er ein großes, Verhältnis von Dämpfung zur gasse des beweglichen Elementes hat und daß nur verh ismässig kleine Rückstellkräfte auf das aus seiner Mittellage verschobene bewegliche Element wirken. Ferner werden die Verschiebungsempfindlichkeit und -periode des beweglichen Elementes nicht durch die Neigung des Gerätes oder die Verschiebung des beweglichen Elementes beeinträchtigt. Der erfindungsgemäße Kraftmesser läßt sich beispielsweise zur Messung der Neigung, der G avitation, horizontaler Beschleunigungen, vertikaler Beschleunigungen, horizontaler seismischer Bewegungen und vertikaler seismischer Bewegungen verwenden.
• Die Erfindung wurde vorstehend anhand von husfUhrungsbeispielen beschrieben, auf die sie nicht beschränkt ist, sondern es sind verschiedene Abwandlungen und Änderungen möglich, die alle unter die Erfindung fallen.

Claims (9)

Patent ansprüche

1. Kraftmesser, dadurch gekennzeichnet, daß eine Masse (14) an einem Rahmen (12) befestigt und nur entlang einer von drei Koordinatenachsen unter geringer Drehung um diese Koordinatenachse (20) der Bewegung bewegbar ist.

2. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung der Masse (14) am Rahmen (12) eine Anzahl von im wesentlichen gleich langen Verbindungen (16, 18) vorgesehen sind.

3. Kraftmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die.Verbindungen (16, 18) unter Stoßbelastung elastisch verformbar sind.

4. Kfaftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekeanzeichnet, daß zur Befestigung der Masse (14) am Rahmen (12) zusätzlich mindestens eine "Nullängen-Feder" (60, 76) vorgesehen ist.

5. Kraftmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Befestigungspunkte der Verbindungen (16, 18) und der Befestigungspunkt der Feder (60, 76) am Rahmen (12) den gleichen ersten Abstand von der Koordinatenachse (20) der Bewegung und alle Befestigungspunkte der Verbindungen (16, 18) und der Befestigungspunkt der Feder (60, 76) an der Masse (14) den gleichen zweiten Abstand von der Koordinatenaohse (;in) der Bewegung haben.

6. Kraftmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungspunkt der Feder (60, 76) am Rahmen (12) im wesentlichen parallel zur Koordinatenachse (20) der Bewegung verschiebbar ist und daß Einrichtungen (72, 74) zur Messung der Verschiebung vorgesehen sind.

7. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Verbindungen (16, ( Zugverbindungen (18) und ,einige Druckverbindungen (16) sind.

8. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Vorrichtungen ( 42, 44, 46, 48, 50, 54, 56, 58) zur Messung der Verschiebung der Masse (14) gegenüber dem Rahmen (12).

9. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Dämpfer (38) zur Dämpfung der Bewegung der Masse (14) gegenüber dem Rahmen (12).

10. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugverbindungen (18) aus feinen, über ein Federteil (34) verbundenen Drähten bestehen und daß die Druckverbindurlgen (16) feine, über ein verhältnismässig starres Verbindungsglied (30) verbundene Drähte aufweisen, wobei das Verbindungsglied (30) länger als die wirksame Länge der Druckverbindung (16) ist, so daß die feinen Drähte unter Spannung gehalten werden.

11. Kraftmesser nach ansprucil 10, dadurch gekennzeichnet, aaß die Verbindungsglieder (so) S-förmig sind.

12. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (14) .sechsflächig ist und jeweils zwei der Verbindungen (16, 18) an einer von den vier Seitenflächen befestigt ist, die nicht auf der Koordinatenachse (20) der Bewegung liegen.

15. Kraftmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Verbindungen auf zwei gegenüberliegenden Seiten Zugverbindungen (18) bzw. Druckverbindungen (16) sind.

L e e r s e i t e