DE2746279C3 - Schwingungsmeßgerät - Google Patents

Description

Oie Erfindung betrifft ein Schwingiingsmeßgerät gemäß Oberbegriff des 1 lauptanspruchcs.

Ein solches SchwingungsmeUgcrät ist aus der I)E-OS 48 558 bekannt. Hei diesem bekannton (ieriit wird der Abstand des Schwingungsmiltelpunktcs eines Pendels von einem vorgegebenen Rcfercn/.orl dadurch ermittelt, daß dem Pendel ein unabhängig von der Schwingung.srichtung Impulse mit konstanter Impulsratc je Schwingungscinheil abgebender Impulsgenerator zugeordnet ist, dessen Impulse einem Umschalter zugeführt werden, der nach Durchlaufen der Schwingiingsbewegung durch den Referenzort in der einen Richtung die von dem Impulsgenerator gelieferten Impulse dem Varwärtseingang, nach dem Durchlaufen der Schwingungsbewegung in der anderen Richtung dem Rückwärtseingang eines Vor-Röekwärtszählers zuführt Der Impulsgenerator zur Feststellung des Schwingungsmittelpunktes des Pendels ist ein photoelektrisches Gittersystem, dessen Gitter einander gegenüberliegen, wobei eines der Gitter Bestandteil des Pendels und das andere Gitter ortsfest angeordnet ist. Die Signale werden durch eine photoelektriscNEinrich-

IQ tung bei Deckung der Schlitze der beiden Gitter erzeugt. En;solches Schwingungsmeßgerat ist nicht zur Messung von zweidimensionalen Schwingungen geeignet, da das Gittersystem eine Bewegung des Pendels nur in einer Koordinate gestattet-Ferner ist eine genaue

is Feststellung des Pendelausschlages bei dem bekannten Gerät nur dann möglich; wenn der Pendelausschlag im einzelnen und schrittweise verfolgt wird. Dieser Nachteil ergibt sich aus der Gitterabtastung durch den Zähler.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Schwingungsmeßgerät der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sein elektrischer Ausgang die Voraussetzung zu einer leicht einstellbaren Schwellwertanzeige schafft, ohne die Bewegung der seismischen Masse — aus ihrer Ruhelage bis hin zu ihrem dem Schwellwert entsprechenden Ausschlag — im einzelnen bzw. schrittweise verfolgen zu müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Schwingungsmeßgerät in der in dem Hauptanspruch

jo angegebenen Weise gekennzeichnet.

Das erfindung&gemäße Schwingungsmeßgerät erlaubt eine genaue Messung, eine einfache Einstellung der Schwellenwerte und ist einfach zu bedienen. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Schwingungsmeßgerä-

(5 tes beruhen im wesentlichen darauf, daß durch die Abgabe eines Signals von einem bestimmten Wandler unmittelbar festgelegt ist, in welcher Lage das Pendel sich befindet, d. h. die Lage des Pendels ist unabhängig von seinem vorherigen Schwingungswcg feststellbar.

Da die Schwellenwerte der cinzemen den Eingängen zugeordneten Wandler separat eingestellt werden können, können die Schwellenwerte in den verschiedenen Schwingungsrichtungen in der Ebene leicht separat eingestellt werden.

*"> Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung der optischen Eingänge auf der l.ichtcmpfangsebene sind in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet, während die Ansprüche 5 und b vorteilhafte Ausgestaltungen der optischen Eingänge der Wandler selbst charakterisiert rcn.

Aus der CJB-PS 10 88 0¹W ist eine Wägeeinrichlimg bekannt, bei der entsprechend dem auf der Waage lastenden Gewicht eine Karte mit einer Codierung in dem Strahlengang einer optischen Einrichtung bewegt

">■> wird, wobei der von dem Strahlengang jeweils erfaßte Code durch in einer l.iehlcmpfangsflachc des optischen Systems angeordnete Wandler erfaßt und über einen binär/dezimal-Uniset/er einem Rechner zugeführt wird. Dieses System dient zur digitalen Anzeige des

W) Gewichts. Der Strahlengang der optischen Einrichtimg bleibt stationär, und es werden lediglich die Tcilslnihlen entsprechend der Codierung durch die Wandler erfaßt. Diese bekannte Einrichtung kann daher keine Anregung geben, bei Schwingtingsmeßgerälen eine Art Codierung

*>■> für die Auslenkung des Pendels anzuwenden.

Schließlich ist aus der I)I-: OS 21 IO l^r>! ein optisches Instrument bekannt, welches als Orienticrutigsliilfe für die Ausrichtung von Satelliten auf einen I iipunkt dieni.

Bei diesenVInstrument tritt ein optisches Signal in Form eines Liebtuflndels durch einen Eintrittsspalt ein und fällt auf eine fläebenbafte Anordnung kleiner Photozellen. Per durch die PhotQze||en gemessene Abstand des Punktes, an dem das Strahlenbündel auf die Photozellenanordnung auftrifft, und dem Mittelpunkt der Anordnung, wird zu einem Korrektursignal for die Fluglage des Satelliten verwendet Auch diese Anordnung kann keine Anregung dafür sein, wie die gestellte Aufgabe bei Schwingungsmeßgeräten gelöst werden könnte.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schwingungsmeßgerätes werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben Es zeigen

Fig. l(A) und I(B) den Aufbau eines Schwingungs- π meßgerätes;

Fig.2(A) und 2(C) einige Ausführungsbeispiele für die Anordnung der fotoelektrischen Wandler des Schwingungsmeßgerätes;

F i g. 3 eine elektrische Schaltung zur Verwendung bei dem Schwingungsmeßgerät;

F i g. 4(A) und 4(B) die Anordnung der Därppfungseinrichtung, die bei dem Schwingungsmeßgerät verwendet wird;

F i g. 5(A) und 5(B) ein anderes Ausführungsbeispiel »5 eines Schwingungsmeßgerätes; und

F i g. 6(A) und 6(B) ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schwingungsmeßgerätes.

In den Fig. l(A) und I(B) ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Schwingungsmeßgerätes gezeigt, wobei !< > Fig. l(A)das Pendel im Ruhezustand und Fig. I(U)das Pendel im Schwingungszustand zeigt. Das Schwin gungsmeßgerät weist eine seismische Masse I eines umgekehrten Pendels, ein Gehäuse 2, eine Slützfecler 3 für das Pendel, eine Lichtquelle 4, eine kreisförmige r> Öffnung 5 für den von der Lichtquelle abgegebenen Lichtstrahl 7 und eine Linse 6 auf. Auf die Linse 6 trifft ein Lichtstrahl 8 auf. und ein Lichtstrahl 9 tritt aus der Linse 6 aus. Gegenüber der Linse 6 ist ein faseroptischer Strang 14 angeordnet, dessen Lichtempfangsebene in Flächenbereiche IJ-(I) bis li-(n) aufgeteilt ist. Der faseroptische Strang 14 endet in faseroptischen Teilsträngen 15-(I) bis \'i-(n) mit entsprechenden Querschnitten, denen jeweils piezoelektrische Wandler 16-(I) bis ifi-(n) zugeordnet sind. Die Alisgangssignale r> der Wandler werden über ein eU-ktrischcs Kabel 12 abgeführt. Schließlich ist eine Dämptimgseinrichtung 17 für das Pendel vorgesehen.

Im stationären Zustand wird die seismische Masse I durch die Feder \ senkrecht gehalten, wie iit Fig. 1(A) '·<' gezeigt ist. Der Lichtstrahl 7 von der LichU|iicllc 4 trill durch die kreisförmige Öffnung j hindurch, und der aus der Öffnung 5 austretende Lichtstrahl 8 fallt auf die Linse 6. Der von der Linse 6 abgegebene Lichtstrahl 9 ist auf die Lichtempfangsebene mit den ll.icheiibereichen v> H-(I) bis li-(n)| fokussiert, so daß ein reelles Bild Jer kreisförmigen Öffnung 5 auf der Lichlempfangscbcne erzeugt wird. Im stationären /tisiaml sieht das Pendel senkrecht, und der Lichtstrahl 9 helichiet die Mille der in Flächenbereichc H(I) his H (η) aufgeteilten <>"> l.ichtempfiingsübene. Wenn ein linlbehen »tier eine andere Schwingung auftritt, wird eine Relativbewegung /wischen dem Pendel und dem (ichiiuse 2 entsprechend den horizontalen Komponenten der Sihwiiigiing er/eugl. Da die Diimpfiingseiiirichiiing 17 /ur D.imp- *> fiing der llcwcguhg des Pendels vorgesehen kl. gilil die llewegting des Pendels genau die Bewegung der FnIc wieder. Ferner begrenzt die Dainpfiiiigsimrkhiuiig 17 die Amplitude der Schwingung des Pendels, Wenn das Pendel so ausschwingt, wie in Fig, I(B) gezeigt ist, belichtet der Lichtstrahl 9 einen seitlichen Flachenbereich der Lichtempfangsebene statt den mittleren Bereich dieser Ebene, Da der faseroptische Strang 14 von der seismischen Masse 1 aus nach oben absteht, ist die Auslenkung der Lichtempfangsebene, die durch das eine Ende des faseroptischen Strangs 14 gebildet wird, größer als die Auslenkung des Pendels, so daß die Empfindlichkeit des Gerätes auf Schwingungen vergrößert wird. Das andere Ende des faseroptischen Stranges 14 ist in Teilstränge IS-(I) bis iS-(n)mh entsprechendem Querschnitt unterteilt, und den Teilsträngen sind die Wandler 16-(I) bis i6-(n) optisch zugeordnet bzw. mit diesen verbunden.

Die Fig.2(A), 2(B) und 2(C) zeigen einige Ausführungsbeispiele für die Anordnung der Wandler. In Fig.2(A) sind die Flächenbereiche 13-(1) bis \3-(n)der Lichtempfangsebene als eine Vielzahl kreisförmiger Ringe un\ einen mittleren Kreis ausgebildet, wobei die Flächenbereiche durch konzentrische Kreise begrenzt werden. Der mittlere, kreisförmige Flächenbereich H-(I), der erste, ringförmige Flächenbereich 13-(2) und die weiteren ringförmigen Flächenbereiehe bis zu dem äußeren, ringförmigen Flächenbereich il-(n) sind über die faseroptischen Teilstränge 15-(1), 15-(2) bzw. IS-fn) des faseroptischen Stranges 14 mit den Wandlern I6-(1), l6-(2) bzw. \%-(n) verbunden. Folglich belichtet der Lichtstrahl 9 im stationären Zustand den mittleren Flächenbereich 13-(I) auf der Lichteinpfangsebene des faseroptischen Stranges 14 und damit über den Teilstrang 15-(I) den Wandler 16(1). Wenn das Pendel durch eine Schwingung ausgelenkt wird, belichtet der Lichtstrahl 9 einen der konzentrischen, ringförmigen Flächenbereiehe H-(2) bis H-(n)]c nach der Größe der Auslenkung. Dadurch wird der entsprechende Wandler der Wandler 16-(2) bis \6-(n) belichtet. Der mittlere, kreisförmige Flachenbereich H-(I) und die ringförmigen Flächenbereiehe 13-(2) bis H-fnJliegen in Uezugauf den Mittelpunkt der Lichtempfangscbene symmetrisch, so daß eine Schwingung in beliebiger Richtung in der horizontalen Ebene bewirkt, daß der Lichtstrahl 9 einen der ringförmigen Flächenbereichc I )-(2) bis ii-(n)trifft.

Fig. 2(B) zeigt eine andere Aufteilung üit Lichtempfangsebene in Flächenbereiehe. die jeweils ein/einen Wandlern zugeordnet sind. Die l.ichtempfangsebcne ist in F i g. 2(B) sowohl durch konzentrische Kreise als auch durch eine Vielzahl radialer Linien unterteilt. Fig. 2(C) zeigt eine andere Aufteilung der Lichtempfangsebene in Flächenbereiehe, wobei die Lichteinpfangsebene durch eine Vielzahl aufeinander senkrechter, sich kreuzender Linien unterteilt ist. Bei Verwendung der Anordnungen von F i g. 2(B) und/oder von F i g. 2(C) kann nicht nur die Intensität der Schwingungen sondern auch die Richtung der Schwingungen gemessen werden.

Fig. 3 zeigt die elektrische Schaltung, «lic bei dem Schwingungsmeßgerät verwendet wird. Die Ausgänge der Wandler 16-(I) bis l6-(n) werden an die Anschlüsse 18-(I) bis IS-(n)durch das Kabel 12 übertragen. Fig. J ist ein Beispiel für eine Schaltung, bei der zwei Sehwellcnwcrtniveuus zur Messung der Schwingungen eingestellt sind. Der Anschluß \H(k) ist mit dem Verstarker 19, und der Anschluß iü(in) ist mit dem Verstärker 20 verbunden. Ks ist jedoch /u beachten, daß auch beliebige andere Anschlüsse mil weiteren Verstärkern verbunden werden können, um mehr als zwei Schwellenvvertniveaus einstellen /11 können. Wenn eine Schwingung ,itiflrilt, deren lnlensii.it groß genug ist, um

ein elektrisches Signal an dem Anschluß t&-(k) /.ti erzeugen, wird das elektrische Signal an diesem Anschluß über den Verstärker 19 an das Relais 21 gegeben, so daß der Kontakt 23 dieses Relais 21 geschlossen wird. Damit wird angezeigt, daß die ί Schwingung größer als das erste Schwellenwertniveau ist. Wenn eine Schwingung auftritt, deren Intensität groß genug ist, um ein elektrisches Signal an dem Anschluß iS-(m) zu erzeugen, wird das elektrische Signal über den Verstärker 20 an das Relais 22 to abgegeben, so daß der Kontakt 24 des Relais 22 geschlossen wird. Dadurch wird eine Schwingung angezeigt, die größer als das zweite Schwellenwertriiveau ist.

Die Lichtquelle 4 in den Fig. l(A) und I(B) kann H beispielsweise eine Metallfadenlampe (Wolfram), eine lichtemittierende Diode oder ein Laser sein. Wenn die Lichtquelle eine lichtemittierende Diode oder ein Laser ist. müssen die Wandler 16-(I) bis ift-(n) so ausgebildet sein, daß ihr Spektralbcreich maximaler Empfindlichkeit 2« mit dem der Lichtquelle zusammenfällt.

Es ist zu beachten, daß ein hängendes Pendel ebenso wie das in dem obigen Ausführungsbeispiel gezeigte, invertierte Pendel verwendet werden kann.

Die Fig. 4(A) und 4(B) zeigen den Aufbau der .'> Dämpfungseinrichtung 17. Mit der seismischen Masse 1 des Pendels ist eine leitfähige Platte 17a verbunden, die bei dem Joch 17i> des Magneten liegt. Zwischen zwei Magnetpolen (N und S) wird ein Spalt 17c gebildet. Wenn das Pendel sich im stationären Zustand befindet, i» steht die leitfähige Platte 17a in der Mitte des Spalts 17c. Wenn das Pendel schwingt, bewegt sich die leitfähige Platte 17a in den Spalt 17c. wo ein Magnetfeld vorhanden ist. Daher werden durch die Bewegung der leitfähigen Platte 17a Wirbelströme erzeugt, die die r> Bewegung des Pendels dämpfen oder abbremsen. Es ist jedoch zu beachten, daß auch eine andere Dämpfungseinrichtung vorgesehen sein kann. Beispielsweise kann das Pendel zum Zwecke der Dämpfung in Öl eingetaucht sein.

Ein zweites Aiisführungsbcispiel des Schwingungsmeßgerätes wird im folgenden anhand der Fig. 5(A) und 3iB) eriautcn. in diesen Nguren bezeichnen die Bezugszeichen 1 bis 9 dieselben Teile wie in den Fig. l(A) und l(B). Bei dem zweiten Ausführungsbei- ■<-> spiel des Schwingungsmeßgerätes trifft der von der Linse 6 abgegebene Strahl 9 auf eine Kondensorlinsc 11a auf. die in einem Rahmen 11 gehalten ist. Der Lichtstrahl 10 verläßt die Kondensorlinse 11a und trifft auf eine Wandlereinrichtung 16 auf. die wiederum eine v> Vielzahl von Wandlern aufweist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist eine Dämpfungseinrichtung 17 vorgesehen. Die photoelektrischen Wandler sind in der Weise angeordnet, wie es in den F i g. 2(A). 2(B) und 2(C) gezeigt ist. Der Unterschied zwischen dem Ausführungsbeispiel der Fig. l(A) und l(B) und dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5(A) und 5(B) besteht darin, daß die Lichtquelle in dem erstgenannten Ausführungsbeispiel an dem Gehäuse 2 befestigt und die Wandler an dem Pendel angeordnet sind, während in w> dem zweiten Ausführungsbeispiel die Lichtquelle an dem Pendel montiert und die Wandler an dem Gehäuse befestigt sind.

Die seismische Masse 1 des Pendels wird bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.5(A) und 5(B) von einer Stützfeder 3 getragen. In dem Hohlraum der Masse 1 ist eine Lichtquelle 4 angeordnet. Die Wandieranordnung 16 befindet sich an der Decke des Gehäuses 2 direkt gegenüber Von der Lichtquelle 4. Zwischen den Wandlern 16 und der Lichtquelle 4 liegen die Kondensorlinse lla. die Linse 6 und die kreisförmige Öffnung S. Sowohl die Linse 6 als auch die kreisförmige öffnung 5 sind in dem Hohlraum der Masse I angeordnet, derart, daß ein parallel Lichtstrahl 9 die Linse 6 verläßt. Die Kondensorlinse I la ist in dein Linsenrahmen 11 gehalten, der an dem Gehäuse 2 befestigt ist. Jeder Wandler ist mit einem Ausgangsanschltiß versehen, von denen zwei Ausgangsanschlüsse die Ausgangsanschlüsse \%-(k) und 18YmJ(Fi g. 3) sein können. Mit den zuletzt genannten Ausgangsanschlüssen können die Verstärker 19 und 20 verbunden sein, die ihrerseits mil den Relais 20 und 21 verbunden sind, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

Da das Pendel im stationären Zustand aufrecht steht, wird der Lichtstrahl 10 auf den mittleren Flächenabschnitt der Wandleranordnung projiziert (F ig. 5(A)). Wenn pin F.rHhrbpn auftritt, wird eine Relativbewegung zwischen dem Pendel und dem Gehäuse 2 erzeugt, die der horizontalen Komponente der Erdbebenbewegung entspricht. Aufgrund der Dämpfungscinrichtiing ist diese Bewegung eine nahezu getreue Umsetzung der horizontalen Bewegungen der Erde. Die D;impfungscinrichtung 17 begrenzt eine übermäßige Schwingung der Masse I des Pendels.

Wie bereits erwähnt wurde, wird der Lichtstrahl 10 im stationäre Zustand auf den mittleren Teil der Wandieranordnung projiziert. Wenn ein Zustand eintritt, wie in F ig. 6(B) qezeigt ist. wird der Projektionspunkt des Lichtstrahles 10 auf der Wandleranordnung verschoben. Da die Wandleranordnung aus kreisförmigen Wandlern 16 aufgebaut ist. die in einem in den Fig. 2(A) bis 2(C) gezeigten Muster angeordnet sind, und die unabhängig voneinander geschaltet sind, wird der projizicrtc Lichtstrahl 10. der wegen der Erdbebenbewegung aus der Mitte ausgclcnkt worden ist. auf eine Vielzahl der Wandler gerichtet. Wenn die Wandler punktsymmetrisch zu der Mitte der Wandleranordnung angeordnet sind. wird, wenn die Amplitude der horizontalen Schwingung der Erdbebenbewegung gleich groß ist. der Lichtstrahl 10 auf ein und denselben wandler der Wandieranordnung unaonangig von der Richtung der Schwingung der Erde in der horizontalen Ebene projiziert. Die elektrischen Verbindungen von den einzelnen Wandlern werden durch die Wandlereinrichtung weilergegeben, wie in F i g. 3 gezeigt ist.

In den F^:ig. 6(A) und b(B) ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Schwingungsmeßgerätes gezeigt, wobei F i g. b(A) den stationären Zustand und F i g. 6(B) den Schwingungszustand darstellt. Die Bezugszc^: :hen in den F i g. 6(A) und 6(B) bezeichnen die gleichen Teile wie in den vorhergehenden Ausführungsbcispielen. Die Anordnung und die Arbeitsweise des in den Fig.6(A) und 6(B) gezeigten Ausführungsbeispiels sind wie bei dem in den F i g. 5(A) und 5(B) gezeigten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, daß der faseroptische Strang 14 der Wandlereinrichtung 16 in den F i g. 6(A) und 6(B) vorgeschaltet ist. Durch die Ausführung mit dem faseroptischen Strang 14 läßt sich das Ausführungsbeispiel der Fig.6(A) und 6(B) leicht herstellen und bedienen. Es ist zu beachten, daß sich die Schaltung von Fig.3. die Anordnung der Flächenbereiche aus den F i g. 2(A) bis 2(C) und die Ausführung der Dämpfungseinrichtung in F i g. 4 sowohl bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5(A) und 5(S) als auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.6(A) und 6(B) anwenden lassen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Photoelektrisebes Scnwingungsmeßgerät mit einem innerhalb eines ersten Koordinatensystems angeordneten Gehäuse und einer diesem Gehäuse gegenüber beweglichen, einem zweiten Koordina^ tensystem zugehörigen seismischen Masse, die als Pendel dient, bei dem elektrische sowie die Lage der seismischen Masse gegenüber dem Gehäuse festlegende Signale mittels eines von einer Lichtquelle ausgehenden Lichtbündels und mehrerer mit diesem Lichtbündel zusammenwirkender, optische Eingänge aufweisender, photoelektrischer Wandler erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Eingänge der photoelektrischen Wandler (16), die einem: der beiden Koordinatensysteme angehören, derart räumlich auf einer Lichtempfangsfläche verteilt sind, daß ihr durch das Lichtbündel der Lichtquelle (4), die dem anderen Koordinatensystem angehört, festgelegter Beleuchtungszustand die Lage der seismischen Masse (1) bestimmt.

2. Schwingungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangsfläche in ein rundes Flächenelement in der Mitte und eine Vielzahl von dieses umgebende, ringförmige Flächenelemente unterteilt ist, und daß jedes Flächenelement dem Eingang eines bestimmten Wandlers (16) zugeordnet ist.

3. Schwingungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangsfläche in ein kreisförmiges Flächenelement in der Mitte und eine Vielzahl von clie-.es ump'bende, bogenförmige Flächenelemente von Ringflächen unterteilt ist, und daß jedes Flächenelement r^m Eingang eines bestimmten Wandlers(16) zugeordnet ist.

4. Schwingungsmeßgerät nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangsfläche durch aufeinander senkrecht stehende Linien in eine Vielzahl von Flächenelementen unterteilt ist, und daß jedes Flächenelement dem F.ingang eines bestimmten Wandlers (16) zugeordnet ist.

5. Schwingungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge der Wandler (16) durch einen faseroptischen Strang (14) gebildet sind.

6. SchwingungsmeUgcrät nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Strang (14) in Tcilstriinge unterteilt ist, die den Flüchenclemcnten der Lichtempfangsfläche zugeordnet sind.