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Meßplattform für differentielle Kraftanalyse
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßplattform zur Messung differentieller
dynamischer Kraftentwicklung, insbesondere fUr Anwendung in der Orthopädie, Traumatologie,
Rheumatologie und beim Sport, dabei dienen entsprechend angeordnete Meßplatten mit
Dehungsmeßstreifen und auf mehreren Metallacheiben aufliegende, in ihrem elektrischen
Widerstand druckabhängige Elemente zur Kraftanalyse-.
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Die mit derartigen Kraftmeßplattformen ermöglichten Messungen der
von Hauptmuskelgruppen entwickelten dynamischen- Kräfte sind erforderlich, damit
z.B. der Arzt, der Trainer oder auch der Privatanwender die Momentan- und die Spitzenwerte,
die Zeitfunktion und die Dynamik der totalen und der richtungsabhängigen wie auch
der flächenmHßig fein aufeefösten Kraftentwicklung kontrollieren können.
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Es sind Kraftmeßplatten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 bekannt, die primär gestatten, die gesamte vertikale Kraftentwicklung zu erfassen.
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Speziellere Weßplattformen sind auch fur mehrere räumliche Kraftkomponenten
vorgesehen. Die dabei verwendeten Kraftaufnehmer sind z.B. in #den Patenten DE 2906
407 (EP), US 125 833 (EP), GB 8022 876 (EP), GB 7906 621 (EP), IL 54 032 (EP) beschrieben,
Hierbei werden z.B. piezoelektrische Geber, Dehnungsmeßstreifen, hydraulische Geber
sowie variable Induktivitäten zur Erzeugung von druckabhängigen Meßwerten benutzt.
Der derzeitige Stand für Meßplattformen ist in Biomechanics VII. A; Morecki et al.,
Eds., PWN-Polish Sci. Publ. and Üniv. Park Press, Baltimore 1981; pp. 602-608 anhand
von mehreren Beiträgen beschrieben.
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Bezüglich der Meßplattformen wäre es von Bedeutung, bei Messungen
am Menschen neben der Gesamtkraft deren flächenmäßig aufgelöste Verteilung zu messen,
wobei vor allem die Kraftentwicklung auf die jeweiligen Extremitäten interessiert
und hier wiederum deren topologische Mikroverteilung. Bei der Diagnostik und Kontrolle
der Rehabilitation in den verschiedensten medizinischen Bereichen und in der Ergonimie
können nur Messungen der topologischen Mikroverteilung -der Kräfte den Zustand von
Muskeln und Gelenken hinreichend gut beschreiben. Wie auch aue den zitierten Lösungen
ersichtlich ist, können die vorbekannten Vorrichtungen z B. beim Gehen zwar die
Ortsabhängikeit und die Größe des momentanen Kraftvektors erfassen, sind aber nicht
in der Lage z.B. zu unterscheiden, ob ein Fuß oder zwei Füße wo und wie auf die
Plattform drücken. Auch die Verwendung zweier schritförmig versetzter Reihen von
mehreren Plattforaen löst dieses Problem nicht, da dann die zu testenden Person
wegen der vorgegebenen Schritt punkte und Gehlinie erfahrungsgemäß sich nicht
mehr
natUrlioh fortbewegt. Dardberhinaus haben die vorbekannten Vorrichtungen nicht die
Möglichkeit der topologisch-differentiellen Druck- bzw. Kraftverteilungamessung
z.B. fUr einen Fuß, also der Messung der Verteilung des Drucks bzw. der Kräfte auf
kleinste Teilflächen. Schließlich konnte sich die Anwendung dieser hlelßplattformen
zur Erlangung wichtiger Informationen aus den Bereichen der Psycho-Physiologie,
Othopädie, Traumatologie, Rheumatologie und des Sports nicht in der nötigen Weise
auf breiter Basis durchsetzen, da hierzu einmal die Anwendung und der Aufbau solcher
Meßplattformen viel zu kompliziert sind, und zum anderen hierfür insbesondere die
dadurch letztlich bedingten erheblichen Kosten ftiz# derartige Vorrichtungen ein
entscheidendes Hindernis darstellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben angeführten Nachteile
zu eleminieren und die Kraftentwicklungsmessung mit der Plattform mit einer zweckmäßigen
Konstruktion vergleichsweise einfach zu lösen, die damit darüberhinaus auch noch
vergleichsweise kostengünstig ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf die Grundplatte
der Meßplattform entsprechend verteilt Montageplatten aufgebracht sind. Auf jeder
der Montageplatten sind "U"-Träger und Rechteck-Profilträger befestigt, die als
Lager einmal für die die Vertikalkräfte messenden, rechteckigen Meßplatten und zum
anderen für die die Korizontalkräfte und das an der vertikalen Achse angreifende
Drehmoment messenden Trapez-Meßplatten vorgesehen sind. Die als Kraftmeßfühler dienenden
rechteckigen Meßplatten
wie auch die Trapezmeßplatten sind jeweils
zueinander vollsymaetrisch angeordnet und definieren dabei drei räumlich orthogonale
Ebenen. Ein aus vier auf vertikale Kräfte ansprechende Vertikal-Trägern und aus
vier auf horizontale Kräfte ansprechende horizontalen Trägerelement-Paaren definiertes,
kreisförmiges System ist als ein geschlossenes mechanische System vorgesehen, wobei
die von den in den Meßplatten integrierten Dehnungsmeßstreifen BrUckenschaltungen
realisieren, die damit in das geachlossene mechanische System eingebaut sind. Die
als Kombinations- und Kompensationsschaltungen angeordneten Brückenschaltungen sind
in der Lage, Richtung ~und Drehmoment der Kräfte zu differenzi-eren bzw.
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deren Größe zu erfassen. Hierbei ist eine auf die Jeteilige rechteckige
Meßlatte drUckende Kugel in einem Vertlkaltriger befestigt, der auf einem steifen
Trägerelement montiert ist. Die Trägerelemente sind alle an einer dünnen elastischen
Metallplatte und an einer zweckmäßigerweise aus Holz bestehenden Versteifungspiatte
befestigt. Die Trapez-Meßpiatten sind an von Montageplatten getragenen vier Rechteck-Profilträgern
befestigt und zwischen Kräfte übertragenden Kugelpaaren eingebracht, die in den
horizontalen Trägerelementen gelagert sind. Auf der unteren Fläche der zweckmäßigerweise
aus Holz gefertigten Versteifungsplatte sind horizontale Kanäle sowie vertikale
Durchführungen zu den auf der oberen Fläche eingebrachten kreisförmigen Versenkungen
vorhanden. In diese sind mit der Oberfläche eben absohließende Metalischeiben eingelegt
und von unten über die vertikalen Durchführungen und die horizontalen Kanäle mit
elektrischen Ansoh-lüssen versehen. Auf die Fläche mit den eingelegten Metallscheiben
ist eine druckabhängig
elektrisch halbleitende Matte und auf diese
eine vorzugsweise netzartige, elektrisch gut leitende Matte aufgelegt, die mit einer
die gesamte Vorrichtung bedeckenden, gummiartigen Platte überzogen ist.
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Außerdem ist es möglich, daß an die elektrischen Anschlüsse der Metall
scheiben ein Analog-Multiplexer bzw. ein Analog-Rechner, ein Analog-Digital-Wandler,
ein Mikrocomputer und gegenentalls sor2ugsweiee eine LED-Matrix sowie daneben auch
von Dehungsmeßstreifen gebildete Brückenschaltungen jeweils über einen Verstärker
an einen Analog-Multiplexer bzw. -Rechner angeschlossen werden. Ferner soll die
beschriebene, elektrisch halb leitende Matte vorzugsweise von Dynacon-Material sein.
Dabei ist es möglich, die elektrisch halb leitende Matte durch entsprechende, auf
den Metallscheiben aufgebrachte Einzelelemente zu ersetzen. Vorteilhaft ist es außerdem,
wenn die vier in der vertikalen z-Richtung ansprechenden rechteckigen Meßplatten
zueinander insbesondere quadratisch angeordnet sind und Bie vier auf Kräfte in der
horizontalen xy-Ebene ansprechenden. Trapez-Meßplatten ebenfalls quadratisch zueinander
angeordnet sind, wobei die Ecken des durch diese Meßplatten gebildeten Quadratsystems
in die Mitte der Seiten des Quadratsystems zu liegen kommen, das durch die recheckigen
Meßplatten gebildet wird. Eine andere Möglichkeit der Meßplattenanordnung besteht
darin, die auf die Kräfte in der horizontalen xy-Ebene ansprechenden Meßplatten
in rechtwinklig zueinander angeordneten Paaren auf die Grundplatte zu befestigen
wobei die Paare selbst wiederum ein rechtwinkliges, vorzugsweise quadratisches System
bilden. Auch kann aus vier Meßplatten, die auf in einer Ebene wirkende Kräfte ansprechen,
ein geschlossenes quadratisches System gebildet werden, in dem oder um das herum
eine
zentrale Vorrichtung, vorzugsweise ein Rohr oder ein Quadrat-Profileisen als das
auf die Meßplatten Kräfte übertragende Element dient. Schließlich ist es vorteilhaft,
zur vektoriellen Addition der einzelnen Kraftkomponenten einen Analog-Multiplexer
bzw. -Rechner einzusetzen, der an die räumlich orthogonal angeordneten Meßpiattensysteme
angeschlossen ist, der aus elektronischen Quadrier-, Summier- und Wurzelzlehbausteinen
besteht. Eine andere Möglichkeit, die vektorielle Addition der einzelnen Kraftkomponenten
vorzunehmen besteht darin, einen Analog-Multiplexer bzw.
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eine Analog-Signale verarbeitende Vorrichtung zu verwenden, bei der
die Größe der einzelnen Krat'tkomponenten durch eine sinusförmige Wechselspannung
entsprechender Amplitude durgestellt ist. Zur Addition jeweils zweier Komponenten
werden die entsprechenden Wechselspannungen gegeneinander um 90 Grad in der Phasenlage
verschoben addiert, so daß die Summenspannung damit dem Summenvektor der beiden
Einzelkraftvektoren entspricht.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonaere darin,
daß bei Messungen 2.#. am Menschen neben den drei räumlich orthogonal liegenden
einzelnen Kraftvektorgrößen, der jeweils einer beine zuzuordnenden Summenkraftgröße
und dem Betrag der Größe der Gesamtkraft auch die auf die horizontale xy-Ebene #enkrecht
wirkenden Kräfte flächenmäßig fein aufeelöst erft werden können, wobei vor allem
die Krftverteilung zur die jeweiligen Extremintätenpaare interessiert und hier wiederum
deren topologische Mikroverteilung. Die Vorrichtung ermöglicht, im. T.en der Diagnostik
und Krontrolle der Rehabilitation in den verschiedensten medizinischen Bereichen
und in der Ergonomie den interessierenden Zustand von muskeln und Gelenken meßtechnisch
zu bewerten.
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Weiter kann man sogar z.B. bei zwei auf die Meßplattform
drückenden
Füßen unterscheiden, welche Kraft jeweils durch den einzelnen Fuß ausgeübt wird
und wo bzw. wie stark die Kräfte, auf kleinste Flächenelemente aufgelöst, auf der
Meßplattform angreifen.
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Eine weitere neue zusätzliche Möglichkeit eröffnet sich dadurch, daß
man den zeitlich aufgelösten Ablauf beliebiger Kraftkomponenten, die auf die Meßplatte
wirken, der jeweiligen Momentanverteilung der flächenmäßig fein aufgelösten Druckverteilung
zuordnen kann, wenn man die gelieferten Meßdaten über eine zusätzliche Speicherungsmöglichkeit
weiterverarbeitet.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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In Fig.1 ist im Grundriß die Grundplatte, in Fig.2 speziell die Anordnung
der Trapez-Meßplatten und der in der horizontalen Ebene wirkenden Kräfte dargestellt.
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Fig.3 zeigt die Anordnung der Meßplatten auf der Grundplatte und die
Art der Zusammenschaltung der darauf befestigten Dehnungsmeßstreifen zu Brückenschaltungen.
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Fig.4 zeigt eine rechteckige Meßplatte und einen zugehörigen Ausschnitt
der Meßplattform~', Fig.5 zwei Trapez-Meßplatten-Ansichten mit zugehörigem Ausschnitt
der Meßplattform.
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Fig.6 gibt den oberen Teil der Meßplattform wieder, schichtweise geöffnet.
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Fig,7 zeigt das Beispiel eines zeitabhängigen Verlaufs der Kraft in
der Vertikal-Richtung mit zugehörigen Momentanzuständen der flächenmäßig. feinaufgelösten
Druckverteilung.
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Fig.8 gibt anhand eines Blockschaltbildes den Verlauf der Signalverarbeitung
wieder.
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In den Figuren ist eine Meßplattform'~ zur Messung vorzugsweise differentieller
dynamischer Kraftentwicklung dargestellt, bei der drei, die räumliche Lage bestimmende
Kraftvektoren und das der vertikalen Achse zuzuordnende Drehmoment über vorzugsweise
mit Dehnungsmeßstreifen aufgebauten Meßplatten erfaßt werden und die außerdem ermöglicht,
die flächenmäßige Feinverteilung der auf die Horizontalebene senkrecht angreifenden
Kräfte zu analysieren. Die Meßplattform besteht erfindungsgemäß aus einer Grundplatte
1 mit aufmontierten Montageplatten 2, auf die "U"-Träger 3 und Rechteck-Profilträger
4 befestigt sind, als Lager einmal für die Vertikalkräfte messenden, rechteckigen
Meßplatten 5, 6, 7, 8 und zum anderen für die die Horizontalkräfte und das der vertikalen
Achse zuzuordnende Drehmoment messenden Trapez-Meßplatten 9, 10, 11, 12.
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Dabei sollen die als Kraftmeßfühler aufgebauten rechteckigen Meßplatten
5, 6, 7, 8 und Trapez-Meßplatten 9, 10, 11, 12 vollsymmetrisch und die durch diese
Meßplatten 5 - 12 definierten Kraftmeßebenen zueinander räumlich orthogonal liegen
sowie mit dem von den vier Vertikal-#Trägern 13 und von den vier horizontalen Trägerelement-Paaren
25 definierten, kreisförmig angeordneten System als ein geschlossenes mechanisches
System M vorgesehen sind.
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Die kräftemäßigen Zusammenhänge sind aus Fig.2 zu entnehmen. Bei der
hier gezeigten vollsymmetrischen Anordnung der Meßplatten 5 - 12 erfassen die vier
rechteckigen Meßplatten 5, 6, 7, 8 Teilkomponenten Fzl, Fz2, Fza, Fz4 der Vertikalkraft
Fz, die durch einfaches Summieren der Teilkomoponenten erhalten wird.
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Nur auf die in der horizontalen xy-Ebene wirkenden Kräfte Fx und Py
sprechen die Trapez-Meßplatten 9, 10, 11 12 an, wobei sich diese Kräfte durch Summation
der jeweiligen Teilkomponenten ergeben, gemäß Fx 5 Fxl + Fx2 sowie Fy = Fy1 + Fy20
Im Falle eines auf die Meßplattform wirkenden, beispielsweise rechtsdrehenden Drehmomentes
wirken auf die vier Tra -pez-Meßplatten 9, 10, 11, 12 die Teilkomponenten Fx1 -Fy2t
-Px2 Fyl und können im Zusamn#enhang mit dem Abstand der Fx-Meßplstten 10, 12 bzw.
Fy-Meßplatten 9, 11 zum Geaamtdrehmoment -Dz aufsummiert werden, Die über Kugel-Paare
26 zwecks Kraft übertragung an die Trapez-Meßplatten 9, 10, 11, 12 ~fixierte Meßplattform-Oberpartie
15 - 25 ist damit auch lagemäßig in der Horizontal-Ebene fixiert.
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Die auf die Meßplatten 5 - 12 einwirkenden Kräfte werden über Dehungsmeßstreifen
R1 - R20 aufgenommen, die zu differenzierenden Brückenschaltungen W1, W2, W3, W4
zusammengeschaltet und damit auch in das geschlossene mechanische System M einbezogen
sind.
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Die Brückenschaltungen arbeiten als Kombinations-und als Kompensationsschaltungen.
Bei einer beispiélsweise in Fig. 3. gezeigten Anordnung sind auf die Trapez-Meßplatten
9, 10, 11, 12, die auf Drehmoment ansprechenden Dehnungsmeßstreifen R17, R18, R19,
R20 und die auf Kräfte in der x-Richtung ansprechenden Dehnungsmeßstreifen Rg, R10,
R11, R12 aufgebracht und zu den Brückenschaltungen W4 und W2 zusammengeschaltet.
Als Folge dieser elektromechanischen Kombinations- und Kompensationsschaltung resultieren
Ausgangssignale, welche die von den anderen Kräften in dem entsprechenden Kanal
resultierende, unerwünschte Superposition der Signale kompensieren und praktisch
eliminieren. In dieser elektro-mechanisch differenzierenden Lösung wird also das
unerwünschte
Übergreifen der kräfte durch die Brückensch'altungen
W1, WS, W3, W4 praktisch elemeniert, so daß Jede Brückenausgangsspannung ein proportionales
Maß zu der entsprechenden Kraft Fx oder Fy oder P sowie zum Drehmoment darstellt,
d.h., daß für die auf den gemeinsamen Trapez-Meßplatten 9, 10, 11, 12 für die Sx
FyX Dz auftretenden Belastungen die Briickenschaltungen W2, W3, W4-unabhängig funktionieren,
als Folge der kompensie renden Anordnung der Dehungsmeßstreifen Rg bis R20.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine auf die jeweilige rechteckige Meßlatte
5, 6, 7, 8, drückende Kugel 14 in einem Vertikalträger 13 befestigt, der auf einem
steifen Trägerelement 15 montiert ist, wobei die Trägerelemente 15 alle an einer
dünnen elastischen Metallplatte 16 und an einer zweckmäßigerweise aus Holz bestehenden
Versteifungsplatte 17 befestigt sind.
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Die Trapez-Meßplatten 9, 10, 11, 12 werden an von Montageplatten 2
getragenen vier Rechteck-Profilträgern 4 befestigt und sind zwischen Kräfte übertragenden
Kugalpaaren 26 eingebracht. Auf der unteren Fläche der zweckmäßigerweise aus Holz
gefertigten Versteifungsplatte 17 sind horizontale Kanäle 18 sowie vertikale Durchführungen
19 zu den auf der oberen Fläche eingebrachten kreisförmigen Versenkungen vorhanden,
in welche mit der Oberfläche eben abschließende Metallscheiben 21 eingelegt sind.
Damit können die Metallscheiben 21 von unten über die horizontalen Kanäle 18 und
die vertikalen Durchführungen 19 elektrisch angeschlossen werden 32. Auf die Fläche
mit den einwlegten Metallscheiben kommt eine druckabhängig elektrisch halbleitende
Matte 22 auf die eine vorzugsweise netzartige, eLektrisch gutleitende Matte 23 aufgelegt
ist Diese gutleitende Matte 23 dient zur Zuführung des Gesamtstroms, der sich durch
die elektrisch halbleitende Matte 22 auf die einzelnen darun-
terliegenden
Metallscheiben 21 verteilt. Wegen der Druckabhängigkeit des elektrischen Widerstandes
der halbleitenden Matte 22 liefern die mittels der Metallscheiben 21 erfaßten Teilströme
ein Maß für die flächenmäßige Feinverteilung des Drucks bzw. der Kräfte auf der
Meßplattform in der Vertikalrichtung. Die gesamte Vorrichtung ist letztlich-mit-
einer gummiartigen Platte 24 überzogen.
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In vorteilhafter Weise wird an die elektrischen Anschlüsse 32 der
Metallscheiben 21 ein Analog-Multiplexer 28, ein A/D-Wandler 29,ein Mikrocomputer
30 und gegebenenfalls vorzugsweise eine LED-Matrix 31 angeschlossen.
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Auch die von den Brückenschaltungen W1, W2, W3, W4 kommenden, über
Verstärker 27 weiterverarbeiteten Signale können dem Analog-Multiplexer bzw. Analog-Rechner
28 zwecks weiterer Signalauswertung zugeführt werden.
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Vorteilhaft ist es weiter, für die elektrisch halb leitende Matte
22 ein Dynacon-Material zu verwenden und/oder -die halb leitende Matte 22 durch
entsprechende auf die Metall scheiben 21 aufgebrachte Einzelelemente zu ersetzen,
Vorteilhaft ist es ferner, wenn die vier in der vertikalen z-Richtung ansprechenden
rechteckigen Meßplatten 5, 6, 7, 8 zueinander vorzugsweise quadratisch angeordnet
sind und die vier auf Kräfte in der horizontalen xy-Ebene ansprechenden Trapez-Meßplatten#9,
10, 11, 12 ebenfalls vorzugsweise quadratisch zueinander angeordnet und mit den
Ecken deren Meßplatten-Quadratsystems in die Mitte der Seiten des Quadratsystems
der rechteckigen Meßplatten 5, 6, 7, 8, auf die Grundplatte 1 montiert sind.
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Erfindungsgemäß werden die einzelnen Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz für
eine räumlich orthogonale Orientierung gewonnen. Für diesen Fall vereinfacht sich
die vektor-Y ielle Addition der Teilkomnonenten zu
zur oen Vorgang der velctoriellen Addition ist es daher vorteilhaft, wenn der dazu
dienende Analog-Multiplexer bzw, Analog-Rechner 28, an dem die räumlich orthogonal
angeordneten Meßplattensysteme angeschlossen sind, aus elektronischen Quadrier-,
S#ummier- und Wurzel ziehbausteinen aufgebaut ist. Weiter ist es auch vorteilhaft,
wenn der der vektoriellen Addition dienende Analog-Multiplexer bzw. Analog-Rechner
28 mit sinusförmigen YWechselspannungen operiert, die amplitudenmäßig-den einzelnen
Kraftkompqnenten entsprechen.
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Sind diese Wechselspannungen jeweils paarweise um 90 Grad in der Phasenlage
verschoben, so ergibt eine einfache Summation solcher zweier Komponenten den Betrag
der Gesamtkomponente, wie dies aus der Verwendung der komplexen Rechnung für Wechselströme
z B, bekannt ist. Eine nochmalige Addition der so gewonnenen Gesamtkomponente zweier
Teilkomponenten mit der dritten Komponente, ebenfalls unter Berücksichtigung der
90 Grad Phasenverschiebung, ergibt letztlich den Betrag für alle drei Teilkomponenten.