DE3918194A1 - Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsmesser mit einer an Federn in einem starren Halter linear beweglich aufgehängten Masse, einer zwischen der Mas­ se und dem Halter wirksamen Dämpfungsvorrichtung und einer optoelektronischen Meßeinrichtung zur Messung der Verlagerung der Masse im Halter.

Beschleunigungsmesser dieser Art werden für seismi­ sche Messungen und für die Erfassung und Überwachung von niederfrequenten Gebäudeschwingungen, z.B. von Schwingungen an Bohrinseln verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Beschleunigungs­ messer der angegebenen Art zu schaffen, der sich durch eine hohe Meßgenauigkeit und eine geringe Em­ pfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen aus­ zeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorge­ sehen, daß der Halter, die Masse, die Federn und der Geber der Meßeinrichtung derart angeordnet sind, daß ihre thermisch neutralen Ebenen, von denen aus sie sich in der Richtung (±Y) der Bewegungsempfindlich­ keit der Masse symmetrisch ausdehnen, in einer gemeinsamen Hauptebene (X, Z) liegen.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß relative Verla­ gerungen der einzelnen Bauteile zueinander, die durch Temperaturänderungen bedingt sind, auf ein Minimum reduziert werden, im Prinzip sogar den Wert 0 errei­ chen können. Temperaturschwankungen von mehr als 10°C bleiben daher auf die Meßgenauigkeit des erfin­ dungsgemäßen Beschleunigungsmessers ohne Einfluß.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Masse ein mittiges Verbindungs­ element aufweist, an dessen entgegengesetzten Enden Massekörper befestigt sind, die in mit Dämpfungsflüs­ sigkeit gefüllten Kammern des Halters angeordnet sind. Diese Anordnung begünstigt die temperaturstabi­ le Bauweise und ermöglicht mit einfachen Mitteln die Verwirklichung einer geeigneten Dämpfungscharakte­ ristik entsprechend den jeweils zu messenden Beschleunigungen und Frequenzen. Weiterhin wird durch diese Anordnung der Zusammenbau des Meßgeräts er­ leichtert. Die vollständig mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllten Kammern sind erfindungsgemäß auf ihrer der Mittelebene zugekehrten Seite durch ringförmige Mem­ branen geringer Steifigkeit verschlossen, deren Ränder an der Masse und an dem Halter eingespannt sind. Diese Anordnung gleicht Änderungen des Volumens der Dämpfungsflüssigkeit aus, ohne dabei einen nen­ nenswerten Einfluß auf die federnde Lagerung der Mas­ se auszuüben.

Erfindungsgemäß ist die Masse vorzugsweise an ge­ trennt von den Membranen vorgesehenen Blattfedern ge­ lagert, die an zwei Lagerstellen symetrisch und pa­ rallel zur Hauptebene angeordnet sind und in mehreren Richtungen die Masse mit dem Halter verbinden. Die erfindungsgemäße Federanordnung ermöglicht eine geringe Hysterese, die Linearität ihrer Kennung und eine hohe Steifigkeit gegenüber Kräften, die das Bestreben haben, die Masse quer zu ihrer Bewegungs­ achse zu verlagern. Blattfedern lassen sich mit hoher Genauigkeit herstellen und lassen dem Konstrukteur viel Freiheit bei der Wahl eines geeigneten Werk­ stoffs. Vorzugsweise ist an jeder Lagerstelle eine einteilige, aus einer Blechscheibe geformte Blattfe­ der mit radial angeordneten Federarmen vorgesehen, die an ihren Enden unmittelbar oder durch Abschnitte der Blechscheibe miteinander verbunden sind. Durch diese Ausbildung wird die Montage der Blattfedern er­ leichtert und ihre Einbaulage in Bezug auf die Masse und den Halter mit großer Genauigkeit fixiert. Gleichzeitig gewährleistet diese Federausbildung, daß die Masse gezwungen wird sich genau entlang ihrer Mittelachse zu bewegen. Um auch eine temperaturbe­ dingte Änderung der Federrate der Blattfedern zu vermeiden, kann erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen sein, daß die Blattfedern und der Halter gleiche oder annähernd gleiche Ausdehnungskoeffizienten haben. Schwankungen hinsichtlich der Federrate führen jedoch auch unter ungünstigen Bedingungen nur zu sehr kleinen Änderungen der Meßgenauigkeit.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, daß dem op­ tischen Geber der Meßeinrichtung über eine optische Faser ein Lichtsignal zugeführt wird, das an dem mit der Masse verbundenen Ende der Faser in der Hauptebene (X, Z) austritt, von einem mit dem Halter verbundenen Zwillingsfilter empfangen und nach Ver­ lassen des Filters über eine zweite optische Faser einer Auswerteeinheit zugeführt wird, wobei das Zwillingsfilter beiderseits einer in der Hauptebene liegenden Teilungsfuge unterschiedliche, auf die Wellenlängen des Signals abgestimmte Filtereigen­ schaften hat. Diese Ausgestaltung des Gebers gewährleistet thermische Unempfindlichkeit und ermög­ licht eine einfache Montage und Justierung der optischen Bauelemente. Da die federnd gelagerte Masse lediglich mit einem Ende einer optischen Faser zu verbinden ist, entfallen aufwendige mechanische Kupp­ lungen. Die Justierung beschränkt sich auf die mit dem Halter verbundenen Teile, wobei über Mikrometer­ schrauben einstellbare Spannvorrichtungen verwendet werden können.

Das Zwillingsfilter ist erfindungsgemäß vorzugsweise an einem mit dem Halter verbundenen Umlenkprisma angeordnet, dessen thermisch neutrale Ebene in der Hauptebene liegt und mit der Mittelebene des Strah­ lengangs zusammen fällt. Durch das Prisma wird eine Umlenkung des Lichtsignals in eine zur Eingangsrich­ tung parallele Richtung bewirkt und damit der konstruktive Aufbau der Meßvorrichtung vereinfacht. Die optischen Fasern können somit symmetrisch und in gleicher Länge ausgebildet sein und an einen gemein­ samen Lichtkabelanschluß geführt werden. Das Eintrittsende der zweiten optischen Faser ist erfin­ dungsgemäß ebenfalls symmetrisch zur Hauptebene ange­ ordnet.

Der optische Geber des erfindungsgemäßen Beschleuni­ gungsmessers erhält von der optoelektronischen Meß­ einrichtung in rascher, wechselnder Folge Lichtsigna­ le zweier verschiedener Wellenlängen, die nach Durch­ laufen des Gebers an eine Auswerteeinheit zurückge­ führt werden, in der die empfangenen Signale einer Wellenlänge mit denen der anderen Wellenlänge hin­ sichtlich ihrer Intensität verglichen werden.

Um vom Meßobjekt ausgehende Temperatureinflüsse zu dämpfen kann der Halter erfindungsgemäß auf einem wärmeisolierenden Träger angebracht sein, der mit einer an dem Meßobjekt befestigbaren Grundplatte ver­ bunden ist. Weiterhin kann vorgesehen sein, daß der Halter mit seinen Einbauten von einem Gehäuse dicht umschlossen ist und daß der Innenraum des Gehäuses mit einem trockenen, inerten Gas, z. B. Stickstoff gefüllt ist. Auf diese Weise wird eine Beeinträchti­ gung vor allem der optischen Vorgänge durch Tempera­ tur- und Witterungseinflüsse weitgehend unterbunden. Die Innenwand des Gehäuses kann zusätzlich mit einem wärmeisolierenden Material beschichtet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele im ein­ zelnen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung der Gesamtanordnung eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers,

Fig. 2 eine detailliertere Schnittansicht der mechanischen Bauelemente eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers,

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung Z der Anordnung des optischen Gebers und

Fig. 4 eine Ansicht in Richtung Y des Gebers gemäß Fig. 3.

Der in Fig. 1 gezeigte Beschleunigungsmesser (1) ist auf einem wärmeisolierenden Träger (2) angebracht, der fest mit einer Grundplatte (3) verbunden ist. Die Grundplatte (3) ist mit einem Element (4) eines Bauwerks verbunden, dessen Schwingungsverhalten gemessen bzw. überwacht werden soll. Zum Schutz gegen Einflüsse von außen ist der Beschleunigungsmesser von einem zylindrischen Gehäuse (5) aus rostfreiem Stahl umgeben, das auf seiner Innenseite mit einer wärmeisolierenden Schicht (6) versehen ist. O-Ring-Dichtungen (7) dichten das Ge­ häuse (5) gegenüber der Grundplatte (3) ab. Das Inne­ re des Gehäuses (5) wird über die Anschlüsse (7, 8) mit einem trockenen inerten Gas gefüllt und an­ schließend dicht verschlossen, um die Sauberkeit der optischen Flächen zu gewährleisten und einen Flüssig­ keitsniederschlag dort zu vermeiden. Der Beschleuni­ gungsmesser (1) enthält eine an Federn in einem star­ ren Halter linear beweglich aufgehängte Masse (9), deren jeweilige Position von einem optischen Geber (10) gemessen wird. Der optische Geber (10) ist über optische Fasern (11) mit einer optoelektronischen Einrichtung verbunden, die nicht näher dargestellt ist. Gegenüber dem Innenraum des Gehäuses (5) hermetisch abgedichtete Faseranschlußköpfe (12) ermöglichen eine Trennung von Beschleunigungsmesser und Meßeinrichtung.

Aus Fig. 2 ist der symmetrische Aufbau des Beschleu­ nigungsmessers (1) zu ersehen. Beiderseits einer durch die Achsen X, Z definierten Hauptebene sind in symmetrischer Anordnung die mechanischen Bauelemente des Beschleunigungsmessers (1) vorgesehen. Der Beschleunigungsmesser (1) weist einen Halter (20) auf, der aus einem Mittelteil (21), zwei Kappen (22) und zwei Zwischenringen (23) zusammengesetzt ist. Die äußeren Mantelflächen des Halters (20) sind zylindrisch ausgebildet. In einer zur Hauptebene X, Z senkrechten, zylindrischen Mittelbohrung (24) befindet sich ein stabförmiges Verbindungselement (25), das an seinen beiden entgegengesetzten Enden zylindrische Massekörper (26) aufweist, die in Kammern (27) in den Kappen (22) angeordnet sind. Das Verbindungselement (25) und die Massekörper (26) bilden eine einheitliche Masse (28), die in Richtung der Achse Y gegenüber dem Halter (20) beweglich ist. Die Masse (28) ist an Blattfedern (29) aufgehängt, die von einer dünnen, kreisförmigen und mit Durchbrüchen versehenen Blechscheibe gebildet werden. Die Blattfedern sind zwischen dem Mittelteil (21) und den Zwischenringen (23) eingespannt und werden an der Masse (28) durch die auf das Verbindungselement (25) aufgesetzten Massekörper (26) gehalten. Die Kammern (27) sind durch ringförmige Membranen (30) verschlossen, die sich in einem Abstand von den Blattfedern (29) befinden. Die radial äußeren Ränder der Membranen (30) sind zwischen den Zwischenringen (23) und den Kappen (22) in Ringnuten gehalten. Die radial inneren Ränder der Membranen (30) sind eben­ falls in Ringnuten zwischen den Massekörpern (26) und einem auf den Blattfedern (29) aufliegenden Ring (31) gehalten. Die Kammern (27) sind vollständig mit einem Silikonöl gefüllt, Volumenänderungen des eingeschlos­ senen Silikonöls werden durch elastische Verformungen der Membranen (30) ausgeglichen.

In einem zentralen, ausgesparten Bereich des Mittelteils (21) ist auf einem Träger (32) ein Prisma (33) angeordnet, das einen Teil des optischen Gebers bildet. Das Prisma (33) hat seine größte Ausdehnung in Richtung der Hauptebene X, Z, wobei seine ther­ misch neutrale Ebene mit der Hauptebene X, Z zusam­ men fällt. Gegenüber dem Prisma (33) ist in einer Querbohrung im Verbindungselement das Ende (34) einer optischen Faser (35) angeordnet. Das Faserende (34) verläuft ebenfalls in der Hauptebene X, Z und ist senkrecht zur Stirnfläche des Prismas (33) ausgerichtet. Parallel zum Ende (34) der Faser (35) befindet sich in der Zeichnung nicht sichtbar das Ende einer zweiten optischen Faser, welche ein über die Faser (35) gesendetes Lichtsignal nach dem Verlassen des Prismas empfängt.

Die Wirkungsweise des optischen Gebers (10) ist der schematischen Darstellung der Fig. 3 und 4 zu entnehmen. Das Prisma (33), welches auf dem Träger (32) befestigt ist, enthält ein Zwillingsfilter (36) , das beiderseits einer in der Hauptebene X, Z liegenden Teilungsfuge eine unterschiedliche Filterwirkung hat, d.h. jeweils für Licht einer anderen Wellenlänge durchlässig ist. Wird nun über die im Verbindungselement (25) der Masse (28) angeordnete Faser (35) ein Lichtsignal in Form eines Strahlenbündels (S) ausgesendet, so wird dieses im Prisma um 180° derart umgelenkt, daß es in der Haupt­ ebene X, Z parallel verschoben durch das Zwillings­ filter (36) wieder austritt. Enthält das Lichtsignal (S) eine Wellenlänge, die beispielsweise von dem oberen Abschnitt des Zwillingsfilters (36) absorbiert wird, so kann über den unteren Abschnitt des Zwillingsfilters (36) nur noch die Hälfte des ausgesendeten Strahlenbündels austreten. Umgekehrt verhält es sich, wenn das ausgesendete Lichtsignal eine Wellenlänge hat, die von dem unteren Abschnitt des Zwillingsfilters (36) absorbiert wird. Enthält nun das Lichtsignal beide Wellenlängen, so ist, gleiche Eingangsintensität vorausgesetzt, die am Ausgang des Zwillingsfilters erfaßbare Intensität der Lichtanteile beider Wellenlängen gleich, wenn das Zentrum des Strahlenbündels genau in der Hauptebene X, Z bzw. der Teilungsfuge des Zwillingsfilters liegt. Wird durch eine Verlagerung der Masse (28) mit dem Verbindungselement (25) und damit auch des Endes (34) der Faser (35) das Strahlenbündel (S) des Lichtsignals in Richtung Y verschoben, so kann von dem Licht der einen Wellenlänge ein größerer Anteil, von Licht der anderen Wellenlänge hingegen nur ein kleinerer Anteil das Zwillingsfilter (36) passieren. Diese Differenz wird von einer optoelektronischen Meßeinrichtung erfaßt und in ein geeignetes elektrisches Meßsignal umgewandelt, welches dann ein Maß für die Verlagerung der Masse (28) darstellt. Das am Zwillingsfilter (36) austretende Lichtsignal wird dabei ebenfalls über eine optische Faser zur Auswerteeinheit übertragen.

Durch das beschriebene System kann eine hohe Meßge­ nauigkeit und lineare Auflösung von Bewegungen für kleine Auslenkungen, im Bereich von ± 50 µm, erreicht werden. Es ist damit ein Meßprinzip für langsame Be­ wegungen und sogar statische Zustände entwickelt worden. Auch ein Drucksensor ist mit dem beschrie­ benen System realisierbar.

Claims (13)

1. Beschleunigungsmesser mit einer an Federn in einem starren Halter linear beweglich aufgehäng­ ten Masse, einer zwischen der Masse und dem Halter wirksamen Dämpfungsvorrichtung und einer optoelektronischen Meßeinrichtung zur Messung der Verlagerung der Masse im Halter, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter, die Masse, die Feder und der Geber der Meßeinrichtung derart angeordnet sind, daß ihre thermisch neutralen Ebenen, von denen aus sie sich in Richtung (±Y) der Bewegungsempfindlichkeit der Masse symme­ trisch ausdehnen, in einer gemeinsamen Hauptebene (X, Z) liegen.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse ein mittiges Ver­ bindungselement (25) aufweist, an dessen ent­ gegengesetzten Enden Massekörper (26) befestigt sind, die in mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllten Kammern (27) des Halters (20) angeordnet sind.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständig mit Däm­ pfungsflüssigkeit gefüllten Kammern (27) durch ringförmige Membranen (30) geringer Steifigkeit verschlossen sind, deren Ränder an der Masse (28) und an dem Halter (20) dicht eingespannt sind.

4. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (28) an getrennt von den Membranen (30) vorgesehenen Blattfedern (29) gelagert ist, die an zwei Lagerstellen symmetrisch und parallel zur Hauptebene angeordnet sind und in mehreren Richtungen die Masse mit dem Halter verbinden.

5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfedern (29) einer Lagerstelle einteilig aus einer Blechscheibe geformt ist und radial angeordnete Federarme aufweist, die an ihren Enden unmittelbar oder durch Abschnitte der Blechscheibe miteinander verbunden sind.

6. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfedern (29) und der Halter (20) gleiche oder annähernd gleiche Ausdehnungskoeffizienten haben.

7. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem optischen Geber (10) der Meßeinrichtung über eine optische Faser (11, 35) ein Lichtsignal zugeführt wird, das an dem mit der Masse (28) verbundenen Ende (34) der Faser (11, 35) in der Hauptebene (X, Z) austritt, von einem mit dem Halter (20) verbundenen Zwillingsfilter (36) empfangen und nach Verlassen des Zwillingsfilters über eine zweite optische Faser einer Auswerteeinheit zuge­ führt wird, wobei das Zwillingsfilter (36) beiderseits einer in der Hauptebene (X, Z) liegenden Teilungsfuge unterschiedliche, auf verschiedene Wellenlängen des Signals abgestimmte Filtereigenschaften hat.

8. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwillingsfilter (36) an einem mit dem Halter verbundenen Umlenkprisma (33) angeordnet ist, dessen im Strahlengang lie­ gende, thermisch neutrale Ebene in der Hauptebene (X, Z) liegt.

9. Beschleunigungsgeber nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsende der zweiten optischen Faser symme­ trisch zur Hauptebene (X, Z) angeordnet ist.

10. Beschleunigungsmesser nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronische Meßeinrichtung in rascher, wechselnder Folge Lichtsignale zweier verschiede­ ner Wellenlängen aussendet, die nach Durchlaufen des optischen Gebers an eine Auswerteeinheit zurückgeführt werden, in der die empfangenen Sig­ nale einer Wellenlänge mit denen der anderen Wel­ lenlänge hinsichtlich ihrer Intensität verglichen werden.

11. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter auf einem wärmeisolierenden Träger (2) angebracht ist, der mit einer an dem Meßobjekt (4) befestigten Grundplatte (3) verbunden ist.

12. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter mit seinen Einbauten von einem Gehäuse (5) dicht umschlossen ist und daß der Innenraum des Gehäuses (5) mit einem trockenen inerten Gas, z. B. Stickstoff gefüllt ist.

13. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Gehäuses (5) mit einem wärmeisolierenden Material (6) be­ schichtet ist.