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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen Kraftausgleichsbeschleunigungsmesser
und Ausgleichsverfahren.
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Kraftausgleichsbeschleunigungsmesser,
die einen oder mehrere Magnetaufbauten umfassen, um eine so genannte
Nullposition als Reaktion auf eine Beschleunigung oder Krafteingabe
hervorzubringen, sind bekannt. Beispielhafte Kraftausgleichsbeschleunigungsmesser
sind in den folgenden Dokumenten offenbart:
U.S.-Patent Nr.
4 182 187; 4 250 757; 4 394 405; 4 399 700; 4 400 979; 4 441 366;
4 555 944; 4 555 945; 4 592 234; 4 620 442; 4 697 455; 4 726 228;
4 932 258; 4 944 184; 5 024 089; 5 085 079; 5 090 243; 5 097 172;
5 111 694; 5 182 949; 5 203 210; 5 212 984; 5 220 831; 5 488 865;
5 557 044; 5 587 530 und 5 600 067.
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Ein
beispielhafter Kraftausgleichsbeschleunigungsmesser des früheren Stands
der Technik ist in 1 allgemein in 10 gezeigt.
Der Kraftausgleichsbeschleunigungsmesser 10 umfasst einen oder
mehrere Magnetaufbauten 12 und eine Messmasseneinheit 14.
Die Magnetaufbauten umfassen im Allgemeinen einen Dauermagnet 16 zum
Entwickeln einer Magnetströmung
und einen Erregungsring oder Strömungskonzentrator 18,
der den Magnet 16 aufnimmt und die Magnetströmung wie
unten dargelegt lenkt. Der Erregungsring wird typisch aus einem
Werkstoff ausgebildet, der eine relativ hohe Durchlässigkeit
hat, wie zum Beispiel Invar, um es zu erlauben, einen magnetischen
Rückströmungspfad für die Magnetströmung zu
bilden. In dem dargestellten Beispiel hat der Erregungsring allgemein
zylindrische Form und umfasst eine Basis 20, eine äußere Wand 22,
die mit der Basis verbunden ist, und eine obere Fläche 24.
Die obere Fläche 24 ist
zwischen einer äußeren Kante 26 und
einer inneren Kante 28 definiert. Die innere Kante definiert
eine Öffnung 29 in einer
inneren Region innerhalb des Erregungsrings und in welcher der Magnet 16 aufgenommen
wird. Eine Vielzahl elektrischer Leiter 30 sind bereit gestellt und
reichen von außerhalb
in den Strömungskonzentrator
durch in ihm ausgebildete Öffnungen
(nicht spezifisch dargestellt). Meistens sind die Öffnungen in
der Basis des Strömungskonzentrators
vorgesehen und werden mit Epoxid gefüllt, um die Leiter zu befestigen.
Die elektrischen Leiter sind betriebsfähig mit Schaltungen verbunden,
was es dem Kraftausgleichsbeschleunigungsmesser erlaubt, wie unten beschrieben
zu funktionieren. Die beispielhaften äußeren Schaltungen umfassen
eine Positionserfassungsschaltung zum Messen elektrischer Hinweise einer
durch Beschleunigung hervorgerufenen Änderung in dem Messmassenaufbau 14,
wie unten klar wird. Beispielhafte Positionserfassungsschaltungen sind
im U.S.-Patent Nr. 4 634 965 offenbart. Solche äußere Schaltungen erlauben es
auch, elektrischen Strom zu dem Messmassenaufbau zu liefern, wie
unten klar wird. Elektrische Leiter 30 erstrecken sich auch
durch ein Paar Öffnungen 32, 34 in
der oberen Fläche 24 und
sind betriebsfähig
mit der Messmasse über
einen unten beschriebenen elektrischen Anschluss verbunden.
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Wenn
man nun den Messmassenaufbau 14 betrachtet, umfasst dieser
eine Messmasse 36, die ein Paar Abstandshülsen hat,
von welchen eine in 38 gezeigt ist. Eine weitere Abstandshülse ist
auf der anderen Seite der Messmasse 36 angeschlossen und nicht
spezifisch gezeigt. Jede Abstandshülse stützt einen elektrisch leitenden
Aufbau in Form von Drehmomentspulen 40, die elektrisch
mit der Außenseite über elektrische
Leiter 30 verbunden sind. Der Prüfmassenaufbau 14 umfasst
ferner einen Montagering 42 und ein Paar Biegeelemente 44, 46,
die eine physikalische und elektrische Zusammenschaltung zwischen
der Messmasse 36, dem Montagering 42 und den elektrischen
Leitern 30 bereitstellen. Die Biegeelemente 44, 46 definieren
ein Scharnier, das eine Scharnierachse hat, um welche die Prüfmasse 36 als Reaktion
auf eine Beschleunigungskraft drehen kann. Genau diese Drehung oder
Bewegung ist es, die erfasst wird, und auf die die äußeren Schaltungen reagieren,
und die das Berechnen einer Beschleunigung erlauben.
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Die
Einzelheiten des Betriebs des oben beschriebenen Kraftausgleichsbeschleunigungsmessers
werden ausführlich
in vielen der oben durch Bezugnahme eingegliederten Patente beschrieben.
Zusätzlich
wird der Leser auf ein Lehrbuch mit dem Titel „Modern Inertial Technology,
Navigation, Guidance and Control" von
Anthony Lawrence, veröffentlicht vom
Springer-Verlag, verwiesen.
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Unten
werden jedoch einige betriebliche Merkmale beschrieben, die zum
Verstehen der vorliegenden Erfindung nützlich sind.
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Der
oben beschriebene Kraftausgleichsbeschleunigungsmesser hat drei
Hauptbeschleunigungsmesserachsen, die von Bedeutung sind. Die Scharnierachse
A, die oben erwähnt
wurde, definiert eine Achse, um welche die Messmasse als Reaktion auf
eine Beschleunigung drehen kann. Eine Eingangsachse B definiert
eine Richtung, entlang welcher die Beschleunigung gemessen werden
soll. Eine Pendelachse C wird ebenfalls von der Messmasse definiert.
Das Scharnier (Biegeelemente 44, 46) stützt die
Messmasse 36 und hat möglichst
eine niedrige Drehsteifigkeit um die Scharnierachse A, so dass es
die Messmasse oder das Pendel bei ihrer Reaktion auf die Beschleunigung,
die sie fühlen
sollen, nicht behindert. Es ist ferner wünschenswert, dass das Scharnier
eine hohe Steifigkeit um die Eingangsachse B und Pendelachse C hat,
so dass es dem Knicken, Verdrehen oder Biegen als Reaktion auf Beschleunigungen
entweder entlang der Scharnierachse A oder der Pendelachse C widersteht.
Ferner ist es wünschenswert,
dass das Scharnier in der Ebene liegt, die den Schwerpunkt der Messmasse enthält, so dass
Beschleunigungen entlang der Pendelachse keine so genannten Kreuzkopplungsfehler hervorrufen.
Ein Kreuzkopplungsfehler bezieht sich auf eine Empfindlichkeit des
Kraftausgleichsbeschleunigungsmessers auf eine Beschleunigung entlang
einer Achse, die nicht die Eingangsachse ist. Derartige Fehler können zum
Beispiel ausgelöst
werden, wenn das Scharnier verdreht wird oder in seiner Ebene schlecht
gefluchtet ist.
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Beim
Betrieb wird eine Beschleunigungskraft entlang der Eingangsachse
B erfahren, die bewirkt, dass die Messmasse 36 um die Scharnierachse
A und zu einem der Mangetaufbauten 12 dreht. Obere Flächen 24 der
Magnetaufbauten 12 bilden gemeinsam mit metallisierten
Teilen der Messmasse 36 einen so genannten kapazitiven
Abgriff. Wenn die Messmasse zwischen den zwei Magnetaufbauten zentriert
ist, sind die zwei Kapazitäten
gleich. Wenn eine Beschleunigung die Messmasse wie oben angegeben
bewegt, ändert
sich die Entfernung zwischen der Messmasse und den jeweiligen Magnetaufbauten,
was wiederum bewirkt, dass eine der Kapazitäten steigt, während die
andere Kapazität
sinkt. Die Kondensatoren sind in die Schaltung eingebaut, die ein
Ausgangssignal liefert, das auf die Bewegung der Messmasse hinweist.
Das Ausgangssignal wird in einem Servosystem verwendet, das einen
elektrischen Strom erzeugt, der über
elektrische Leiter 30 in die Drehmomentspulen läuft. Der
Strom in den Drehmomentspulen tritt mit dem Magnetfeld oder der
Magnetströmung
der Magnetaufbauten in Wechselwirkung und erzeugt eine Wiederherstellungskraft,
die die Messmasse wieder auf ihre zentrierte oder Nullstellung zwischen
den Magnetaufbauten bringt. Die Stärke des Stroms, der erforderlich
ist, um die Messmasse wieder auf ihre Nullstellung zu bringen, ergibt einen
Hinweis oder ein Maß der
Beschleunigung, die die Messmasse erfahren hat.
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Es
ist aus einer bestimmten Anzahl von Gründen sehr wünschenswert, die Wiederherstellungskraft
in der effektiven Mitte der Masse der Messmasse bereitzustellen.
Es vermeidet das Schaffen einer Drehkraft auf dem Scharnier um eine
andere Achse als die Scharnierachse, was über eine bestimmte Zeit oder
unter hohen Beschleu nigungskräften
ein Verformen des Scharniers verursachen kann. Ferner verringert
das Zusammenlegen der Wiederherstellungskraft mit dem effektiven
Schwerpunkt der Messmasse Kreuzkopplungsfehler und Linearitätsabweichung.
Ferner wird der Messmasse durch Nichtzusammenlegen der Wiederherstellungskraft
im effektiven Schwerpunkt der Messmasse ein zweiter Freiheitsgrad
verliehen, der nicht entsprechend gesteuert werden kann, was sich
wiederum auf den großen
Beschleunigungsbereich des Beschleunigungsmessers auswirkt.
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Beiträge zum effektiven
Schwerpunkt der Messmasse werden nicht nur durch die Messmasse 36 selbst
gemacht, sondern auch durch die Zone, die von den Biegeelementen 44, 46 weggeschnitten
ist. Das Ergebnis des Beitrags der Biegeelemente besteht darin,
dass der effektive Schwerpunkt von der Mitte des Messmassenaufbaus 14 entlang
der Pendelachse und von den Biegeelementen weg verschoben oder bewegt
wird. Während
entweder die Wiederherstellungskraft oder der Schwerpunkt der Messmasse
bewegt werden kann, um deren Zusammenfallen zu bewirken, ist es
im Allgemeinen leichter, die Wiederherstellungskraft zu bewegen.
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Was
das Verlegen der Wiederherstellungskraft betrifft, bestand in der
Vergangenheit eine Methode darin, eine Kerbe 48 (1)
in dem Erregungsring oder dem Strömungskonzentrator vorzusehen.
Die vorgesehene Kerbe wird zwischen Öffnungen 32, 34 angeordnet,
durch welche die elektrischen Leiter 30 reichen. Die Kerbe 48 dient
zum Umlenken der Magnetströmung,
die von dem Magnet 16 erzeugt wird, so dass die Wiederherstellungskraft
positiv entlang der Pendelachse bewegt wird, um mit dem Schwerpunkt
der Messmasse zusammenzufallen. Dieser Ansatz ergibt jedoch eine
bestimmte Anzahl von Problemen. Zuerst erzeugt die Kerbe 48 ein Paar
verdünnter
Regionen 50 in dem Erregungsring 18. Da die Magnetströmung die
Spalte vermeidet, die von der Kerbe 48 definiert wird,
wird sie umgelenkt und zu den verdünnten Regionen 50 konzentriert. Eine
hohe Konzentration des Magnetflusses in Regionen 50 kann
magnetische Sättigungseffekte
bewirken, die wiederum die Maßstabsfaktor-Wärmehysterese verschlechtern
und langfristig Driftfehler erzeugen. Es versteht sich von selbst,
dass, wenn die Wiederherstellungskraft und der Schwerpunkt der Messmasse
nicht zusammenfallen, sich alle oben besprochenen Probleme auf den
Beschleunigungsmesser auswirken.
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Ferner
ist das Herstellen des in 1 dargestellten
Beschleunigungsmessers notwendigerweise kompliziert, denn der Zugang
zu den elektrischen Leitern wird durch die Öffnungen 32, 34 und
verdünnten
Regionen 50 behindert. Genauer genommen verlässt der
Erregungsringaufbau die Öffnungen
(nicht spezifisch gezeigt, jedoch in der Basis 20 angeordnet),
durch welche sich die elektrischen Leiter in eine blinde Bauzone
erstrecken. Die elektrischen Leiter können nach der Herstellung die
Quelle der Erzeugung von Pannen sein, die eine Nachbesserung oder ein
Neuvergießen
mit Epoxidwerkstoff erfordern. Da der Zugang zu den Leitern durch
die existierende Erregungsringstruktur behindert wird, ist derartige Nachbesserung
notwendigerweise behindert und kompliziert.
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Die
Erfindung ergab sich aus Anliegen in Zusammenhang mit der Bereitstellung
von Kraftausgleichsbeschleunigungsmesserbauten und Verfahren mit
verbesserter Maßstabsfaktorleistung, mit
besserer Erzeugbarkeit und geringeren Kosten.
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Gemäß US-A-3
331 253 wird ein Magnetaufbau für
Kraftausgleichsbeschleunigungsmesser bereitgestellt, der Folgendes
umfasst:
einen Erregungsring, der eine Basis und einen Ringteil
hat, der eine untere Fläche
hat, die mit der Basis verbunden ist, eine radiale innere und eine äußere im Allgemeinen
zylindrische Wand und eine obere Fläche;
einen zylindrischen
Magnet, der mit der Basis gekoppelt ist und sich innerhalb des Ringteils
befindet;
wobei die innere Wand des Erregungsrings Folgendes
hat:
eine erste Umfangsregion, die mit dem Magnet einen ersten
Strömungsspalt
neben dem Magnet bildet und eine erste radiale Breite hat;
zwei
zweite Umfangsregionen, die mit der ersten Region an deren Enden
benachbart sind, wobei die zweiten Regionen mit dem Magnet zweite
Strömungsspalten
bilden, die eine zweite radiale Breite größer als die erste radiale Breite
haben und von zwei Schlitzen in dem Ringteil gebildet werden; und
eine
dritte Umfangsregion, die die radiale innere Fläche einer Zunge bildet, die
in dem Erregungsring zwischen den zweiten Umkreisregionen definiert
ist und mit dem Magnet einen dritten Strömungsspalt bildet, der eine
dritte radiale Breite hat, die kleiner ist als die zweite radiale
Breite.
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Die
vorliegende Erfindung ist gekennzeichnet durch elektrische Leiter
des Aufbaus, die von der Basis zu der Oberseite des Erregungsrings
durch mindestens einen der Schlitze, die in dem Erregungsring definiert
sind, reichen.
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Der
Kraftausgleichsbeschleunigungsmesser kann eine Messmasse, einen
Montagering, mindestens ein Biegeelement, das zwischen der Messmasse
und dem Montagering verbunden ist, und einen betriebsfähigen Magnetaufbau
neben der Messmasse umfassen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden unten unter Bezugnahme auf die folgenden anliegenden
Zeich nungen beschrieben.
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1 ist
eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines bekannten
Kraftausgleichsbeschleunigungsmessers.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Magnetaufbaus, der in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gebaut ist.
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3 ist
eine Draufsicht des Magnetaufbaus der 2.
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In 2 und 3 wurden
gleiche Bezugszeichen der oben beschriebenen Ausführungsform entsprechend
verwendet, wobei Unterschiede mit dem Suffix „a" oder mit unterschiedlichen Bezugszeichen
angegeben sind. Dementsprechend ist ein Magnetaufbau gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung allgemein in 12a dargestellt
und umfasst einen Dauermagnet 16 und einen Erregungsring
oder Strömungskonzentrator 18a.
Der Erregungsring 18a umfasst eine Basis 20, eine äußere Wand 22,
die mit der Basis verbunden ist und eine obere Fläche 24a.
Die obere Fläche
ist zwischen einer äußeren Kante 26 und
einer inneren Kante 28a, die von der äußeren Kante beabstandet ist,
definiert. Die äußere Kante
ist vorzugsweise kreisförmig,
und die innere Kante definiert eine Öffnung 29a in einer
inneren Region des Erregungsrings. Die Öffnung 29a umfasst
sichtlich eine erste und zweite Hälfte, die zu beiden Seiten
einer gestrichpunkteten Linie angeordnet sind. Bei einer bevorzugten
Ausführung
bilden die erste und die zweite Hälfte jeweils Ober- und Unterhälften 52, 54,
die man in 3 am besten sieht, und die Oberhälfte 52 umfasst
ein Paar beabstandeter Schlitze 56, 58, die durch
die innere Kante 28a definiert werden. Vorzugsweise werden
die Schlitze 56, 58 durch einen oberen Flächenanteil
oder eine Zunge 60 zwischen den Schlitzen getrennt, und
die sich von der äußeren Kante 26 weg
und sowohl zum Magnet 16 als auch zu einem inneren Kantenabschnitt 62 erstreckt,
der über
die Öffnung 29a,
und vom Abschnitt 60 weg angeordnet ist. In dem dargestellten
Beispiel ist der innere Kantenabschnitt 62 im Allgemeinen
mit einem benachbarten Abschnitt der äußeren Kante konzentrisch.
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Der
Magnet 16 ist innerhalb der inneren Region des Erregungsrings 18a neben
den Schlitzen 56, 58 angeordnet. Wie man wahrscheinlich
am besten in 2 sieht, ist zwischen dem Magnet
und den beiden Gruppen elektrischer Leiter 30 keine Erregungsringstruktur
angeordnet. Besorgnisse in Zusammenhang mit der magnetischen Sättigung
aufgrund der gemäß dem früheren Stand
der Technik verdünnten
Regionen 50 werden eliminiert, und ein Strömungspfad
wird bereitgestellt, der die magnetische Strömung von den Zonen weglenkt,
die zwischen den elektrischen Leitern 30 und dem Magnet 16 angeordnet
sind.
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Im Übereinstimmung
mit einem Aspekt der Erfindung ist jeder Schlitz 56, 58 durch
eine Vielzahl von Wänden
definiert; beispielhafte Wände
für Schlitz 56 sind
in 3 in 56a, 56b und 56c gezeigt, und
für Schlitz 58 in 58a, 58b und 58c.
Bei einer Ausführung
hat mindestens eine der schlitzbildenden Wände für einen einzelnen Schlitz einen
Abschnitt, der eine Winkelbeziehung mit einem nächsten benachbarten schlitzbildenden
Wandabschnitt definiert. In dem dargestellten Beispiel definiert
eine solche Winkelbeziehung einen Winkel zu dem nächsten benachbarten
schlitzbildenden Wandabschnitt, der größer ist als etwa 45 Grad und
näher an
90 Grad. Die Bezugnahme auf die Wände 56a, 56b zeigt
zum Beispiel, dass die einzelnen Wände einen Winkel definieren,
der größer ist
als 45 Grad und leicht kleiner als etwa 90 Grad. Bei einer anderen
Ausführung
definiert jede der schlitzbildenden Wände für einen einzelnen Schlitz eine
solche Winkelbeziehung mit einer nächstbenachbarten schlitzbildenden
Wand. Bei einer bevorzugten Ausführung
haben die Schlitze Formen, die im Wesentlichen die gleichen sind.
Die Schlitze können
auch als Maße
in Bezug auf den Erregungsring 18a habend betrachtet werden,
die im Wesentlichen gleich sind. In einem Aspekt sind die Schlitze 56, 58 im
Allgemeinen um eine Symmetrielinie E symmetrisch, die sichtlich
den Erregungsring halbiert. Die jeweiligen Schlitze erstrecken sich
von dem Magnet 16 in verschiedene Richtungen weg. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform
ist der Magnet 16 im Allgemeinen zylindrisch und die Schlitze
erstrecken sich radial von ihm weg.
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Der
Strömungskonzentrator 18a umfasst eine
innere Wand 64 innerhalb der äußeren Wand 22, die
sowohl den Magnet 16 als auch mindestens einen der elektrischen
Leiter 30 umgibt. Bei einer Ausführung reichen elektrische Leiter 30 in
die innere Region des Strömungskonzentrators
durch Öffnungen 66, 68 (3),
die vorzugsweise in der Basis des Strömungskonzentrators ausgebildet
sind. Die Öffnungen
können
jedoch auch anderswo ausgebildet sein. In dem dargestellten Beispiel
reichen die elektrischen Leiter durch zwei verschiedene Öffnungen,
die in der Basis des Strömungskonzentrators
an verschiedenen Stellen angeordnet sind. Die innere Wand 64 umgibt
vorzugsweise alle elektrischen Leiter an ihren verschiedenen Stellen.
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Die
dargestellte innere Wand 64 ist auf ihrem umschreibenden
Verlauf um den Magnet 16 und die abgebildeten elektrischen
Leiter 30 klarer in 3 dargestellt
und definiert eine Vielzahl von Spaltregionen zum Magnet 16.
Beispielhafte erste, zweite und dritte Spaltregionen sind in 70, 72 und 74 dargestellt. Die
zweite Spaltregion 72 wird von einem Abschnitt der inneren
Wand 64 definiert, der neben einer Gruppe elektrischer
Leiter 30 und vom Magnet 16 weg angeordnet ist.
Die dargestellte und bevorzugte zweite Spaltregion 72 ist
größer als
die erste Spaltregion 70. In dem dargestell ten Beispiel
entspricht die Spaltregion 72 dem Schlitz 56.
Schlitz 58 definiert eine ähnliche zweite Spaltregion,
so dass die innere Wand bei einer bevorzugten Ausführung ein
Paar zweiter Spaltregionen definiert, die durch die dritte Spaltregion 74 getrennt
sind.
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Der
oben beschriebene Erregungsring oder Strömungskonzentrator 18a stellt
einen Strömungspfad
für die
vom Magnet 16 entwickelte Magnetströmung bereit. Der Strömungspfad
ist in einer Ausführung
durch einen ersten Strömungsspalt
neben dem Magnet 16 gekennzeichnet, der ein erstes Breitenmaß hat. Der
erste Strömungsspalt
entspricht der ersten Spaltregion 70. Der Strömungspfad
ist ferner bei einer bevorzugten Ausführungsform durch ein Paar beabstandeter
zweiter Strömungsspalten
gekennzeichnet, die zweite Breitenmaße haben, die jeweils größer sind
als das erste Breitenmaß.
Die zweiten Strömungsspalten
entsprechen einer oder mehreren der oben genannten zweiten Spaltregionen 72. Vorzugsweise
liegen die zweiten Strömungsspalten neben
der ersten Strömungsspalte
und sind voneinander durch eine dritte Strömungsspalte (die der dritten
Spaltregion 74 entspricht) getrennt, die ein drittes Breitenmaß hat, das
kleiner ist als die jeweiligen zweiten Breitenmaße. Die dargestellten elektrischen Leiter
reichen durch mindestens einen und vorzugsweise durch beide der
zweiten Strömungsspalten.
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Der
Strömungskonzentrator
erlaubt es, die magnetische Wiederherstellungskraft zum Ausgleichen
der Messmasse in einer Art umzulenken, die Besorgnisse in Zusammenhang
mit magnetischen Strömungssättigungseffekten,
die oben in Zusammenhang mit dem früheren Stand der Strömungskonzentratoren
besprochen wurden, verringert, wenn nicht eliminiert. Das führt zu verbesserter
Maßstabfaktorleistung
und langfristiger Stabilität.
Ferner wird besserer Zugang zu den elektrischen Leitern, die die Messmasse
mit der Umgebung verbinden, bereitgestellt. Daher sind Herstellungsvorgänge wie
zum Beispiel Bin dung, Vergießen
und Reinigen keine blinden Vorgänge
mehr. Das verringert Materialpannen und verbessert die Nachbesserungsmöglichkeiten.
Daher wird die Erzeugbarkeit verbessert und die Kosten werden reduziert.