HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorhalterung für einen
Beschleunigungsmesser.
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Allgemein ist der Sensor eines Beschleunigungsmessers in einem zylindrischen Gehäuse
untergebracht und gehalten und an einem Objekt montiert, dessen Beschleunigung erfaßt oder
gemessen werden soll. Fig. 1 zeigt den Aufbau dieser Art von Sensorhalterung 10, wie er in
der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 311173/88 offenbart ist. In einem
Sensorteil 11 mit zylindrischem äußeren Erscheinungsbild ist beispielsweise ein
Beschleunigungssensor der bekannten kapazitiven Meßwertaufnehmerart untergebracht, der als Kapazitätsänderung
eine Auslenkung einer Quarzblattfeder erfaßt, die von einer Eingangsbeschleunigung verursacht
wird, oder ein Beschleunigungssensor der bekannten piezoelektrischen Spannungsdetektorart,
der eine Spannung erfaßt, die von der Verbiegung einer Quarzplatte aufgrund einer
Beschleunigung resultiert. In diesem Fall wird die Beschleunigung gemessen, die in Axialrichtung A des
Sensors einwirkt. Ein Gehäuse 12 setzt sich aus einem zylindrischen Teil 13 und einem Flansch
14 zusammen, der mit dem Gehäuse einstückig an dessen äußerem Umfang ausgebildet ist,
und der Sensorteil 11 ist in dem zylindrischen Teil 13, mit diesem koaxial, aufgenommen. Ein
vorbestimmter Spalt ist zwischen der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Teils 13 und der
äußeren Umfangsfläche des Sensorteils 11 vorgesehen, und der zylindrische Teil 13 und der
Sensor sind mittels eines Rings 15 fixiert.
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Der zylindrische Teil 13 solch einer Beschleunigungssensorhalterung 10 ist in einem
kreisförmigen Loch 17 aufgenommen, das in einem Meßkopf 16 ausgebildet ist, wobei der Flansch 14
längs der Randkante des Lochs 17 auf dem Meßkopf 16 aufliegt und mittels Schrauben 19
daran fixiert ist.
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Unter Umgebungsbedingungen, bei denen der Meßkopf 16 einer drastischen
Temperaturänderung unterliegt, wird eine thermische Spannung zwischen dem Meßkopf 16 und dem Gehäuse
12 der Sensorhalterung 10 infolge einer Differenz zwischen ihren thermischen
Ausdehungskoeffizienten hervorgerufen. Die herkömmliche Sensorhalterung 10 hat eine Anordnung, die
verhindert, daß die thermische Spannung auf den Sensorteil 11 übertragen wird und dessen
Betrieb nachteilig beeinflußt.
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Da der Ring 15 zum Fixieren des Sensorteils 10 an dem Gehäuse 12 von dem Flansch 14 des
Gehäuses 12 in dessen Axialrichtung A beabstandet angeordnet ist, wie in Fig. 1 gezeigt, wird
die zwischen dem Meßkopf 16 und dem Flansch 14 erzeugte thermische Spannung nicht direkt
auf den Sensorteil 11 übertragen, sondern stattdessen durch eine elastische Deformation des
zylindrischen Teils 13 des Gehäuses 12 absorbiert, wie in Fig. 2 gestrichelt angedeutet. Im
Hinblick auf die Montage der Sensorhalterung 10 an dem Meßkopf 16 mit hohem
Genauigkeitsmaß ist es darüberhinaus bekannt, den Spalt G1 zwischen der Innenfläche des
kreisförmigen
Lochs 17 des Meßkopfes 16 und der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Teiles 13
der Halterung 10 minimal zu machen, gerade so groß, daß der zylindrische Teil 13 in das
kreisförmige Loch 17 eingesetzt werden kann. Die Sensorhalterung 10 dieser Art ist also so
ausgelegt, daß verhindert wird, daß die Beschleunigungsmessung von der Umgebungstemperatur
beeinflußt wird.
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Andererseits wird im Fall einer vertikalen Erdbohrung beim Öllochbohren oder ähnlichem unter
Ausnutzung der Tatsache, daß die festgestellte Gravitationsbeschleunigung abnimmt, wenn die
Axialrichtung des Sensorteils 11 (die Richtung der Beschleunigungserfassung) von der
Vertikalrichtung abweicht, ein Beschleunigungsmesser zur Messung der Gravitationsbeschleunigung an
dem Bohrer montiert. In einer solchen Umgebung, in der der Meßkopf 16 einem großen Stoß
von beispielsweise 2000 G ausgesetzt wird, ist die herkömmliche Sensorhalterung 10
mangelhaft, da, wenn sie einem großen Stoß in ihrer Radialrichtung ausgesetzt wird, die in dem
Sensorteil 11 gehaltene Quarzplatte leicht zerbricht. Die Sensorhalterung 10 ist mittels des
Flansches 14 an dem Meßkopf 16 montiert, wie wenn sie an ihm aufgehängt wäre. Es sei nun
angenommen, daß die Sensorhalterung 10 einem Stoß in einer Richtung B senkrecht zur
Axialrichtung A des Sensorteils 11 ausgesetzt wird. Wenn die Stoßbeschleunigung klein ist, wird sie
von dem zylindrischen Teil 13 des Gehäuses 12 gedämpft, wie dies bei der vorgenannten
Absorption der thermischen Spannung der Fall ist. Wenn die Stoßbeschleunigung groß ist, tritt
unter Umständen die Situation auf, daß der zylindrische Teil 13 mit dem Meßkopf 16
zusammenstößt, wie in Fig. 3 dargestellt, da der Spalt G1 zwischen dem kreisförmigen Loch 17 und
dem zylindrischen Teil 13 klein ist, und durch das Zusammenstoßen wird ein Sekundärstoß
erzeugt und auf den Sensorteil 11 übertragen, was zum Bruch der Quarzplatte (nicht gezeigt) in
dem Sensorteil 11 führt.
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Der Sekundärstoß aufgrund der Kollision ist bezüglich seiner Richtung komplex verglichen mit
der Stoßbeschleunigung, die auf den Meßkopf 16 ausgeübt wird, und in dem Fall, wo die
Stoßbeschleunigung immer wieder ausgeübt wird und der Sekundärstoß ebenfalls immer
wieder verursacht wird und sich die Beschleunigungen überlagern, wird die resultierende
Sekundärstoßbeschleunigung größer als die ausgeübte Stoßbeschleunigung.
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Nebenbei bemerkt, liegt eine mögliche Lösung dieses Problems darin, den Spalt G1 zwischen
dem kreisförmigen Loch 17 und dem zylindrischen Teil 13 in Fig. 1 zu erhöhen, um die Kollision
des zylindrischen Teils 13 mit dem Meßkopf 16 infolge der Stoßbeschleunigung zu verhindern.
Da jedoch in diesem Fall die Genauigkeit der Montage der Halterung 10 an den Meßkopf 16
verschlechtert ist und da es schwierig ist, die Montagefläche 18 des Meßkopfes 16 durch
maschinelle Bearbeitung völlig flach zu machen, ändert sich die Axialrichtung A des
Sensorteiles 11 relativ zur Richtung der zu messenden Beschleunigung jedesmal, wenn die
Sensorhalterung 10 montiert und demontiert wird, das heißt die Wiederholbarkeit der Montageposition der
Halterung 10 ist verschlechtert, was es unmöglich macht, die Beschleunigung genau zu
messen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschleunigungssensorhalterung zu
schaffen, die unbeeinflußt von der Umgebungstemperatur ist, die einen Aufbau aufweist, bei
dem, selbst wenn sie einem großen Stoß oder Schock ausgesetzt wird, ihr zylindrischen Teil
nicht mit dem Meßkopf kollidieren wird, das heißt, daß kein Sekundärstoß oder -schock erzeugt
wird, und die auch nach wiederholtem Montieren und Demontieren eine gute Wiederholbarkeit
ihrer Montageposition behält.
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Bei der Beschleunigungssensorhalterung der vorliegenden Erfindung, bei der ein Sensorteil einer
zylindrischen äußeren Erscheinung in einem zylindrischen Gehäuse mit diesem koaxial gehalten
ist, setzt sich das Gehäuse aus einem zylindrischen Teil und einem Kantenflansch zusammen,
der sich um den Umfang des zylindrischen Teils erstreckt, so daß das Gehäuse so an einem
Meßkopf montiert wird, daß das zylindrische Teil in einem kreisförmigen Loch des Meßkopfes
aufgenommen ist und der Kantenflansch um die Randkante des Loches auf dem Meßkopf
aufliegt und an ihm fixiert ist. Die innere Umfangsfläche des zylindrischen Teils und die äußere
Umfangsfläche des Sensorteils sind dabei relativ zueinander mittels eines Fixierungsrings fixiert,
der zwischen ihnen an der weitest möglich entfernten Stelle von dem Flansch in der
Axialrichtung des Gehäuse angeordnet ist. In der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Teils ist
anschließend an den Kantenflansch ein Positionierungsteil großen Durchmessers ausgebildet,
und die Länge des Positionierungsteils in seiner Axialrichtung ist kleiner als der Spalt zwischen
dem Positionierungsteil und dem Fixierungsring.
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Bei solch einer Sensorhalterung gemäß der vorliegenden Erfindung wird die thermische
Spannung, die zwischen dem Meßkopf und dem Flansch erzeugt wird, wie bei der herkömmlichen
Sensorhalterung von dem zylindrischen Teil absorbiert, und die Kollision des zylindrischen Teils
gegen den Meßkopf aufgrund eines Stoßes wird vermieden, da der Durchmesser des
zylindrischen Teils mit Ausnahme des Positionierungsteils kleiner ist als der des Positionierungsteils.
Darüberhinaus kann die Sensorhalterung an dem Meßkopf mit einem höheren Genauigkeitsmaß
montiert werden, das heißt mit guter Reproduzierbarkeit, als dies bei der herkömmlichen
Sensorhalterung der Fall ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht, die schematisch zeigt, wie eine herkömmliche
Beschleunigungsmesserhalterung an einem Meßkopf montiert ist;
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Fig. 2 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines thermischen Spannungsabsorptionseffekts der
herkömmlichen Sensorhalterung;
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Fig. 3 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Zustandes, bei dem eine Stoßbeschleunigung
auf die herkömmliche Sensorhalterung ausgeübt wird;
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Fig. 4 ist eine Längsschnittansicht, die den Zustand darstellt, in welchem die
Sensorhalterung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an einem Meßkopf
montiert ist; und
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Fig. 5 ist eine Diagramm zur Erläuterung des Zustands, bei dem eine Stoßbeschleunigung
auf die in Fig. 4 gezeigte Sensorhalterung ausgeübt wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 wird nachfolgend eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 4 zeigt wie die Sensorhalterung gemäß der vorliegenden
Erfindung, allgemein mit 20 bezeichnet, an dem Meßkopf 16 montiert ist. Ein Sensorteil 21
bekannten Aufbaus hat eine zylindrische äußere Erscheinung und wird in einem zylindrischen Gehäuse
22 koaxial mit diesem gehalten. Das Gehäuse 22 setzt sich aus einem zylindrischen Teil 23 und
einem Kantenflansch 24 zusammen, der um den Umfang des zylindrischen Teils 23 an dessen
einem Ende herumläuft. Das Gehäuse 22 besteht beispielsweise aus Permalloy oder rostfreien
Stahl. Der zylindrischen Teil 23 ist an dem einen Ende, wo der Kantenflansch 24 vorgesehen
ist, offen und an dem anderen Ende mit einem Deckel 22A verschlossen.
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Die Sensorhalterung 20 ist so an dem Meßkopf 16 montiert, daß der zylindrische Teil 23 in
dem zylindrischen Loch 17 aufgenommen ist, welches in dem Meßkopf 16 ausgebildet ist, und
der Flansch 24 mit der Montagefläche 18 des Meßkopfes 16 in Kontakt gehalten wird und
daran mittels Schrauben 25 befestigt ist.
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Die innere Umfangsfläche des zylindrischen Teils 23 und die äußere Umfangsfläche des
Sensorteils 21 sind um eine vorbestimmten Abstand voneinander entfernt und mittels eines
metallischen Rings 26 miteinander verbunden und fixiert. Nebenbei bemerkt, ist der Fixierungsring 26
von dem Flansch 24 in der Axialrichtung A entfernt angeordnet.
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In der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Teils 23 ist ein Positionierungsteil 27
ausgebildet, das an den Flansch 24 anschließt und einen Außendurchmesser aufweist, der größer ist
als der des zylindrischen Teils 23. Die Länge L1 des Positionierungsteils 27 in der Axialrichtung
A ist so gering wie möglich gewählt innerhalb des Bereiches, in welchem die Sensorhalterung
20 relativ zu dem kreisförmigen Loch 17 positioniert werden kann. Zur Erhöhung der
Genauigkeit der Montage der Sensorhalterung 20 an dem Meßkopf 16 ist ein Spalt G2 zwischen der
äußeren Umfangsfläche des Positionierungsteils 27 und der Innenfläche des kreisförmigen
Lochs 17 so gering wie möglich gewählt.
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Die Dicke T des zylindrischen Teils 23 zwischen dem Positionierungsteil 27 und dem
Fixierungsring 26 ist so gewählt, daß verhindert wird, daß die Verschiebung des Flansches 24 in
seiner Radialrichtung durch thermische Spannung auf den Fixierungsring 26 übertragen wird.
Ein Spalt G3 zwischen der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Teils 23 und der
Innenfläche des kreisförmigen Lochs 17 ist so gewählt, daß der zylindrische Teil 23 bei Auftreten eines
voraussagbaren maximalen Stoßes in der Radialrichtung nicht mit der Innenwand des Loches
17 in Kontakt kommt.
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Bei dem Aufbau dieser Ausführungsform wird die thermische Spannung, die zwischen dem
Meßkopf 16 und dem Flansch 24 unter harten Umgebungsbedingungen, bei denen die
Temperatur einer drastischen Änderung unterliegt, erzeugt wird, von dem zylindrischen Teil 23
absorbiert und damit nicht auf den Sensorteil 21 übertragen. In einer Umgebung, in der der Meßkopf
16 einem großen Stoß ausgesetzt wird, stößt der zylindrische Teil 23 nicht gegen den Meßkopf
16, wie in Fig. 5 gezeigt, so daß kein Sekundärstoß oder -schock erzeugt wird. Darüberhinaus
erlaubt es das Vorsehen des Positionierungsteils 27 an der äußeren Umfangsfläche des
zylindrischen Teils 23, daß die Sensorhalterung mit einem hohen Maß an Genauigkeit montiert werden
kann.
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Wie oben beschrieben, schließt die Sensorhalterung gemäß der vorliegenden Erfindung deutlich
die Möglichkeit aus, daß der Sensorteil infolge eines großen Stoßes zerstört wird, welcher auf
die Sensorhalterung rechtwinkelig zu der Richtung ausgeübt wird, in welcher eine
Beschleunigung erfaßt werden soll. Darüberhinaus stellt die Sensorhalterung der vorliegenden Erfindung
eine genaue Beschleunigungsmessung sicher, die unbeeinflußt von der Umgebungstemperatur
ist. Da außerdem die Reproduzierbarkeit der Montageposition der Sensorhalterung an dem
Meßkopf so ausgezeichnet ist, daß, selbst wenn die Sensorhalterung wiederholt an dem
Meßkopf montiert und von ihm demontiert wird, die Axialrichtung der Halterung sich nicht in bezug
auf die Richtung der zu messenden Beschleunigung ändert, wird eine genaue
Beschleunigungsmessung ermöglicht.
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Es ist ersichtlich, daß viele Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne
den Rahmen des neuen Konzepts der vorliegenden Erfindung zu verlassen.