DE2204533A1

DE2204533A1 -

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Publication number: DE2204533A1
Application number: DE19722204533
Authority: DE
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1971-02-02
Filing date: 1972-02-01
Publication date: 1972-08-10
Also published as: FR2124055B1; US3742767A; FR2124055A1; SU429598A3; GB1317868A; DE2204533B2

Description

220A533

Dipl.-lng. G. Sdlliebs 61 Darmstadt Claudiusweg 17A

Patentanwalt Telefon (06151) 46753

Postscheckkonto: Frankfurt a. M. 111157 Bankverbindung: Deutsche Bank AG., Darmstadt Telegramme: inventron

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Deutsche Patentamt

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Betriff». Patentanmeldung

Anmelder: OFFICE NATIONAL D¹ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES, CHATUILLON (Frankreich)

Elektrostatischer Kugel-Beschleunigungsmesser für extrem kleine Beschleunigungen,

Die Erfindung bezieht sich auf eine dreidimensional arbeitende elektrostatische Meßeinrichtung für sehr kleine Beschleunigungen und betrifft einen Kugel-Beschleunigungsmesser, der gegenüber einer früheren Ausführung (deutsche Patentschrift 1 276 95o) wesentlich verbessert ist.

Box diesen Geräten wird eine Kugel, die sich in einem Käfig anfangs in Ruhestellung befindet, durch eine sog. Vorponiti.onierung in Meßstellung gebracht, d.h. in den freien Raum im Käfig, wo sie der Einwirkung eines Lageregelsystems untersteht. Diese Vorpositionierung erfolgt mit Hilfe einer elektrostatischen Kraft, die von einem elektrostatischen Posi tion1erungskreis aufgebracht wird, dessen feststehende und vom Käfig getragene Positionierun;;:-:o L-vktroden In den drei. Raumrichtungen mit der Kugel ζ ur. am cn ο η ;v i r ko η.

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31.1.72 Blatt 2 Dipl.-Ing. G. Schlieb»

das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

Nun behält aber die Kugel nach erfolgter Vorpositionierung eine elektrostatische Ladung, deren Wert von der aufgebrachten Energie abhängt. Diese Ladung macht sich hauptsächlich zwischen der Kugel und dem Käfig bemerkbar. Sie lokalisiert sich in der Zone der Kugel, die dem Käfig am nächsten steht, und erzeugt eine Störkraft, welche die Bewegungen der Kugel stört und für den elektronischen Lageregelungskreis eine zufällige Fehlerquelle darstellt, welche das Meßergebnis beeinflußt und die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers verringert.

Zur Behebung dieses Nachteiles wurde schon vorgeschlagen,' in allen drei Raumachsen jeweils die zwei gegenüberliegenden Elektroden des elektrostatischen Positionierungskreises mit zwei Spannungen zu speisen, deren Summe unabhängig von der Kugelstellung konstant bleibt. Wenn die Kapazitäten der Elektroden gegenüber der Kugel in allen drei Achsen untereinander gleich sind und wenn man eine gleiche Summe der Spannungen benutzt, wenn die Kugel in Meßstellung ist, dann bleiben in diesem Falle die Ladungen gegenüber den Elektroden lokalisiert.

Die Lösung arbeitet mit den in der deutschen Patentschrift angegebenen Elektroden korrekt, verlangt aber eine Speisung der Elektroden auch bei nicht verlagerter Kugel und erfordert den Einsatz eines relativ schweren und großen Spannungsversorgungsgerätes.

Die Erfindung setzt sich einen Kugel-Beschleunigungsmesser der eingangs genannten Art zum Ziel, der Mittel besitzt, um das Verbleiben einer elektrostatischen Ladung auf der Kugeloberfläche zu verhindern, so daß das Gerät eine höhere Empfindlichkeit erhält und noch geringere Beschleunigungen messen kann. Gleichzeitig soll der Aufbau des Gerätes vereinfacht werden.

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31.1*72 Blatt 3 Dipl.-Ing. G. Schliebs

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Hierzu geht die Erfindung aus von einem elektrostatischen Kugel-Beschleunigungsmesser mit einer Kugel in einem Käfig und je einem Lageregelsystem für die Kugel in jeder der drei Raumachsen eines im Käfigmittelpunkt zentrierten Dreibeins, welches einen elektrostatischen Differential-Positionsgeberkreis für die Kugellage und einen von diesem Kreis gesteuerten elektrostatischen Positionierungskreis besitzt. Erfindungsgemäß besitzt der Positionierungskreis für jeden Pol jeder Raumachse zwei unterschiedliche Positionierungselektroden, deren kugelseitige Innenflächen koaxial zur Raumachse angeordnet sind, einer gleichen sphärischen Fläche angehören und gleiche Oberfläche aufweisen.

Gemäß weiterer Erfindung sind die beiden Positionierungselektroden eines Poles als Elektrode mit sphärischer Kreisfläche, umgeben von einer Elektrode mit sphärischer Ringfläche, ausgebildet, und zwischen ihnen ist eine Positionsgeberelektrode mit sphärischer Ringfläche koaxial angeordnet.

Bei einem elektrostatischen Kugel-Beschleunigungsmesser mit Mitteln zum Verstärken der Positionsgebersignale und zur Aufbringung der verstärkten Signale auf die Positionierungskreise ist erfindungsgemäß in jedem Positionierungskreis ein Verzweigungskreis vorgesehen, welcher die paarweisen Positionierungselektroden desjenigen Poles speist, der weiter von der Kugel entfernt ist als der gegenüber liegende Pol.

Der Verzweigungskreis und .zwei nachgeschaltete Verstärker liefern Spannungen gleichen Betrages in Gegenphase, die auf die eine und die andere Positionierungselektrode jedes Paares aufgebracht werden, so daß die Resultierende der elektrostatischen Ladungen an der Kugeloberfläche Null ist.

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Nach einem speziellen Merkmal der Erfindung sind die Positionsgeberelektroden und die Positionierungselektroden gegenüber der inneren Kugelfläche des die Kugel enthaltenden Käfigs zurückgesetzt. Dabei können die Positionsgeberelektroden gegenüber den Positionierungselektroden weniger zurückgesetzt sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung. In dieser zeigen:

Fig. 1 schematisch im Schnitt einen Elektrodenhalter des Kugel-Beschleunigungsmessers;

Fig. 2 in einem Blockschaltbild einen Lageregelungskreis für die Positionierung der Kugel in senkrechter Richtung.

Ein Elektrodenhalter (Fig. 1) besitzt einen metallischen Rohrkörper 1, der auf der einen Steinseite von einer ebenen Fläche 2 begrenzt ist und auf der anderen Seite von einer sphärischen Fläche in Form eines Kugelringausschnittes 3, welcher der Kugel angehört, die den Käfiginnenraum des Beschleunigungsmessers begrenzt. Der Elektrodenhalter ist mit nicht dargestellten Mitteln am Käfig befestigt.

In dem Rohrkörper ist eine Isolierscheibe l± eingesetzt, die in ihrem Mittelpunkt eine erste Positionierungselektrode 5 trägt. Diese Elektrode hat die Form eines Zylinders, der zur Kugel hin von einer sphärischen Kreisfläche 6 begrenzt ist, die gegenüber der Innenfläche des Ringes 3 etwas zurückgesetzt ist. Die andere Stirnfläche der Positionierungselektrode 5 verlängert sich in einem Steckkontaktstift 7.

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31 . 1 . 72 Blatt 5 Dipl.-Ing. G. Schliebs

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Die Isolierscheibe Jf trägt weiterhin eine zweite Positionierungselektrode 8, "die konzentrisch zur ersten angeordnet ist und die Form eines Kreisringes hat, der nach innen zu durch eine sphärische Ringflache 9 begrenzt ist, die der gleichen Kugel angehört wie die sphärische Kreisfläche 6 und deren Fläche die gleiche. Größe hat wie diese sphärische Kreisfläche. Auf der Rückseite trägt die zweite Positionierungselektrode einen Steckkontaktstift 1o.

Die Isolierscheibe 1+ trägt schließlich noch eine Positionsgeberelektrode 11, die konzentrisch zu den beiden Positionierungselektroden ist und die Form eines zylindrischen Kreisringes hat, der nach innen zu von einer sphärischen Ringfläche \Z begrenzt ist, die gegenüber dem sphärischen Ring 3 weniger zurückgesetzt ist als die sphärischen Flächen der Positionierungselektroden. Auf der Rückseite trägt auch die Positionsgeberelektrode einen Steckkontaktstift 13.

Um eine Beeinflussung der Kugel durch die Ladungen auf der Isolierscheibe zu vermeiden, sind die metallischen Elemente 1, 5, 3 und 11 so ausgebildet und angeordnet, daß sie eine Abschirmung zwischen der Isolierscheibe und der Kugel bilden.

Alle Elektroden sind gegenüber dem Rohrkörper 1 des Elektrodenhalters zurückgesetzt (Fig. 1), dessen sphärischer Ring 3 auf der Kugelfläche des Käfigs der Kugel liegt. Durch diese Anordnung wird eine Berührung mit der Kugel vermieden, wenn diese sich nicht in Meßstellung befindet. Ferner wird hierdurch der Aufbau des Beschleunigungsmessers vereinfacht, indem keine im Käfiginneren angebrachten Anschläge benötigt werden, wie"sie in der deutschen Patentschri ft beschrieben sind.

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31.1.72 Blatt 6 Dipl.-tng. 6. Sdtliebs

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Bei einem nach der Erfindung ausgeführten Beschleunigungsmesser sind die Positionierungselektroden 1 mm zurückgesetzt und die Positionsgeberelektrode 3o /um. Die größere Entfernung der Positionierungselektroden von der Kugel erlaubt es, den Empfindlichkeitskoeffxzienten des Beschleunigungsmessers in einem größeren Temperaturbereich konstant zu halten, da die Bewegungen der Kugel immer relativ klein gegenüber dem vorhandenen Luftspalt bleiben.

Ein Lageregelungskreis nach der Erfindung wird in Fig. 2 im Zusammenwirken mit den beiden Elektrodenhaltern 1 und 1' der senkrechten Achse des Beschleunigungsmessers beschrieben.

Die von der Kugel und den Positionsgeberelektroden 12, 12· gebildeten Kondensatoren liegen parallel zu Drehkondensatoren 1*f und 15 und bilden eine Brückenschaltung, welche außerdem Induktivitäten 16 und 17 umfaßt, die von der Sekundärseite eines Transformators gebildet werden, dessen Primärseite 18 von einem Oszillator 19 gespeist wird. Der Verbindungspunkt der Kondensatoren 1if und 15 ist mit der Käfigmasse verbunden.

Der Verbindungspunkt der Induktivitäten 16 und 17 ist einerseits mit dem Eingang eines Verstärkers 2o verbunden und andererseits über einen Resonanzkreis mit der Käfigmasse. Der Resonanzkreis besitzt einen Drehkondensator 21 und parallel dazu eine Induktivität 22.

Eine Verlagerung der Kugel unter der Einwirkung einer zu messenden Beschleunigung, z.B. in Richtung des Elektrodenhalters 1¹, erzeugt ein Verstimmungssignal an der Brücke, welches im Verstärker 2o verstärkt und vom Synchrondetektor 23 gemessen wird.

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3 1. 1.72 Blatt 7 Dipl.-Ing. G. Sdili.bi

das Deutsche Patentamt, München · Patentanwalt

Das Ausgangssignal dieses Detektors geht auf ein Korrekturnetzwerk Zh und von da auf einen Verzweigungskreis 25. Das Ausgangssignal dieses Kreises, dessen Pegel proportional zur Verlagerung der Kugel ist, wird auf den Eingang eines Verstärkers 26 aufgebracht, der die beiden Positionierungselektroden 6 und 8 des Elektrodenhalters 1 mit zwei dem Betrage nach gleichen und in Gegenphase befindlichen Spannungen speist. Der Elektrodenhalter 1 übt hierdurch eine Anziehungskraft auf die Kugel aus.

Bei einer Verlagerung der Kugel in Richtung des Elektrodenhalters 1 steuert der Verzweigungskreis 25 den Eingang des Verstärkers Z? an, der die Positionierungselektroden 6' und 8¹ des Elektrodenhalters 1· mit dem Betrage nach gleichen und in Gegenphase befindlichen Spannungen speist.

Die Resultierende der von den beiden konzentrischen Positionierungselektroden eines Elektrodenhalters erzeugten elektrostatischen Ladungen ist Null, da die Speisespannungen dem Betrage nach gleich, aber in Gegenphase befindlich sind. Hieraus ergibt sich, daß jegliche Wechselwirkung zwischen den von den Positionierungselektroden in den drei Raumachsen erzeugten Ladungen entfällt.

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Claims

. 1 .72 Blatt 8 Dipl.-Ing. G. Schlicht

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Patentansprüche

Elektrostatischer Kugel-Beschleunigungsmesser für extrem kleine Beschleunigungen mit einer Kugel in einem Käfig und je einem Lageregelsystem für die Kugel in jeder der drei Raumachsen eines im Käfigmittelpunkt zentrierten Dreibeins, welches einen elektrostatischen Differential-Positionsgeberkreis für die Kugellage und einen von diesem Kreis gesteuerten elektrostatischen Positionierungskreis für die Kugel besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierungskreis für jeden Pol jeder Raumachse zwei unterschiedliche Positionierungselektroden (5, 8) besitzt, deren kugelseitige Innenflächen koaxial zur Raumachse angeordnet sind, einer gleichen sphärischen Fläche angehören und gleiche Oberfläche aufweisen.
2. Elektrostatischer Kugel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Positionierungselektroden eines Poles als Elektrode (5) mit sphärischer Kreisfläche, umgeben von einer Elektrode (8) mit sphärischer Ringfläche, ausgebildet sind und zwischen ihnen eine Positionsgeberelektrode (11) mit sphärischer Ringfläche koaxial angeordnet ist.
3. Elektrostatischer Kugel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 und 2 mit Mitteln zur Verstärkung der PositioRS-gebersignale und zur Aufbringung der Verstärkersignale auf die Positionierungskreise, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Positionierungskreis ein Verzweigungskreis (25) vorgesehen ist, welcher die paarweisen Positionierungselektroden (5, 8) desjenigen Poles speist, der weiter von der Kugel entfernt ist als der gegenüber liegende Pol.

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1 . 1 . 72 Blatt 9 Dipl.-Ing. G. Schliebs

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Elektrostatischer Kugel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsgeberelektroden (11) und die Positionierungselektroden (5, S) gegenüber der inneren Kugelfläche des die Kugel enthaltenden Käfigs zurückgesetzt sind.

Elektrostatischer Kugel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch /f, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsgeberelektroden (11) gegenüber den Positionselektroden
(5, 3) weniger zurückgesetzt sind.

Elektrostatischer Kugel-Beschleunigungsmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5>> dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungselektroden (5> 8) und die Positionsgeberelektrode (]1) jedes Poles von einem Elektrodenhalter getragen sind, der fest mit dem Käfig verbunden ist.

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