DE2523446C3 - Gerät für die Messung von Beschleunigungen oder von Komponenten der Gravitationskraft für die Winkelmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät für die Messung von Beschleunigungen oder von Komponenten der Gravitationskraft für die Winkelmessung, mit einem Stator, der eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes angeschlossen ist, und mit einem gegenüber denn Stator beweglichen, federelastisch angeordneten Auslenkiteil.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät dieser Art zu Finden, das bei einfachem Aufbau und weitgehender Unempfindlichkeit gegen Schwingungen und Schläge sowie insbesondere auch gegenüber Temperaturschwankungen, eine hohe Meßgenauigkeit ermöglicht. Hierfür soll es möglichst reibungsfrei arbeiten und neben der Messung von kleinen Winkeln in einem engen Meßbereich auch eine Ausführung ermöglichen, die eine Messung in einem ίο vollen Winkelbereich von 0 bis 180° gestattet. Die Lösung dieser Aufgabe wird erreicht durch ein Gerät, das gekennzeichnet ist durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Auslenkteil besteht aus einer an ihrem Rand befestigten Membran, die sich in einer nach außen geschlossenen Kammer zwischen zwei Statorteilen befindet;

b) ein mittlerer ausienkbarer Membranteil ist durch Schlitze vom Membranrand getrennt und über zwei oder mehrere Stege an seinem Umfang mit dem befestigten Membranrand verbunden.

Die Membran kann vorteilhaft kreisförmig sein, wobei dann der mittlere auslenkbare Teil der Membran durch parallel zu ihrem Umfang verlaufende Schlitze vom Membranrand getrennt ist, so daß die zwischen den Schlitzen verbleibenden Stege die Verbindung zum Membranrand bilden. Weiterhin können mehrere konzentrische und in Membranumfangsrichtung zueinander versetzt angeordnete Schlitze vorgesehen sein, so daß der Auslenkung der Membran durch das Membranmaterial nur eine sehr kleine Federkraft entgegenwirkt. Die Schütze werden in vorteilhafter Ausgestaltung des Gerätes so dünn wie möglich ausgeführt, um eine große Dämpfung durch das zwischen der Membran und den angrenzenden Statoren eingeschlossene Medium, d. h. ein Gas oder eine Flüssigkeit gegen z. B. Erschütterungen, zu erhalten, wenn bei der Auslenkung der Membran das Medium durch die Schlitze von einer Seite zur anderen Seite der Membran strömt. Eine Dämpfung in Richtung der Membranebene kann durch einen quer zur Membran verlaufenden Membranrand erreicht werden oder durch eine durch eine öffnung der Membran geführte Stange, die mit den Statoren fest verbunden ist

Soll das Gerät vorwiegend ähnlich einer Wasserwaage oder einem Nivelliergerät verwendet werden bzw. zur Messung von Winkeln, die nur wenig von der Horizontalen oder Vertikalen abweichen, so kann das Gerät so ausgeführt sein, daß der Auslenkteil in elektrischer Verbindung mit einem Meßwertumformer steht, der die bei Auslenkung am Auslenkteil auftretende elektrische Spannung in ein dem Lagewinkel des Gerätes proportionales Signal umformt, wobei der Meßwertumformer mit einem Anzeigeinstrument elektrisch verbunden ist, der dieses Signal für die Anzeige aufnimmt.

Für die Messung von Winkeln im gesamten Winkelbereich von 0 bis 180° bzw. bis 360° kann das Gerät weiterhin so ausgeführt sein, daß der Stator mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, so daß die dem Stator zugeführte Wechselspannung von einer Gleichspannung überlagert ist, wobei zwischen einem Regler für die Gleichspannung und dem Auslenkteil eine elektrische Verbindung vorgesehen ist:, so daß durch Regelung der Gleichspannung in Abhängigkeit von der am Auslenkteil auftretenden Wechselspannung der Auslenkteil in seiner Nullage gehalten wird. Bei dieser Ausführungsform kann, außerdem auch der Auslenkteil

mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sein, so daß beim Winkel 0, d. h. wenn keine Gravitstionskraft bzw. Trägheitskraft auf den Auslenkteil wirkt, die durch die Gleichspannung am Auslenkteil vorhandene elektrostatische Kraft im Gleichgewicht steht mit der elektrostatischen Kraft aufgrund der Gleichspannung am Stator. Auf diese Weise ist am Auslenkteil eine elektrostatische Vorspannung vorhanden.

Da die Anzeige des Gerätes sowohl auf Gravitationsais auch auf Trägheitskräfte anspricht, kann das Gerät auch zur Beschleunigungsmessung angewandt werden, wofür entweder die Winkelanzeige über einen Faktor in einen Beschleunigungswert umzurechnen ist oder am Anzeigeinstrument anstelle der Winkelskala oder zusätzlich zu ihr eine Skala für die Beschleunigungswerte vorzusehen ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 bis 3 schematische Darstellungen der Anordnungen zwischen den Teilen des Stators und dem Auslenkteil, wobei diese Teile mit Abstand zueinander zur Verdeutlichung der Anordnung gezeigt sind,

Fig.4 eine Ansicht des als Membran ausgebildeten Auslenkteiles,

F i g. 5 ein Blockschaltbild des Gerätes, und

F i g. 6 ein Blockschaltbild mit einer weiteren Ausführungsform der elektrischen Schaltung.

Wie die F i g. 1 bis 3 zeigen, ist der Auslenkteil 1 zwischen zwei Elektrodenplatten 2, 3; 4, 5 oder 6, 7 eingeschlossen und wird an seinem Rand 8 bei den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 1 und 2 zwischen sich von den Platten erhebenden umlaufenden Rändern 9, 10 gehalten. Im Beispiel nach F i g. 3 sind zwischen den Rändern der Elektrodenplatten 6, 7 und dem Rand des Auslenkteiles 1 Dichtringe 11, 12 eingelegt, so daß sich auf beiden Seiten des membranförmigen Auslenkteiles 1 nach außen abgeschlossene Kammern 13 und 14 befinden. Die endgültige Anordnung ergibt sich bei den Darstellungen nach den F i g. 1 bis 3 durch Gegeneinanderpressen der Elektrodenplatten, wobei sie dann zur Sicherung gegen Verschiebung bei größeren Erschütterungen und zur vollständigen Abdichtung mit einem Kleber, wie z. B. Epoxyharz, vergossen werden können. Um eine Lageveränderung der Elektrodenplatten 6, 7 durch Wärmeausdehnung, z. B. des Klebemittels, zu verhindern, ist die Anordnung auch nach ihrer Fertigstellung unter Federvorspannung zu halten. Hierfür können übliche nicht dargestellte Klemmorgane verwendet werden, die die Anordnung umschließen.

In den nur schematisch dargestellten Elektrodenplatten 2 bis 7 sind in Randnähe am Umfang verteilt z. B. drei nicht dargestellte Bohrungen vorgesehen, in die von dem membranförmigen Auslenkteil 1 abgebogene Fortsätze 15,16,17 einrasten, so daß der Auslenkteil zu den Platten zentriert wird. In der Mitte der Elektrodenplatten befindet sich außerdem eine Bohrung für die Durchführung der elektrischen Anschlüsse 18, 19 der Elektroden 20,21 der Elektrodenplatten. Diese Bohrung wird nach Hindurchstecken der elektrischen Anschlüsse mit einer geeigneten Dichtmasse geschlossen. Für die Elektrodenplatten und die Membran wird vorteilhaft ein Maieria! verwendet, das unter Temperatureinflüssen keine Ausdehnungen aufweist, wie z. B. INVAR oder ein Spezialquarz ohne Wärmedehnung, auf den die Elektrodenplatten als leitende Schicht aufgedampft werden können. Es kann jedoch auch das gleiche Material verwendet werden wie für den Auslenkteil, so daß keine Verspannungen und Verformungen infolge von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auftreten können, jedoch ist ein elektrisch nichtleitendes Material vorzuziehen.

Fig.4 zeigt einen als Membran ausgebildeten kreisförmigen Auslenkteil 1 mit parallel zu seinem Rand konzentrisch und mit Abstand nebeneinander vorgesehenen Schlitzen 22, 23, 24 die die Membran so weit schwächen, daß ihr mittlerer Teil, an dem die

ίο Kondensatorplatte 25 befestigt ist, sich bereits unter dem Einfluß sehr geringer Kräfte aus der Membranebene herausbiegen kann. Zueinander parallele Schlitze 22, 23, 24 sind dabei in Umfangsrichtung so zueinander versetzt, daß einem Steg 26 zwischen zwei Schlitzen der Mittelteil des dazu parallelen Schlitzes 23 gegenübersteht.

Das Meßprinzip beruht auf der Änderung der Kapazität zwischen der Kondensatorplatte 25 und den Elektrodenplatten 20,21, wenn dieser unter den Einfluß einer Gravitations- oder Trägheitskraft aus ihrer neutralen bzw. Nullage ausgelenkt wird. Bei der Winkelmessung ist die Nullage gegeben, wenn die Ebene der Membran genau vertikal verläuft. Bei einer geringen Abweichung aus der Nullage kann sich der Mittelteil der Membran mit der Kondensatorplatte 25 bereits geringfügig ausbiegen, so daß in ihr eine Spannung entsteht, die für die Meßanzeige ausgewertet wird, wie im folgenden anhand der F i g. 5 und 6 näher beschrieben wird.

Die beiden Elektrodenplatten 20, 21 sind mit einem Generator 27 für die Erzeugung einer Wechselspannung Uo verbunden, so daß sich an den Elektrodenplatten 20, 21 um 180° gegeneinander phasenverschobene Spannungen mit gleicher Amplitude und Frequenz befinden. Somit heben sich die auf die Kondensatorplatte 25 des Auslenkteiles 1 wirkenden Spannungen gegenseitig auf, wenn sich die Kondensatorplatte 23 genau zwischen den Elektrodenplatten 20, 21 befindet. Weicht die Kondensatorplatte 25 unter dem Einfluß der Gravitation oder von Trägheitskräften aus ihrer Nullage aus, so entsteht durch die Änderung der Kapazitäten zwischen den Elektrodenplatten und der Kondensatorplatte an dieser eine Wechselspannung Ul, Die Kondensatorplatte 25 steht in elektrischer Verbindung mit einem Meßwertumformer, in dem diese Wechselspannung Ul in ein Meßsignal zur Anzeige in einem nicht dargestellten Anzeigeinstrument umgeformt wird. Durch eine mathematische Berechnung der auftretenden elektrischen Kapazitätsänderungen infolge einer Winkeländerung der Lage des Gerätes läßt sich auf einfache Weise nachweisen, daß die Spannung Ul für kleine Winkel der Winkeländerung proportional ist, d. h. in einem Winkelbereich, in dem genügend großer Annäherung der Sinus des Winkels gleich ist der Größe des Winkels. Diese Ausführungsform des Gerätes mit der Schaltungsanordnung entsprechend F i g. 5 ist somit besonders geeignet, wenn nur kleine Winkelabweichungen von der Vertikalen bzw. Horizontalen zu messen sind, wie z. B. wenn das Gerät ähnlich einer Wasserwaage angewandt wird. Hierfür ist die Anordnung entsprechend den F i g. 1 bis 3 beispielsweise in einem Klotz mit Außenflächen eingeschlossen, die genau parallel oder vertikal zu der Ebene des membranförmigen Äusienkieües 1 verlaufen.

Beim Gerät mit einer elektrischen Schaltanordnung entsprechend Fig.6 kann eine Winkelmessung mit hoher Genauigkeit im gesamten Winkelbereich von 0 bis 180° bzw. bis 360" erfolgen, da bei dieser

Ausführungsform keine wesentliche Auslenkung der Kondensatorplatte 25 erfolgt. Die Auslenkung wird verhindert durch eine in Abhängigkeit von der Spannung Ul geregelten Gleichspannung U\, Ui, die der an den Elektrodenplatten 20, 21 anliegenden Wechselspannung Uo überlagert wird, so daß die Kondensatorplatte 25 entgegen der auf sie einwirkenden Kraft durch die elektrostatische Kraft infolge der geregelten Gleichspannung in ihrer Nullage gehalten wird. Durch die an die Elektrodenplatten 20,21 angelegte Wechselspannung Uo entsteht bei Auslenkung der Elektrodenplatte 25 auf die gleiche Weise wie anhand Fig.5 bereits beschrieben wurde, eine Wechselspannung Uu diese wird jedoch einem Regler 29 zugeführt, der eine Gleichspannung Uu U2 von der Gleichspannungsquelle 30 so weit regelt, bis die Kondensatorplatte 25 wieder in ihre Nullage zurückkehrt bzw. die Wechselspannung Ul sich auf Null verringert. Entsprechend der Größe der auf die Kondensatorplatte 25 wirkenden, durch eine Winkeländerung gegebenen Kraft ist hierzu eine mehr oder weniger große Gleichspannung Ui, L/? erforderlich, so daß die Größe der Spannung U₁, Ui einem Anzeigeinstrument für die direkte Anzeige des Winkels oder einer Trägheitskraft zugeführt werden kann.

Durch eine mathematische Berechnung kann ohne Schwierigkeiten nachgewiesen werden, daß bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig.6 der Sinus des zu messenden Winkels proportional ist der Differenz U? - U/.

Zusätzlich kann an die Kondensatorplatte 25 eine Gleichspannung angelegt werden, wobei dann die durch sie verursachte elektrostatische Kraft durch eine entsprechende Gleichspannung an den Elektrodenplatten 20, 21 aufgehoben wird, auch wenn keine Gravitations- oder Trägheitskräfte auf die Elektrodenplatte 25 einwirken. Auf diese Weise ergibt sich zwischen der Spannung an der Kondensatorplatte und der Spannung an den Elektrodenplatten eine größere Differenz, die zu einer höheren Meßgenauigkeit und einer schnelleren Rückstellung der Kondensatorplatte 25 in ihre Nullage führt.

Die Geschwindigkeit der Rückstellung der Kondensatorplatte 25 in ihre Nullage und damit die Meßdämpfung des Gerätes kann zusätzlich oder anstelle der bereits erwähnten öffnungen in der Membran auf elektronische Weise durch Einstellung der Regelgeschwindigkeit des Reglers 29 beeinflußt werden. Bei dieser Ausführungsform ist die Kondensatorplatte 25 vorteilhaft im luftleeren Raum angeordnet.

Eine mechanische Dämpfung des Auslenkteils z. B. gegen am Gerät auftretende Erschütterungen wird in

jo Richtung senkrecht zur Ebene des Auslenkteiles 1 durch die schmalen Schlitze 22,23,24 erreicht, die ein Hin- und Herströmen des im Gerät eingeschlossenen Mediums zwischen den Kammern 13 und 14 behindern.

Für eine mechanische Dämpfung gegen Kräfte, die in der Ebene des Auslenkteiles wirken, ist an dessen Umfang ein quer zur Ebene des Auslenkteils verlaufender Rand 31 vorgesehen, der als Strömungswiderstanc wirkt und/oder eine Auffangstange 32, die elektrisch nichtleitend ist, von den Statorteilen gehalten wird unc

sich durch eine öffnung 33 des Auslenkteils mi geringem Spiel hindurch erstreckt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

I. Patentansprüche:

1. Gerät für die Messung von Beschleunigungen von Komponenten der Gravitationskraft für die Winkelmessung, mit einem Stator, der an eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes angeschlossen ist und mit einem gegenüber dem Stator beweglichen, federelastisch angeordneten Auslenkteil, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Auslenkteil besteht aus einer an ihrem Rand befestigten Membran (1), die sich in einer nach außen geschlossenen Kammer zwischen zwei Statorteilen (2,3; 4,5; 6,7) befindet;

b) ein mittlerer auslenkbarer Membranteil ist durch Schlitze (22, 23, 24) vom Membranrand (8) getrennt und über zwei oder mehrere Stege an seinem Umfang mit dem befestigten Membranrand verbunden.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere konzentrische und in Membranumfangsrichtung zueinander versetzt angeordnete Schlitze (22,23,24).

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslenkteil (1) in elektrischer Verbindung mit einem Meßwertumformer (28) steht, der die bei Auslenkung am Auslenkteil (1) auftretende elektrische Spannung Ul in ein dem Lagewinkel des Gerätes proportionales Signal umformt.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (20, 21) mit einer Gleichspannungsquelle (30) verbunden ist, so daß die dem Stator zugeführte Wechselspannung U₀ von einer Gleichspannung L/i, lh. überlagert ist, wobei zwischen einem Regler (29) für die Gleichspannung und dem Auslenkteil (25) eine elektrische Verbindung vorgesehen ist, so daß durch Regelung der Gleichspannung an den Elektrodenplatten in Abhängigkeit von der am Auslenkteil auftretenden Wechselspannung Ul der Auslenkteil in seiner Nullage gehalten wird.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Auslenkteil (1, 25) mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist.

6. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgeschwindigkeit des Reglers (29) einstellbar ist.

7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslenkteil im luftleeren Raum angeordnet ist.

8. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslenkteil (1) mit einem quer zu seiner Ebene verlaufender. Rand (31) versehen ist.

9. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in den Statorteilen (6, 7) fest gelagerte Stange (32), die durch eine öffnung (33) des Auslenkteiles (1) verläuft und elektrisch nichtleitend ist.