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Vorrichtung zum Messen des Weges, den ein Körper unter dem Einfluß
einer Beschleunigung zurücklegt Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen
des Weges, den ein Körper bei ungleichförmiger Bewegung, d. h. also unter dem Einfluß
einer Beschleunigung, zurücklegt. Die Wegmessung ist z. B. bei Fahrzeugen, die nicht
mit dem festen Land in unmittelbarer Verbindung stehen, also z. B. bei Wasserfahrzeugen,
ohne weiteres nicht möglich.
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Es sind Vorrichtungen bekannt, die darauf beruhen, die Beschleunigung,
d. h. also die Ableitung des Weges nach der Zeit, zweimal selbsttätig zu integrieren
Die bekannten Vorrichtungen gehen entweder in einem einzigen Schritt vor, indem
sie auf elektrischem Wege die Beschleunigung integrieren, oder sie gehen in zwei
Schritten vor, indem sie etwa die Drehzahl eines Elektromotors proportional zum
Ausschlag eines Beschleunigungsmessers regeln, so daß ein am Motor befindliches
Zählwerk die Geschwindigkeit des Fahrzeuges liefert, und dann das Verfahren zwecks
Integration der Geschwindigkeit nach der Zeit wiederholen, wobei die Drehzahl eines
zweiten Motors proportional zur Zahl der bereits erfolgten Umdrehungen des ersten
Motors geregelt wird. Ein am zweiten Motor angebrachtes Zählwerk gestattet dann
die Ablesung des vom Fahrzeug zurückgelegten Weges.
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Der Erfindung gemäß werden die bekannten Vorrichtungen bedeutend
vereinfacht, und zwar dadurch, daß zwischen das Ausschlagglied des Beschleunigungsmessers
und die Hilfsmasse ein Umsetzungssystem geschaltet wird, das den Ausschlägen des
Beschleunigungsmessers verhältnisgleiche Kräfte oder Momente erzeugt und auf die
Hilfsmasse überträgt. Es kann für die Vorrichtung gemäß der Erfindung jeder übliche
Beschleunigungsmesser verwendet werden, dessen Ausschläge der Beschleunigung verhältnisgleich
sind.
Das Umsetzungssystem gibt dann ohne weiteres den Ausschlägen des Beschleunigungsmessers
verhältnisgleiche Kräfte oder Momente auf die Hilfsmasse und bringt also eine überraschende
Vereinfachung gegenü}ier den im Aufbau und damit in der Wirkuri weise und in der
Überwachung umständlichei' ren bekannten Vorrichtungen. Dabei ist noch wesentlich,
daß das Umsetzungssystem als solches ebenfalls einfach ausgeführt werden kann; es
eignet sich z. B. für die Umsetzung eine einfache Schraubenfeder mit linearer Kraft-Weg-Charakteristik.
Es gibt aber auch noch andere Möglichkeiten für die Ausgestaltung des Umsetzungssystems,
von denen einige in der nachfolgenden Beschreibung näher erörtert sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird als Hilfsmasse ein labiles
Pendel und als Umsetzungssystem eine Feder verwandt, die derart aufeinander abgestimmt
sind, daß die Hilfsmasse sich in jeder Stellung beim Ausschlag Null des Beschleunigungsmessers
in indifferentem Gleichgewicht befindet. Gegenstand der Erfindung ist ferner der
Ersatz des labilen Pendels als Hilfsmasse durch einen einfachen oder zwei gegenläufig
miteinander gekuppelte Umlaufkörper, deren Antriebsgestänge mit einer nach Art eines
zweiarmigen Hebels gelagerten Prallplatte für ein von dem Ausschlagglied des Beschleunigungsmessers
verschwenkbares Strahlrohr verbunden ist.
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Die Zeichnung veranschaulicht schematisch das Prinzip und ein Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgegenstandes. -Nach Abb. I ist die Eilfsmasse I auf einen Stützarm
2 aufgestellt, also als labiles Pendel ausgebildet. Seitlich greift an der Masse
1 ein Gestänge 3 an, dessen anderes Ende an das Ausschlagglied des Beschleunigungsmessers
angeschlossen und in das eine Feder4 eingeschaltet ist. Die Länge des Stützarmes
2 und die Stärke der Feder 4 werden so gewählt, daß bei kleinen Ausschlägen des
Pendels dieses in jeder Stellung im indifferenten Gleichgewicht ist, wenn das Ausschlagglied
festgehalten wird, so daß also im Bereiche kleiner Ausschläge das Pendel in jeder
Lage, in die es gebracht wird, verbleibt. Die im Sinne des Doppelpfeiles X gerichteten
Ausschläge des Beschleunigungsmessers, die z. B. den dem Schiff oder dem Flugzeug
erteilten Seitenbeschleunigungen verhältnisgleich sind, werden von dem Gestänge
3 auf die Feder 4 übertragen. Diese übt daher den Ausschlägen verhältnisgleiche
Kräfte auf die Pendelmasse 1 aus, so daß deren Bewegung der vom Massenschwerpunkt
des Schiffes oder Flugzeuges unter dem Einfluß der Beschlennigung ausgeführten Bewegung
verhältnisgleich wird. Während also der Ausschlag X des Beschleunigungsmessers ein
Maß für die Beschleunigung ist, entspricht die Weg-; streckey der Pendelmasse dem
vom Massen-, 5ichwerpunkt des Schiffes oder Flugzeuges t urückgelegten Weg und wächst
ebenso wie dieser bei gleichförmiger Bewegung des Fahrzeuges.
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Da der Sinus des Pendelausschlagwinkels nur bei kleinen Ausschlägen
praktisch gleich dem Winkel selbst ist, arbeitet dieses Gerät nur bei genügend kleinen
Aus schlägen hinreichend genau. Der mit der Größe des Winkels wachsende Einfluß
der Sinusfunktion wird ausgeschaltet, wenn der Stützarm 2 am unteren Ende mit einer
Kufe versehen wird, deren Krümmungsradius im Scheitel am größten ist.
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Für Messungen im Fahrzeug selbst muß darauf geachtet werden, daß
die Hilfsmasse nur von der vom Beschleunigungsmesser unter Zwischenschaltung der
Feder abgeleiteten Kraft beeinflußt wird, allen anderen Beschleunigungseinflüssen,
denen das Fahrzeug ausgesetzt ist, also nicht unterliegt.
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Das wird dadurch erreicht, daß die Hilfsmasse als Umlaufkörper ausgebildet
wird, damit die auszuschaltenden Einwirkungen von der Achse des Umlaufkörpers aufgenommen
werden. Die von der Feder 4 ausgeübte Kraft wird dann zur Erzeugung einer gleichförmigen
Drehung des Umlaufkörpers verbraucht. Es ist dann der nach einem Zeitraum erreichte
Drehwinkel ein Maß für den in dieser Zeit vom Massenschwerpunkt z. B. des Schiffes
zurückgelegten Weg.
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In diesem Fall kann das Gerät so ausgestaltet werden, daß die Feder
4 an einer Zahnstange angreift, die in eine mit dem Umlaufkörper verbundene Verzahnung
eingreift.
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Ein Beispiel hierfür veranschaulicht Abb. 2.
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Hier sind zwei gegenläufig miteinandergekuppelte Umlaufkörper 5,
6 vorgesehen, und zwar in der Weise, daß jede Achse der beiden Umlaufkörper je ein
Ritzel 7, 8 trägt und die beiden Ritzel außerdem mit je einer Zahnstange 9, 10 und
auch miteinander in Eingriff stehen. Die beiden Zahnstangen g, 10 werden von einem
Arm 11 gehalten, an dem das mit der Feder 4 gekuppelte Gestänge 3 angreift. Die
beiden Achsen der Umlaufkörper werden an Armen 12, I3 fahrzeugfest gelagert.
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Bei dieser Ausführung ist die aus den beiden Umlaufkörpern bestehende
Hilfsmasse gegen unerwünschte Einflüsse geschützt.
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Auch etwaige in Sinne einer Winkelbeschleunigung auftretende Wirkungen
beeinträch tigen die Messung nicht; denn eine Winkelbeschleunigung, die auf den
einen Umlaufkörper
in dem einen Drehsinn einwirkt, hält dem auf
den anderen Umlaufkörper durch die gleiche Beschleunigung verursachten Einfluß das
Gleichgewicht. Die durch die Federkraft veranlaßte Drehung der Hilfsmasse wird durch
diese Elimination der Drehbeschleunigung mithin unverfälscht wiedergegeben.
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Selbstverständlich kann die gegenläufige Kupplung der beiden Umlaufkörper
auch mit anderen Mitteln als mit Verzahnungen erreicht werden.
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Um die obenerwähnten fehlerhaften Einflüsse auszuschalten, ist es
wichtig, nicht nur die Hilfsmasse selbst, sondern auch alle Bewegungsw übertragungs-
und Steuerglieder doppelt und gegenläufig gekuppelt auszuführen. Weiter ist es zur
Vermeidung einer Beeinträchtigung der integrieren den Hilfsmasse von seiten der
Federkupplung zweckmäßig, bei der Ausgestaltung nach Abb. 2 zwischen Fedder 4 und
Hilfsmasse ein lablies System einzuschalten. Dieses ist beim dargestellten Beispiel
folgendermaßen ausgebildet: An das Gestänge 3 ist ein Hebelarm 14 angelenkt, der
mit der Achse eines Zahnrades I5 fest verbunden ist. Dies wird fahrzeugfest gelagert
und mit einem zweiten, leb1enfalls fahrieugfest gelagerten Zahnr, ad I 6 gekuppelt,
dessen Achse ein z. B. mit Preßluft gespeistes Strahlrohr I7 trägt. Der aus dem
Strahlrohr 17 austretende Strahl I8 trifft auf eine Prallplatte 19 auf, die bei
20 als zweiarmiger Schwenkbebel fahrezugfest gelagert und ebenfalls an das Gestänge
3 angelenkt ist.
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In der Mittelstellung des Ausschlaggliedes trifft der Strahl 18 genau
auf die Lagerstelle 20 auf, übt also ein Drehmoment auf die Prallplatte 19 nicht
aus. Wird aber das Gestränge 3 z. B. unter dem Einfluß der durch den Ausschlag Xr
verursachten Federkraft nach rechts geschoben, so führt der Hebel 14 eine Schwenkung
im Sinne der Uhrzeigerbewegung aus, und das Strahlrohr I7 wird angehoben, so daß
der Strahl 18 oberhalb der Schwenkachse 20 auf die Prallplatte 19 auftrifft und
infolgedessen auf diese ein Drehmoment ausübt., Die Stärke des Strahes wird im Verhältnis
zur Federkraft so gewählt, daß bei festgehaltenem Ausschlagglied das beschriebene
Gelenksystem 3, 14, 19 in jeder Stellung im indifferenten Gleichgewicht ist, also
in allen Lagen, in die es gebracht wird, verbleibt. Es ist dann der Ausschlag Y
der integrierenden Hilfsmasse proportional dem zweimaligen Integral über die auf
sie wirkende Kraft P (t) - -
Die Kraft P (t) setzt sich aus zwei Summanden zusammen. Der Anteil der Feder beträgt
P1 = c der Anteil des labilen Systems beträgt Pl = C Y.
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Wird nun die von der Konstruktion und dem Strahldruck des labilen
Systems abhängige Konstante C gleich der Federkonstanten c gemacht, C-c so ist F
= F1 + F = c (X - Y) + c Y = c X.
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Demzufolge stellt die Bewegung Y das gewünschte zweimalige Integral
der Beschleunigung X dar.
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Bei Verwendung eines Strahlrohres I7 kann gegebenenfalls auf dieFeder4
als Umsetzungsorgan verzichtet und die Anordnung nach dem Beispiel gemäß Abb. 3
ausgestaltet werden. Das Ausschlaglied X des Beschleunigungsmessers greift hier
unmittelbar an den Hebel 14 und dieser wieder unmittelbar am Strahlrohr 17 an. Im
übrigen ist die Ausführung und die Arbeitsweise die gleiche wie im Falle der Abb.
2.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann nicht nur zur unmittelbaren
Registrierung im Schiff oder Flugzeug, sondern auch zur Integration eingelieferter
Registrierungsschriebe im Laboratorium von Hand benutzt werden.
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Diesem Verfahren der nachträglichen Integration im Laboratorium wird
im allgemeinen der Vorzug zu geben sein, wenn die Schlingerbewegungen eines Schiffes
gemessen werden sollen und die Schiffsbewegungen sehr langsam sind und es sich um
große Schiffe handelt. Man benötigt hierfür nur Meßgeräte mit Nachführung für die
Beschleunigungsregistrierungsschriebe, die im Schiff aufgenommen sind. Dabei wird
von Hand ein Führungsstift X über die Kurve geführt und von der integrierenden Masse
in irgendeinem Maßstabe die Wegkurve aufgezeichnet.