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Einrichtung zum Erfassen mechanischer Schwingungen, insbesondere Beschleunigungen,
von Fahrzeugen, Aufzügen und anderen bewegten Körpern
Zum Messen von Beschleunigungen
und mechanischen Schwingungen bewegter Körper ist es bekannt, eine mit dem Körper
nachgiebig gekuppelte träge Masse zu verwenden und deren Relativbewegung auszunutzen,
um einen elektrischen Stromkreis zu beeinflussen, so daß ein in diesem liegendes
Meßgerät einen der Beschleunigung bzw. der Schwingung entsprechenden Meßwert anzeigt.
Wird eine Beeinflussung des elektrischen Stromkreises durch einen mechanisch verstellten
Widerstand, z. B. ein Potentiometer, verwendet, dessen Abgriff mit der genannten
trägen Masse verbunden ist, so liegen dabei die den verstellbaren Kontaktwiderständen
u. dgl. anhaftenden Nachteile vor, wie z. B. unsichere Kontaktgabe durch verschmutzte
Widerstandsschleifbahnen usw. DieseNachteile sind bei Einrichtungen vermieden, die
nach dem elektrodynamischen oder dem elektromagnetischen Prinzip mit Hilfe einer
Magnetfeldanordnung arbeiten.
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Beim elektrodynamischen Prinzip ist im Luftspalt der Magnetfeldanordnung
ein elektrischer Leiter, zumeist in Form einer Spule, beweglich angeordnet. In diesem
Fall entsteht in dem Leiter bzw. der Spule durch die Lageveränderung in bezug auf
den Luftspalt eine Induktionsspannung, die den gewünschten Meßwert darstellt. Im
anderen Fall wird die Induktion einer Magnetfeldanordnung durch einen dazu relativ
beweglichen magnetischen Nebenschluß od. dgl. verändert, z. B. durch einen Tauchkern,
und der elek-
trische Meßwert wird an einer auf dem Magneten fest
angebrachten Spulenwicklung abgenommen.
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Die elektrodynamischen sowie die - elektromagnetischen Meßgeräte
weisen jedoch den Nachteil auf, daß der von ihnen erzeugte elektrische-Meßwert nicht
unabhängig von der jeweiligen Relativgeschwindigkeit des bewegten Körpers zur trägen
Masse ist Durch die Erfindung wird dagegen eine Einrichtung zum Erfassen mechanischer
Schwingungen, insbesondere Beschleunigungen von Fahrzeugen, Aufzügen und anderen
bewegten Körpern unter Anwendung einer mit dem bewegten Körper gekuppelten Magnetfeldanordnung
geschaffen, bei der weder der Nachteil des geschwindigkeitsabhängigen Meßwertes
noch der obenerwähnte Nachteil der mit Kontakten oder Schleifbahnen arbeitenden
Widerstandseinrichtungen vorliegt. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin,
bei einer Einrichtung der vorgenannten Art magnet feldabhängige Halbleiter zu verwenden,
die dem Einfluß der Magnetfeldanordnung ausgesetzt werden.
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Zur Erzeugung des elektrischen Meßwertes wird ein durch die Relativbewegung
zwischen Magnetfeldanordnung und Halbleiterkörper auftretender magnet feldabhängiger
Effekt ausgenutzt. Dieser Effekt kann der Halleffekt sein, wobei an zwei Hilfselektroden
des Halbleiterkörpers die sogenannte Hallspannung abgenommen wird. Es kann aber
auch die durch die magnetische Beeinflussung des Halbleiterkörpers auftretende elektrische
Leitwertänderung verwendet werden.
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Widerstandskörper mit magnetfeldabhängiger Leitfähigkeit sind an
sich bekannt. Am bekanntesten ist das Metall Wismut. Da jedoch dessen verhältnismäßig
geringe magnetfeldabhängige Leitwertänderung kaum für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung in Betracht kommt, zumindest es dabei vielmehr eines verhältnismäßig großen
Aufwandes an Verstärkungsmitteln bedarf, werden für die Zwecke der Erfindung Widerstandskörper
aus Halbleitern mit einer Träger- -beweglichkeit von mindestens etwa 6000 cmVolt
sec, insbesondere mindestens etwa I0000 cm2/Volt-sec, .bevorzugt. Zu diesen Stoffen
gehören vor allem Widerstandskörper aus halbleitenden Verbindungen, insbesondere
von der Form AmBv, -d. h. aus Verbindungen eines Elementes der III. Gruppe mit einem
Element der V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente, und zwar Verbindungen
aus Stoffen der Untergruppen b dieser beiden Hauptgruppen, wie Aluminium, Gallium,
Indium einerseits und Phosphor, Arsen und Antimon andererseits. Diese Stoffe haben
infolge ihrer verhältnismäßig großen Trägerbeweglichkeit die Eigenschaft, ihren
Leitwert bzw. Widerstand durch Anlegen einer magnetischen Feldstärke innerhalb besonders
weiter Grenzen zu verändern. Bei Indium-Antimonid beispielsweise wurden bereits
Trägerbeweglichkeiten von 60000 cm2/Volt sec erreicht.
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Besonders geeignet ist außerdem Indiumarsenid, das sich durch eine
im normalen Temperaturbereich besonders geringe Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten
des elektrischen Widerstandes auszeichnet.
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Für die Zwecke der Erfindung werden außerdem Halbleiterkörper mit
sogenannter magnetischer Sperrschicht bevorzugt, als welche z. B. eigenleitendes
Germanium mit besonderer Oberflächenbehandlung in Betracht kommt. Durch Anlegen
eines Magnetfeldes bestimmter Richtung und ausreichender Stärke kann der elektrische
Widerstand in einer Stromdurchlaßrichtung auf einen sehr hohen Wert gesteigert werden.
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Zur näheren Erläuterung der Einrichtung nach der Erfindung sind in
der Zeichnung'einige mögliche Ausführungsbeispide schematisch dargestellt.
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In Fig. I ist eine Einrichtung zum Erfassen von Schwingungen oder
Beschleunigungen in senkrechter Richtung oder mit einer im wesentlichen senkrechten
Komponente dargestellt. Eine Magnetfeldanordnung besteht aus einem ringförmig geschlossenem
Dauermagneten I, zwischen dessen PolschuhenN, S ein Halbleiterkörper 2 angebracht
ist. Dieser ist mit einem Fundament 3 starr befestigt. Der Dauermagnet I ist dagegen
durch Federn 4 und 5 auf dem Fundament 3 beweglich gelagert und dient zugleich als
träge Masse.
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Der Halbleiterkörper 2 ist beispielsweise in einer Brückenschaltung
6 angeordnet, die außerdem drei weitere Widerstandskörper 7 bis 9 enthält. Zur Speisung
der Brücke dient eine Batterie I0, an deren Stelle jedoch auch eine beliebige andere
Stromquelle, insbesondere ein Netzanschlußgerät für Gleich- oder Wechselstromabgabe,
verwendet werden kann. Der Galvanometerzweig der Brücke wird durch ein Meßinstrument
II gebildet, dem gegebenenfalls ein Verstärker 12 vorgeschaltet sein kann. Wird
die Brückenschaltung so - abgeglichen, daß in der gezeichneten Ruhelage des Dauermagneten
keine Spannung an den Galvanometereckpunkten der Brückenschaltung liegt, so kann
an dem Meßinstrument II, falls dieses ein Nullinstrument ist, bei einer Bewegung
des Dauermagneten I zugleich die Richtung der Bewegung am Ausschlag des Meßinstrumentes
abgelesen werden.
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Als Verstärker 12 ist in diesem Fall ein richtungsabhängiger Verstärker
erforderlich. Derartige Verstärker sind bekannt. Geeignet ist z. B. ein Magnetverstärker
in Gegentaktschaltnhg.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der vorbeschriebenen Einrichtung
sei angenommen, daß sich diese in einem Aufzug, z. B. dem Förderkorb einer Schachtanlage,
befindet. Beim Anfahren oder Abbremsen des Förderkorbes, d. h. bei Beschleunigungen
oder Verzögerungen, bewegt sich der Dauermagnet I infolge der auftretenden Kräfte
je nach dem vor-- liegenden Fall nach oben oder unten, wie dies durch den Pfeil
13 angedeutet ist. Bewegt sich der Dauermagnet beispielsweise nach oben, so wird
infolge der inhomogenen Ausbildung des Magnetfeldes der in dessen Luftspalt befindliche
magnetfeldabhängige Halbleiterkörper 2 weniger induziert. Sein Widerstand nimmt
infolgedessen ab. Dadurch verstemmt sich die Brücke im entsprechenden Sinn, und
es ergibt sich ein bestimmter Ausschlag im Meßinstrument 11. Dieser stellt den gesuchten
Meßwert für die Beschleunigung dar. Bewegt sich daher der Dauermagnet nach unten,
so wird der Halbleiterkörper 2 einem stärkeren Magnetfluß ausgesetzt, da er jetzt
in eine engere Stelle des Luftspaltes zwischen den Polen N und S zu liegen kommt.
Der Widerstand wird größer, und die Brücke 6 verstimmt sich in ent-
gegengesetzter
Richtung. Es ergibt sich im Meßinstrument II ein Ausschlag in umgekehrter Richtung,
und die Größe des Ausschlages stellt wiederum einen Meßwert der vorliegenden Beschleunigung
dar. Um bei Beschleunigungsmessungen Schwingungen des Dauermagneten I zu vermeiden,
kann dieser durch. geeignete, an sich beliebige Mittel gedämpft werden, beispielsweise
mit Hilfe einer im wesentlichen aus einem Kolben und einem Zylinder bestehenden
Luftbremse. Die Bemessung der Bremse muß den vorliegenden Verhältnissen angepaßt
sein, so daß ausreichend genaue Meßwerte zustande kommen. An Stelle des Meßinstrumentes
II kann auch ein schreibendes oder aufzeichnendes Meßinstrument verwendet werden.
Im letzten Fall ergibt sich eine Meßkurve, die den Verlauf der Beschleunigung in
Abhängigkeit von der Zeit darstellt.
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Soll die Einrichtung nach Fig. I zur Schwingungsmessung verwendet
werden, so wird als Meßinstrument ein Frequenzmesser verwendet, beispielsweise ein
Zungenfrequenzmesser oder ein schreibendes Meßinstrument, das die Schwingungen in
Abhängigkeit von der Zeit aufzeichnet.
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In Fig. 2 ist eine ähnliche Einrichtung wie in Fig. I dargestellt,
jedoch wird an Stelle der dort vorliegenden Ausnutzung der Widerstandsänderung der
Halleffekt eines Halbleiterkörpers ausgenutzt. Dieser ist wieder mit 2 bezeichnet.
Die mechanische Anordnung ist im übrigen die gleiche wie bei der Einrichtung nach
Fig. I, und Einzelteile mit den gleichen Bezugszeichen entsprechen einander. Als
Magnetfeldanordnung ist hier jedoch beispielsweise ein Elektromagnet mit einem Kern
21 und einer Erregerwicklung 22 vorgesehen, die mit einer bei 24 und 25 anzuschließenden,
nicht näher dargestellten Stromquelle yerbunden werden kann. Der Halbleiterkörper
2 hat außer zwei Stromelddroden, die über einen einstellbaren Wider stand 23 an
eine Stromquelle 10 angeschlossen sind, zwei zu einem Meßinstrument II führende
Hallelektroden 26 und 27. Die Batterie 10 kann gegebenenfalls gleichzeitig die Stromquelle
sein, von der auch die Erregerwicklung 22 gespeist wird.
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Im Ruhezustand des Magneten 2I ergibt sich im Meßinstrument II ein
Ausschlag bestimmter Größe.
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Dieser wird vorteilhaft mit der Skalenmarke Null versehen. Er kann
im Bedarfsfall mit Hilfe des Widerstandes 23 jeweils wieder genau eingestellt werden,
wenn sich später einmal eine Abweichung ergeben sollte, beispielsweise bei Änderung
der die Spule 22 speisenden Spannung. Es wird bevorzugt, den Betriebsstrom für den
Halbleiterkörper 2 zu stabilisieren, falls als Stromquelle an Stelle der Batterie
10 ein Netzanschluß verwendet wird. Weist dann einmal die Spannung an den Klemmen
24 und 25 eine Abweichung auf, so kann diese so lange durch Verstellen des Widerstandes
23 ausgeglichen werden, so daß das Meßinstrument II im Ruhezustand genau wieder
auf der Nullmarke steht. In diesem Fall ist dann trotz des Abweichens der Spannung
an den Klemmen 24 und 25 Gewähr für eine einwandfreie Messung gegeben. Dies erklärt
sich durch die beim Halleffekt vorliegende Produktbildung gemäß der die Hallspannung
Uv proportional dem Produkt aus Betriebsstrom mal der Induktion des Halbleiterkörpers
ist.
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An Stelle des Meßinstrumentes II können, wie im Falle der Fig. I beschrieben,
ebenfalls andere Anzeige-oder Registrierinstrumente verwendet werden, gegebenenfalls
auch in Verbindung mit einem Verstärker.
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Fig. 3 zeigt eine Schaltungsvariante zu Fig. I in bezug auf die Ausführung
des elektrischen Teils. Die Meßwertentnahme erfolgt hier ebenfalls auf Grund der
magnetfeldabhängigen Leitfähigkeit eines Halbleiterkörpers 2. An Stelle der Brückenschaltung
in Fig. I ist hier ein mit dem Halbleiterkörper in Reihe geschalteter Stromtransformator
3I vorgesehen. Als elektrische Stromquelle dient eine Wechselstromquelle 32. Die
Sekundärwicklung 33 speist eine Ventilanordnung 34. Es schließt sich ein Verstärker
12 und ein Meßgerät II an. Die Ventilanordnung 34 und/oder der Verstärker 12 können
gegebenenfalls entfallen.
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Der besondere Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß sie eine
wesentlich höhere Leistungsentuahme ermöglicht.
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Die Einrichtung nach der Erfindung eignet sich vor allem zum Erfassen
kleiner, vor allem länger anhaltender Beschleunigungen oder Verzögerungen sowie
zum Erfassen von Schwingungen niedriger Frequenz.
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Sie kann außer in Aufzügen auch in horizontal bewegten Einrichtungen,
z. B. Schienenfahrzeugen u. dgl., verwendet werden.
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Ihre Anwendung ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
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Des weiteren ist die Erfindung nicht an die in der Zeichnung dargestellte
mechanische Ausführung und Anordnung gebunden. Diese ist vielmehr nur als Anhalt
zu werten. Wesentlich ist, daß zum Erfassen der mechanischen Schwingungen bzw. Beschleunigungen
eine Magnetfeldanordnung in Verbindung mit einem relativ dazu bewegten Halbleiterkörper,
insbesondere aus einem der obengenannten Stoffe, verwendet ist.