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Vorrichtung zum Messen der Beschleunigung Beschleunigungen - lassen
sich nach dem Gesetz Beschleunigung = Masse bestimmen. Solche Messungen leiden unter
dem Nachteil, daß sie masseabhängig sind und deshalb Gefälle, in denen sich das
zu untersuchende Fahrzeug befindet, das Meßergebnis fälschen. Dies gilt z. B. für
bekannte, in Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuge einzubauende Geschwindigkeitsmesser,
die aus einem Beschleunigungsmesser und einem Elektrizitätszähler bestehen und deren
zur Regelung des dem Zähler von einer Stromquelle konstanter Spannung zugeführten
Stromes entsprechend der jeweiligen Geschwindigkeitsänderung dienender Beschleunigungsmesser
durch eine relativ zum Fahrzeug beweglich gelagerte Masse gebildet wird. Diese Masse
erfährt daher bei Geschiwindigkeits änderungen des Fahrzeuges gewisse Lageänderungen
und veranlaßt so Widerstandsänderungen im Meßstromkreis.
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Natürlich werden nun aber die Lageänderungen der Masse auchsdavon
abhängig sein, welche Lage das Fahrzeug selbst einnimmt, und sie werden zu falschen
Meßergebnissen führen, wenn das Fahrzeug (insbesondere Flugzeug) sich in schräg
auf- und absteigender Bahn bewegt.
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Von diesem Nachteil frei ist die Vorrichtung zum Messen der Beschleunigung
durch elektrisches Differenzieren von geschwindigkeitsproportionalen Strömen oder
Spannungen mittels eines im Meßkreis liegenden Transformators oder Kondensators.
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Man kann nämlich, wie dies Lo mono 5 -soff und Ytterberg getan haben,
zur Messung der Beschleunigung die Tatsache benutzen, daß Geschwindigkeitsänderung
Beschleunigung = Zeitänderung ist, und die Spannung an einem Transformator bzw.
Kondensator proportional der Fahrgeschwindigkeit machen. Dann ist auf der Sekundärseite
dieses Transformators eine der Beschleunigung entsprechende Spannung bzw. im Stromkreis
des Kondensators ein entsprechender Strom vorhanden.
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In der Schaltung mit Transformator (Fig. 1 a) ergeben sich für die
Spannung, den Strom, den Fluß 0, die Geschwindigkeit V und die Bescllleunigung b
in der Zeit dt folgende Beziehungen:
desgleichen in der Schaltung mit Kondensator (Fig. 1 b):
Der Nachteil der bekannten Meßeinrichtungen dieser Art liegt vor allem darin, daß
sowohl der Transformator als auch der Kondensator außerordentlich groß werden müssen,
um
bei den in Frage kommenden beträchtlichen Zeiten dt von 60 und mehr Sekunden meßbare
Ströme zu ergeben.
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Dieser Mangel wird durch die Erfindung behoben. Dies geschieht durch
einen Widerstand, durch den in Verbindung mit einem Schaltglied im Geschwindigkeitsmesser
in bekannter Weise die Ströme oder Spannungen erzeugt werden, der jedoch erfindungsgemäß
in einander abwechselnde Elemente unterteilt ist, in denen der Widerstand entweder
von Null bis zu einem Höchstwert ansteigt oder vom Höchstwert bis zu Null abfällt.
Damit werden die Zeiten dt wesentlich verkürtzt, so daß schon mit kleinem Transformator
oder Kondensator im Meßkreis leicht meßbare Ströme erzielt werden. Wie dies zu erreichen
ist, sei an Hand von Fig. 2 erläutert.
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Angenommen, ein Fahrzeug werde mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeitsänderung
von 0,5 m/Sek² von 0 auf 144 km/Std. oder 144 : 3,6 = 40 m/Sek. beschleunigt oder
(umgekehrt) verzögert, so sind dazu 40 : 0,5 = 8o Sek. erforderlich. In Fig. 2 ist
diese Zeit mit tmax 1 bezeichnet, während derer (z. B. nach Fig. 1a) der Fluß #
im Transformator den Wert #max1 erreichen soll. Da die Geschwindigkeitsänderung
konstant ist, ändert sich # geradlinig mit t1 also ist d#/dt = konstant.
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Wollte man ein normales Registrierinstrument zum Aufzeichnen der
Beschleunigung b (m/Sek.2) nach der Schaltung in Fig. in benutzen, so müßte der
Transformator etwa 200 kg wiegen, da für dessen Größe der Wert nax 1 bestimmend
ist. Man sieht aus Fig. 2, daß der Transformator für einen wesentlich kleineren
Fluß max 2 ausgelegt werden kann, sofern man bei der vom Fahrzeug benötigten, unverändert
gebliebenen Zeit #max die Zeiten der Flußänderung am Transformator auf #maxg verkleinert.
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Die Größe und Richtung der EMK d #, dt war gegeben durch c-11. Nian
erhält aber stets die gleiche Spannung, die nur ihre Richtung wechselt, wenn der
Fluß statt nach #1 nach der Kurve #2 verläuft, vgl. Kurve ei2.
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In dem Beispiel von Fig. 2 ist der Fluß #max2auf etwa 1/9 von #max1
gebracht, d.h. die linearen Abmessungen sind auf 1/3 gesenkt worden. Da die Gewichte
proportional der dritten Potenz der Abmessungen sind, würde der Transformator nun
nur noch (1/3) 3. 200, d. h. 7,4kg statt früher 200 kg wiegen.
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Die rechteckige Wechselstromkurve ei2 muß zu Anzeigezwecken in eine
stets in der gleichen Richtung verlaufende umgewandelt werden. Deshalb läßt man
den Transformator entweder mit Gegentakt- oder Graetz-Vierzellen-Gleichrichtung
auf das Anzeigegerät arbeiten. Angesichts der durch Verkleinern von tmax2 gegenüber
tmax1 erreichbaren Verringerung der Abmessungen des Transformators läßt sich die
Gleichrichtung ohne Nachteil in Kauf nehmen.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Einrichtung gemäß der Erfindung
zeigt Fig. 3. Daraus geht auch hervor, wie mit Hilfe einer Verkürzung der Zeit tmax
1 die geschwindigkeitsproportionale Flußänderung nach Kurve #2, für die es verschiedene
Möglichkeiten gibt, beispielsweise erzeugt werden kann.
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In Fig. 3 ist links ein Geschwindigkeitsmesser 1 irgendeiner Bauart
angedeutet, dessen Zeiger 2 auf einem möglichst kontinuierlichen Widerstand 3 schleift.
Dieser Widerstand ist erfindungsgemäß als Mehrfachpotentiometer geschaltet, das
in der durch + und - angegebenen Weise von einer Stromquelle gespeist wird.
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Der Zeiger des Geschwindigkeitsmessers liegt also während seiner
Geschwindigkeitsanzeige an linear wechselndem Potential; letzteres wird an das Gitter
4 einer Verstärkerröhre R1 geführt. Da das Gitter kein Stromverbrauchter ist, arbeitet
die Spannungsteilerschaltung hier fehlerfrei. Durch geeignete Einstellung der Potentiometerspannung
Ep1 und der konstanten GittervorspannungEv, kann der Arbeitsbereich der Röhre auf
den geradlinigen Teil ihrer Charakteristik eingestellt werden.
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Aus den linear zu- und abnehmenden Gitterspannungen (Ep, + Ep,) werden
somit genau entsprechende Stromänderungen J, die im Transformator 5 proportionale
Flußänderungen erzeugen.
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Die in der Sekundärseite des Transforsnators induzierte EMK, tdie
der beobachteten Beschleunigung oder Verzögerung entspricht, wird über eine Gleichrichteranordnung
in Graetzschaltung 6 an den Gitterwiderstand 7 einer Verstärkerröhre R2 gelegt,
wo sie Spannungsabfälle erzeugt, die der Geschwindigkeitsänderung proportional sind.
Durch den maximal möglichen Spannungsabfall Ep, am Widerstand und die Gittervorspannung
Ev2 wird der geradlinige Teil der Röhrencharakteristik eingeregelt, so daß der Anodenstrom
der Röhre R2 stets beschleunigungsproportionale Änderungen erfährt.
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Das Meßgerät 8 für die Beschleunigung b muß selbstverständlich entweder
eine Kompensation für den Anodenruhestrom haben oder aber so eingestellt wenden,
daß beim normalen Ruhestrom der Zeiger auf Null steht.
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Für die Schaltung mit Meßkondensator
(Fig. 1 b) kann
in genau gleicher Weise wie für Einrichtungen mit Transformator (Fig. 1 a) eine
Fig. 3 entsprechende Schaltung entwickelt werden, so daß sich ein Eingehen auf die
Kondensatorschaltung erübrigt.
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Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung hat ebenso wie die entsprechende
Schaltung mit Meßkondensator außer dem im Vergleich zu älteren Einrichtungen nach
Fig. 1 a und 1 b erheblich verringerten Gewicht noch weitere Vorteile: Es kann ein
beliebiger Geschwindigkeitsmesser verwendet werden, während für Fig. 1 a und 1 b
die Tachometerdynamo praktisch allein brauchbar ist. Die im magnetischen oder elektrischen
Feld bei Fig. in oder I b gespeicherte Energie kann bei Stromunterbrechung in den
älteren Einrichtungen das Beschleunigungsmeßgerät zerstören; in der neuen Schaltung
nach Fig. 3 hingegen ist das nicht möglich, da der höchste Strom, der durch das
Meßgerät 8 fließen kann, durch das Emissionsvermögen der Röhre begrenzt ist.
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In Fig. 4 ist noch einmal das für alle vorstehenden neuen Schaltungen
entwickelte Aufbauschema einer dem Stand der Meßtechnik angepaßten geschwindigkeitsabhängigen
Beschleunigungsvorrichtung angegeben.
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Darin ist G die geschwindigkeitsabhängige Einrichtung, deren Beschleunigung
oder Verzögerung gemessen werden soll, I die Vorrichtung zum Anzeigen der Geschwindigkeit,
R1 der Verstärker für die dem Transformator oder Kondensator 5 zuzuführenden Spannungs-
oder Stromimpulse, 6 der Gleichrichter und 7 der Verstärker für das die Beschleunigung
anzeigende und gegebenenfalls registrierende Meßgerät 8.
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Je nach der Art der verwendeten Meßgeräte können eineelne Teile des
Schemas in Fig. 4 zusammengefaßt, erweitert oder auch weggelassen werden.
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Es ist auch nicht nötig, die Verstärkung masselos mit Röhren vorzunehmen,
sondern sie kann auch z. B. dadurch erfolgen, daß der Zeiger des Geschwindigkeitsmessers
erfindungsgemäß Ohmsche Widerstände im Primärkreis des Transformators (bzw. Kondensators)
verändert, und zwar so, daß der irgendeiner Stromquelle entnommene Strom der Kurve
0 2 in Fig. 2 proportional ist. Hierzu müssen die Vorwiderstände hyperbolisch zu-und
abnehmen, da bei Fortfall der Röhre R1 (Fig. 3) der Transformator als Energieverbraucher
auftritt, der sonst rückwirkend das Gleichgewicht stören würde.
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Für die Genauigkeit der Messung empfiehlt es sich, auf die Eigenschaften
von Transformator bzw. Kondensator Rücksicht zu nehmen, die an sich die Proportionalität
zwischen angelegter Spannung und magnetischem Feld bzw. Ladestrom stören könnten.
Zu deren Unterdrückung kann man sich selbstverständlich an sich bekannter Maßnahmen
bedienen, z. B. wegen der veränderlichen Permeabilität des Eisens zur Vormagnetisierung
AWo (Fig. 5) zusätzliche Amperewindungen AW2 vorsehen, so daß der Fehler+ I einen
gewünschten kleinen Wert hat oder bei einem einfachen Transformator zur Vormagnetisierung
den Anodenruhestrom der Verstärkerröhren (Fig. 3) benutzen oder auch die Vormagnetisierung
durch einen Hilfsstrom aus der Batterie beeinflussen. Eine andere Möglichkeit ist,
den Transformator mit Luftspalt auszubilden, um geradlinige Abhängigkeit zwischen
Strom und Feld zu erreichen. Eine weitere Fehlerquelle beim Transformator ist in
der Hystereseschleife des Eisens zu erblicken, wodurch bei zu- und abnehmenden AW2
(Fig. 5) auf verschiedenen Feldkurven gearbeitet wird.
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Hier wird u. U. die Verwendung von Hochfrequenzeisenkernen wesentliche
Verbesserung bringen.
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Ein Ausführungsbeispiel mit Meßtransformator und Fehlerausgleich
zeigt Fig. 6. Der als beweglicher Kontakt dienende Zeiger 12 wird (z.B. durch einen
Wirbelstromgeschwindigkeitsmesser) proportional der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl
über hyperbolisch zu-und abnehmende Widerstände 13, die dadurch in den Stromkreis
einer Transformatorwicklung 15 und der Hilfsstromquelle I7 eingeschaltet werden,
hinweggedreht. In der Sekundärwicklung 25 entsteht eine Spannung, die nach den eingangs
erwähnten Gleichungen beschleunigungsproportional ist.
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Infolge der abwechselnden Einschaltung der Widerstände 13 kann der
Ausdruck d 0 Id bei kleinem d 0 durch beliebige Verkleinerung von dt, d. h. Vergrößerung
der Zahl der Widerstände 13 die gewünschte, im Meßinstrument erforderliche Größe
erhalten.
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Kleines d 0 bedeutet, wie schon erwähnt, eine kleine Induktivität
und somit die Vermeidung der Gefährdung der Meßgeräte.
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Bei der Bewegung des Kontaktes 12 auf steigendem Widerstand 13 sinkt
der Strom in der Wicklung I5, d. h. die Spannung in der Wicklung 25 kehrt ihre Richtung
um.
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Deshalb ist das Beschleunigungsmeßgerät 18 an den Transformator über
eine Graetzsche Vierzellenschaltung 17 anzuschließen.
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Ferner ist der Kontaktzeiger I2 so mit einem (nicht gezeichneten)
Umschalter des Instrumentes I8 zu verbinden, daß dieses bei Verzögerungen umgepolt
oder die Verzögerung auf andere Weise gekennzeichnet wird.
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Zur Temperaturkompensation dient ein Widerstand 20 im Kreis der Transformatorwicklung
I5, während mittels des Widerstandes 21 die Spule 22 des Transformators so vormagnetisiert
werden kann, daß die Flußänderungen d # im Bereich praktisch gleichbleibender Permeabilität
vonstatten geben.
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Die Komepnsationsmaßnahmen bilden nicht den Gegenstand der Erfindung.
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Durch Verkleinerung der Zeiten dt mittels der ansteigenden und abnehmenden
Widerstünde 13 werden in Vereinigung mit der Vierzellenschaltung vor dem Meßinstrument
18 und der Regelung auf das Gebiet der praktisch gleichbleibenden Permeabilität
mittels der Widerstände 21, 22 die Nachteile der bekannten Meßanordnung mit Transformator,
großes Gewicht und Gefahr der Zerstörung des Anzeigegerätes, vollkommen vermieden.
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Die Anordnung 12, 13 läßt sich erfindungsgemäß auch durch andere
Mittel ersetzen, z. B. dadurch, daß das Schaltglied lichtempfindliche Zellen steuert,
deren jede in an sich bekannter Weise gemäß einer stetigen Funktion zum Teil abgeblendet
ist und deren Wirkung mit Röhrenverstärkern erhöht werden kann.
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Beim Kondensator tritt als Fehlerquelle praktisch nur der Verluststrom
auf, der von der Größe der jeweils anliegenden Spannung abhängt und durch den endlichen
Isolationswiderstand hindurchgeht. Abhilfe schafft hier selbstverständlich z. B.
die Kompensation des Verluststromes mittels einer dem Beschleunigungsmeß werk entgegengeschalteten
Spule, die mittel- oder unmittelbar an der gleichen Spannung wie der Kondensator
liegt.
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Fig. 7 veranschaulicht eine Meßeinrichtung mit Kondensator, wobei
die Spannungen am Kondensator C geschwindigkeitsproportional sind und der Ladestromic
des Kondensators proportional der Beschleunigung oder Verzögerung b des Fahrzeuges
o. dgl. ist.
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Wird an den Kondensator etwa durch Anschluß einer Tachometerdynamo
eine geschwindigkeitsproportionale Spannung gelegt, so gibt der in einem Strommesser
gemessene Ladestrom ein sichtbares und auch registrierfähiges Abbild der Beschleunigung
oder Verzögerung des Fahrzeugs, während dessen Geschwindigkeit mit einem Spannungsmesser
gemessen und aufgezeichnet werden kann.
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Wie in Fig. 6 schaltet auch in Fig. 7 der Kontaktzeiger 12 hyperbol
isch ansteigende und abfallende Widerstände I3 in den Ladestromkreis des Kondensators
25. Die Ladeströme müssen aus den vorher schon besprochenen Gründen über die Graetzsche
Vierzellenschaltung 16 dem Meßgerät 18 zugeführt werden. Der Widerstand 26 gestattet
die Temperaturkompensation, während der Widerstand 27 dazu dient, den Isolationswiderstand
L des Kondensators auszugleichen, was übrigens an sich bekannt ist. Ein Umschalter
oder sonst eine Vorrichtung zur Unterscheidung von Beschleunigungen und Verzögerungen
muß auch wieder vorhanden sein, ist jedoch nicht gezeichnet.
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Durch entsprechende Vergrößerung der Zahl der Widerstände 13 kann
wieder die Zeit dt so verkürzt werden, daß man mit kleinem Kondensator 25 oder kleiner
Spannung der Hilfsstromquelle 17 auskommt, wo durch man erheblich an Gewicht spart
und die Gefährdung der Meßinstrumente verhütet.
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Die kapazitive Messung hat gegenüber der induktiven Beschleunigungsmessung
den Vorzug, daß sie nicht durch besondere Maßnahmen von veränderlichen Größen (PermeaI>ilität
des Transformators) unabhängig gemacht werden muß.
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Erwähnenswert ist noch, daß mit den Anordnungen selbstverständlich
auch die spezifische Beschleunigungsleistung gemessen werden kann, indem einem Leistungsmesser
sowohl der beschleunigungsproportionale Strom als auch ein geschwindigkeitsproportionaler
Strom zugeführt wird. Ist der beschleunigungsproportionale Strom noch durch das
gesamte Zuggewicht beeinflußt, so ergibt sich statt der Beschleunigungsleistung
je Tonne die gesamte Beschleunigungsleistung.
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Auch zur Messung kurzzeitiger Beschleunigungen kann die Erfindung
verwendet werden.
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Bei sehr schnellen Geschwindigkeitsänderungen empfiehlt sich besonders
die Aufzeichnung oder Beobachtung der Meßwerte mittels Oszillograph, was jedoch
nicht den Gegenstand der Erfindung bildet. iA'rENTANSPRÜCIiE: 1. Vorrichtung zum
Messen der Beschleunigung durch elektrisches Differenzieren von geschwindigkeitsproportionalen
Strömen oder Spannungen mittels eines im Meßkreis liegenden Transformators oder
Kondensators, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand, durch den in Verbindung
mit einem Schaltglied im Geschwindigkeitsmesser in bekannter Weise die Ströme oder
Spannungen erzeugt werden, in einander abwechselnde Elemente unterteilt ist, in
denen der Widerstand entweder von Null bis zu einem Höchstwert ansteigend oder vom
Höchstwert bis zu Null abfallend angeordnet ist.