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Anordnung zur beschleunigungs- und lagenunabhängigen Gewichtsmessung
Um in einem bewegten Sysbem, bleispielsweise einem Flugzeug, den jeweiligen Wert
einer mit der Zeit veränderlichen Masse, heispielsweise den Kraftstoffvorrat, feststellen
zu können, hat man bisher folgende Anordnungen getroffen: Der zu bestimmenden Masse
wird durch eine Vergleichsmasse, die wesentlich kleiner ist, die Waage gehalten,
beispielsweise durch eine mechanische oder hydraulische Anordnung. Dadurch wird
erreicht, daß Beschleunigungs- und Lagenänderungen, die auf beide Massen in gleichem
Maße einwirken und somit das Gewicht der beiden Massen in der gleichen Weise beeinfLussen,
auf das Verhältnis der beiden Gewichte keinen Einfluß ausüben. Insbesondere werden
in den bisher bekannten Anordnungen die Kräfte, ,die die zu vergleichenden Massen
auf die sie tragenden Meßorgane ausüben, durch Hebelgestänge oder in Zylindern bewegbare,
unter Einwirkung einer Flüssigkeit stehende Kolben umgesetzt, deren Quotient in
dem Anzeigegerät als Meßwert auftritt.
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Die Nachteile solcher Anordnungen blestehen darin, daß bei Verwendung
eines Hebelgestänges durch auftretende Spiel- und Reibungskräfte die Anzeige gefälscht
wird.
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Außerdem muß die Anlage sehr genau ausgewogen werden, damit b.ei Beschleunigungen
von ihr nicht zusätzliche Kräfte erzeugt werden. Die Lösung durch eine hydraulische
Anlage bringt weiterhin den Nachteil mit sich, daß insbesondere infolge der in großen
Höhen zur Vermeidung der Brennstoffdampfbildung notwendigen Kühlung der Brennstoffbehälter
auch
die hydraulische Anlage mitgekühlt wird, so daß durch Volumen änderung der Flüssigkeit,
aber auch durch Veränderung des Lagerspiels Schwankungen bei der mechanischlen Anordnung
der Meßanzeige hervorgerufen werden. Weiterhin sind mechanische und hydraulische
Anlagen zur Fernanzeige voll Meßergebnissen denkbar ungeeignet. Durch das Auftreten
von Spiel- und Reibungskräften ist es mit den bisher bekannten Anordnungen nicht
möglich, auch die kleinen Brennstoffmengen im Tank zur Anzeige zu bringen.
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Es ist auch bekannt, Gewichte oder Kräfte dadurch zu ermitteln, daß
das Gewicht (Kraft) auf einen Drahtwiderstand wirkt und der hierbei im Draht auftretende,
dem Gewicht (Kraft) entsprechende Widerstandswert mittels einer Wheatstoneschen
Brücke bestimmt wird.
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Demgegenüber bestleht die Erfindung darin, daß zur Ermittlung des
Gewichtes der Behälter und der Vergleichsmasse je eine solche aus einem gewichtsbelasteten
Meßdraht und einer den hierbei im Meßdraht veränderten Widerstand messenden Wheatstoneschen
Brücke bestehende elektrische Meßeinrichtung derart verwendet wird, daß der Quotient
der an den Brückendiagonalen auftretenden Spannungen in einem an sich bekannten
Quotientenmleßgerät unter Zwischenschaltung von Verstärkern gebildet wird. Als geeignetes
Material für diesen Meßdraht wird beispielsweise dünner Konstantandraht verwendet,
da er den an das Meßorgan zu stellenden Anforderungen entspricht: Der Temperaturkoeffizient
von Konstantan ist klein, und die Widerstandsänderung der Längeneinheit des Drahtes
ist für die gleiche Belastung hinreichend groß. Weiterhin zeigt Konstantan im Gegensatz
zu vielen anderen Materialien die gleichen charakteristischen Eigenschaften auch
nach verschiedenartiger Vorbehandlung bei der Herstellung des Drahtes.
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Verteilt sich das Gewicht der zu wägenden Masse M1 auf mehrere Unterstützungspunkte,
so wird an jedem Unterstützungspunkt ein Meßorgan eingesetzt. Die Addition der einzelnen
Gewichtsanteiie erfolgt in bekannter Weise dadurch, daß sämtliche Meßdrähte in dem
einen Zweig der Wheatstoneschen Brücke B1 oder in zwei gegenüberliegenden zusammengeschaltet
sind. In den anderen Zweigen der Wheatstoneschen Brücke liegen Konstantandrähte
von den gleichen Eigenschaften wie die Meßdrähte, die mit den Meßdrähten gemeinsam
in der gleichen Meßdose ausgespannt sind, jedoch nicht unter dem Einfluß der Zugkraft
stehen. Auf diese Weise wird die Temperaturunabhängigkeit der Anzeige gewährleistet.
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Das Gewicht der konstanten Vergleichsmasse M2 wirkt auf einen zweiten
Meßdraht D2, der in der beschriebenen Weise mit entsprechenden Kompensationsdrähten
D2' zu einer Brücke B2 zusammengesetzt ist. Die in den beiden Brückendiagonalen
auftretenden Spannungen sind an der Meßdiagonale von B1: U1 = C1M1#b#cos#α,
an der Meßdiagonale von B2: U2 = C2M2#b#cos#α.
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Hierbei sind U1 bzw. U die Spannungen an den Brückendiagonalen, C1
bzw. C Konstanten, die durch die Wahl der Brückenwiderstände W1 und W2 und Brückenspannungen
E1 bzw. E2 verändert werden können sowie durch die besondere Anordnung des Meßdrahtes;
b bzw. a sind die Beschleunigung bzw. der Neigungswinkel, die auf beide Massen in
der gleichen Weise einwirken.
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Der Quotient aus den beiden Spannungen ist U1/U2 = = C3M1.
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C2M2 Die Empfindlichkeit der Anordnung, d.h. die Konstante Ca läßt
sich durch geeignete Wahl von C1, C und M2 auf jeden gewünschten Wert einstellen;
so kann C1 bzw. C2 und damit C3 in einfacher Weise dadurch geändert werden, daß
die den Brücken B1 bzw. B2 vorgeschalteten Widerstände W1 bzw. W2 entsprechend eingestellt
werden.
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Sind die Spannungen zu klein, um in einem Gerät dividiert zu werden,
so werden sie verstärkt. Jeder Brücke ist ein Verstärker V1 bzw. V2 angeschlossen,
deren Ausgänge J1 bzw. J2 in dem Quotientenmeßgerät Qu durcheinander dividiert werden.
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Für den hier beschriebenen Verwendungszweck der Anordnung im Flugzeug
stehen im allgemeinen nicht verschiedene getrennte Spannungsquellen zur Verfügung,
die die Meßbrücken mit Strom versorgen und die von den Meßbrückenspannungen galvanisch
zu trennenden Relaisspannungen der Verstärker ergeben.
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Es wird daher ein Umformergerät o verwendet, das im besonderen hier
beschrieben wird.
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Die Primärseite P eines Transformators wird über einen Zerhacker
Z aus der zur Verfügung stehenden Spannungsquelle A, an die ebenfalls die beiden
Wheatstoneschen Brücken angeschlossen sind, mit zerhacktem Gleichstrom beschickt.
Durch Verwendung mehrerer galvanisch getrennter Sekundärwicklungen S1, S2 ... Sn-1,
Sn, an deren Enden die Relaisspannungen UR1, UR2 ... URn-1, URn auftreten, die gegebenenfalls
über Gleichrichter geleitet werden, ist eine galvanische Trennung der Verstärker-
und Brückenstromkreise erzielt.
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Die Ausführung der Meßdose ist an Hand der Abb. 2 beschrieben. In
diesem Ausführungsbeispiel liegen die M'eßdrähte D1 in der Kraftführung parallel
zu einem Federkörper F, der den Hauptteil der Last aufzunehmen hat, weil die dünnen
Meßdrähte keine neranenswerten Kräfte übertragen können. Die Mleßdrähte sind im
Innern des Federkörpiers an geeigneten Halterungen derart befestigt, daß sie auf
eine Belastung der Feder eine Entlastung erfahren, woraus sich insofern Vorteile
ergeben, als sie blei Überlast nicht reißen können und als ihre Vorspannung bei
geringer Last das sich aus der drahtfestigkeit ergebende höchstzulässige Maß annehmen
darf.
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Die Templeraturempfindlichkeit des Meßdrahtes wird dadurch ausgeglichen,
daß ein zweiter ungespannter Draht dz gleicher Abmessungen im Innern der mit Öl
gefüllten Meßdose dem eigentlichen Meßdraht D1 in einer Brücke entgegengeschaltet
wird. Durch diese Maßnahme wird der Einfluß der Temperatur auf die Leitfähigkeit
aufgehoben. Die Temp,eraturänderung bewirkt aber außerdem eine Änderung der Vorspannung
des Mleßdrahtes, weil der Ausdehnungsbeiwert seines Werkstoffes von dem des Geberbaustoffes
abweicht. Diese Spannungsänderung ist jedoch wegen der besonderen Art der Halterung
der Drähte nur klein. Selbst dieser Betrag wird noch aufgehoben durch die Verwendung
richtig bemessener Invarteilstücke an der Spannschraube S. Um auch das Auftreten
von Thermokräften zu vermeiden und um den Temperaturbeiwert der Drähte durch Anwendung
von Lötzinn nicht zu beeinflussen, werden sämtliche elektrischen Verbindungen aus
gleichem Werkstoff hergestellt und durch Schweißung miteinander verbunden.
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Die Vergieichsmasse oder die Vergleichsmassen, die den Einfluß der
Beschleunigung und der Neigung des bewegten Systems aufheben sollen, bestehen, wie
in Abb. 3 dargestellt, aus an Konstantandrähten aufgehängten Massen M2, beispielsweise
einer Kugel, die seitlich geführt wird. Ein Anschlag A schließt, wie bei solchen
Änderungen bekannt, eine unzulässig große Längenänderung und damit eine Überlastung
des Drahtes aus. Im Innern des mit Öl gefüllten Gehäuses, in dem die Zusatzmenge
aufgehängt ist, befinden sich außerdem die Kompensationsdrähte D2'.