NO126401B - - Google Patents

Description

Elektromekanisk svingeranordning for måling

eller detektering av mekaniske forskyvninger.

Oppfinnelsen angår en elektromekanisk svingeranordning, omfattende et bevegelig folerelement, foringsanordninger for foring av folerelementet i en i hovedsaken rettlinjet bevegelse, og en elektrisk høyfrekvens-oscillator som inneholder en elektromagnetisk avstemt krets med en variabel kondensatorkomponent bestående av en forste kondensatorelektrode og.en forskyvbar, samarbeidende andre kondensatorelektrode som kan beveges sammen med folerelementet for å variere elektrodenes effektive overlappingsareal og dermed variere avstemningen av oscillatoren i overensstemmelse med folerelementets forskyvningsgrad, for dermed å variere frekvensen av oscillatorens utgangssignal i overensstemmelse med en forutbestemt funksjonssammenheng.

Det har tidligere vært foreslått svingeranordninger for måling av dimensjonsvariasjoner, i hvilke et bevegelig folerelement er anordnet for å forårsake relativ bevegelse mellom motstående elektroder i en folerkondensator, slik at enten direkte måling av endringer i kapasitet eller målinger av endringer i utgangssignalet fra en oscillatorkrets som styres av kondensatoren, kan utnyttes til å gi et mål på de avfolte dimensjonsvariasjoner.

Sådanne konstruksjoner og arrangementer av svingeranordninger som har vært foreslått tidligere, har imidlertid for flere formål ikke vært helt tilfredsstillende, særlig i de tilfeller hvor det kreves presisjonsmålinger av små endringer av forholdsvis store mekaniske forskyvninger, og når hoy presisjon må opprettholdes over et forholdsvis stort bevegelsesområde, videre der hvor det kreves et utgangssignal med en form som er egnet for behandling på forskjellige måter, og hvor det kreves en finkontroll av den noyaktige*form og grad av linearitet for inngangs-/utgangskarakteristikkene, som f.eks. når svingeren skal benyttes i forbindelse med presisjonsveieapparater. Det er således et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et svin-gerapparat for det foran nevnte formål og som har en forbedret konstruksjon og egenskaper som nedenfor angitt.

Den elektromekaniske svingeranordning ifolge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at en av kondensatorelektrodene er forsynt med en reguleringsanordning som kan påvirkes selektivt for å endre vedkommende elektrodes overflateprofil ved forskjellige stillinger innenfor et område med variabelt overlappingsforhold til den andre elektrode under forskyvning av folerelementet, idet reguleringsanordningen dermed tilveiebringer en fininnstilling av den nevnte funksjonssammenheng mellom endringen i frekvens for oscillatoren og folerelementets forskyvningsgrad over valgte partier av folerelementets effektive bevegelsesområde.

Anordningen ifolge oppfinnelsen kan benyttes for mange forskjellige formål, for eksempel i fjernregistrering av mekanisk bevegelse og styring av derav avhengige operasjoner, og en særlig nyttig anvendelse er i forbindelse med•veieanordninger eller -appara-ter for å muliggjbre overforing av informasjon angående forskyvninger av bevegelige belastningsfolsomme anordninger i disse, eksempelvis til en fjerntliggende belastningsindikator eller en automatisk styre-anordning.

Som eksempel skal forskjellige former og utforelser av en svingeranordning ifolge oppfinnelsen beskrives nærmere i det folgende under henvisning til tegningene, der fig. 1 er et lengdesnitt gjennom en forste utforelse av svingeranordningen, fig. 2 er et snitt liknende det på fig. 1, men av en modifisert konstruksjon, fig. 3 er et koplingsskjerna av en typisk elektrisk svingekrets for svingeranordningen, fig. 4 er et skjematisk bilde som viser en noe forskjellig form og utforelse av svingeranordningen, fig. 5 er et snitt etter linjen V - V på fig 4> og fig. 6 viser skjematisk anvendelsen av oppfinnelsen på et veieapparat.

Selv om det er vist og beskrevet forskjellige spesielle konstruksjoner av svingeranordninger, kan naturligvis en konstruksjon av en svinger ifolge oppfinnelsen inneholde en kombinasjon av hvilke som helst av de spesielle egenskaper som er tilstede ved disse spesielle utforelser.

Svingeranordningen ifolge fig. 1 inneholder et rorformet legeme 10 i ett stykke og med sylindrisk form, i hvilket det er koaksialt anordnet en induktansspole-enhet 11 og et sentralt, glidbart kolbestempel 12 som ved sin indre ende bærer en i hovedsaken sylindrisk metallklump 14.

Legemet 10 er dannet av et messingror og partiet 15 har en forholdsvis tykk vegg og et noyaktig maskinert sylindrisk hull 16.

Det tilgrensende parti 18 har redusert ytre diameter og er utfort med en stor spalte eller åpning i en gjennomhullet del 19.

En mindre spalte eller åpning 20 er også dannet i det område som gren-ser til spoleenheten 11 som inneholder en hylse 22, bestående av sammenpresset jernstov og som har en ringformet utsparing hvor induktans-spolens viklinger 23 er anbrakt. Hylsens 22 indre ende ligger an mot legemets endedeksel 27. Forskjellige anordninger er naturligvis til-gjengelige for å danne de ytre elektriske forbindelser.

Den motsatte ende av legemet 10 er også utstyrt med et endedeksel 28.

Ved denne utforelse består stempelforingsdelen 24 av to deler, en ytre skive 30 som er anbrakt mot en grunn eller smal indre ansats 31 i legemet, og en indre, sentral flenshylse 32. Skiven 30

er fortrinnsvis sammensatt av sammenpresset og sintret kiselholdig, isolerende materiale, for eksempel det materiale som selges under det registrerte varemerke "Arclex", og hylsen 32 består fortrinnsvis av plastmateriale med liten friksjon, såsom polytetrafluorethylen (P.T.F.E.), og utgjor et lager for understøttelse og foring av kolbestempelet 12.

Kolbestempelet 12 bygges passende opp av tre aksialt inn-

rettede, sylindriske deler, en sylindrisk, isolerende senterdel 35,

en kort, ytre endedel 36 og en forlenget, ledende indre endedel 37-

Senterdelen 35 består videre fortrinnsvis av sintret, kiselholdig, isolerende materiale, såsom det foran nevnte "Arclex"r materiale, som bearbeides noyaktig for å danne en rett sylinder med en noyaktig glidepasning i stempelledehylsen 32, og endepartiene 36 og 37 maskinbearbeides av messing og forbindes med senterdelen 35 ved hjelp av aksiale tapper som festes i hull i sistnevntes ender.

Den stort sett sylindriske metallklump 14 er montert på et parti med redusert diameter på stempelets indre endedel 37 °9 består av en messingsylinder som ved sin ytre ende har en fordypning 40 , og som ved sin indre ende er forsynt med en foringsdel 4l. Denne holdes på plass på kolbestempelet ved hjelp av en festemutter 42.

Foringsdelen 4l består av en indre ringformet skive 44 som også består av det nevnte "Arclex"-isolasjonsmateriale, og en ytre koaksial, ringformet hylse 45 som holdes på plass ved hjelp av koniske overflater. Hylsen 45 er fremstilt av lavfriksjons polytetrafluorethylen og dens ytre omkrets ligger noe utenfor omkretsen av metallklumpens 14 hovedlegeme, slik at den danner hele den lager- og kontaktflate som ligger an mot den sylindriske overflate av hullet 16 i legemsdelen 15 og sikrer elektrisk isolasjon mellom sistnevnte og metallklumpen.

Elektrisk forbindelse med metallklumpen 14 skaffes over hele dens aksiale bevegelsesområde ved hjelp av en fjærende, åpen spole 39 av berylliumkoppertråd, idet spolens ene ende er festet til metallklumplegemet i fordypningen 40, mens den andre ende 43 avslutter en elastisk leder for forbindelse med induktansspoleviklingene 23 og med den tilhorende' svingekrets.

Ved utfore Isen ifolge fig. 1 er den ytterste ende av kolbestempelets ledende indre endedel 37 som ligger i området for den gjennomhullede del 19, utstyrt med en skovl 50 som er dannet av en skive av isolasjonsmaterialet "Arclex", langs hvis omkrets det er anbrakt et delvis ringformet metallsegment eller ledende hinne 51 som ligger like overfor den ytre sylinders åpning 19. En rekke trådringer 54 er imidlertid anordnet på det ytre legemsparti 18, ved hjelp av hvilke åpningen 19 selektivt kan delvis lukkes eller tildekkes. Ved å bevege ringene 54 kan fordelingen av det elektrostatiske felt kontrol-leres, og kapasiteten kan således endres ved forskjellige punkter over hele forskyvningsområdet for stempelet, slik at det oppnås en noyaktig

kontroll av svingerens linearitetsegenskaper.

Fig. 3 viser en typisk utforelse av den elektroniske krets som er knyttet til anordningen, og som inneholder en hoystabi-litetsoscillator som fortrinnsvis arbeider i MHz-området og inneholder en avstemt krets, bestående av en variabel kondensator C og en induktivitet L som representerer henholdsvis den sylindriske kondensator som dannes av legemsdelen 15 og metallklumpen 14, og induktansspoleviklingene 23 i svingeren. Komponentene i oscillatorkfetsen er alle passende samlet på en monteringsplate (ikke-vist) eller liknende som er festet direkte til det ytre av svingerlegemet 10, og utgangssignalet mates over en skjermet kabel 60 og forsterkeren TA til en fjerntliggende teller-, registrerings-, indikatorenhet eller liknende, vist ved 62, som reagerer på frekvensen av det overforte signal.

Den viste krets inneholder også anordninger for overforing av den nodvendige energi til oscillatoren over den samme kabel 60 som forer utgangssignalet. Kabelen 60 kan ha middels lengde, i overensstemmelse med alminnelig anerkjent praksis.

Det vil innses at frekvensen fra oscillatoren og for det overforte signal i utgangsledningen 60 styres ved avstemning av svingerens sylindriske kondensator C. som er avhengig av og bestemmes ved innstillingen av metallklumpen 14 og kolbestempelet 12. Ved bruk forbindes kolbestempelet over sin endedel 36 med det element for hvilket det er onskelig å måle graden av lineær forskyvning i retning av stempelets akse, og det kan anordnes slik at like stor okning eller minskning av forskyvningsbevegelsen frembringer like stor okning eller minskning i frekvensen, slik at svingeren har en lineær gjengivelses - karakteristikk. Som tidligere nevnt kan imidlertid karakteristikken modifiseres dersom det er onskelig, ved innstilling av trådringene 54 eller andre kontrollanordninger for å skaffe en styrt grad av asymme-tri i den sylindriske kondensators elektrostatiske felt.

I stedet for skovl-arrangementet kan det for modifikasjon og styring av lineariteten i gjengivelseskarakteristikken tilveie-bringes en rekke gjengede, radiale hull i et parti av den sylindriske kondensators ytre elektrode, i hvilke det innsettes et valgt antall stillbare metallskruer.

Dette er vist i den modifiserte konstruksjon ifolge fig. 2, hvor det er benyttet like henvisningstall med en indeks _a for å angi like deler. I stedet for åpningen 19 er således det ytre sylindriske legemsparti l8a utfort med en rekke gjengede, radiale hull 70 med skruer 71, og skovlen 50 er erstattet av en liten metallskive 72. Styringen av kapasitetsendringen og gjengivelseskaråkteristikken

skjer da ved selektiv inn- eller utskruing av skruene 71.

Andre modifikasjoner som er vist i fig. 2, utgjbres av

at stempelets 12a sentrale del 35a er forsynt med en mellomseksjon 75) bestående av sammenpresset jernstov, og jernstov inngår også i hylsedelen 22a, slik at forskyvning av stempelet vil forårsake endringer av induktiviteten såvel som av kapasiteten. Metallklumpen l4a er også modifisert idet den er forsynt med parallelle strimler eller staver 77 av P.T.F.E. som er anbrakt i langsgående spor i metalllege-mets omkretsoverflate som ligger an mot hullets 16a sylindriske overflate, i stedet for å benytte den ringformede P.T.F.E.-hylse ifolge den forste utforelse.

Ved andre modifikasjoner for å skaffe lageroverflate for foring og isolasjon av metallklumplegemet i det sylindriske hull, kan videre en rekke adskilte og noe utstikkende radiale foringspinner eller "korn", igjen bestående av P.T.F.E., være anordnet rundt sylin-deromkretsen, enten i hullet eller på metallégemet. I begge tilfelle blir P.T.F.E.-foringene omhyggelig maskinert eller opprettet, slik at deres overflater begrenser eller danner en del av en rett sylindrisk lager- eller foringsoverflate.

Ved den ytterligere utforelse som er vist skjematisk på fig. 4 og 5> inneholder svingeranordningen en parallellplatekondensa-tor 90 med to stillestående parallelle elektroder 91> 91, mellom hvilke en senterplateelektrode 93 er lost montert og ledes for paral-lell, rettlinjet bevegelse. Som antydet bæres den bevegelige elektrode 93 av en fjærende montering, bestående av to parallellbevegelse-blad-fjærer 95, 95 som ved sine indre ender er festet til en stiv under-stbttelsesramme 96.

Elektroden 93 er forbundet med bladfjærenes 95, 95 ytre ender ved hjelp av et passende isolasjonsmateriale og en forbindelses-stav 97, hvis ovre ende 97a kan være utragende og tilpasset for å kop-les til den del hvis forskyvning skal måles. I tilfelle av benyttelse på veieapparater kan imidlertid bladfjærene 95, 95 direkte danne den belastningsutbalanserende komponent, slik at delen 97a er tilpasset til å oppta den belastning apparatet utsettes for. I alle tilfelle danner staven 97 og elektroden 93 effektivt svingerens mekaniske detektor-eller folerelement, ekvivalent med kolbestempelet 37 og metallklumpen 14 ved den forste utforelse.

Elektroden 93 er også forbundet med en induktansspole 94 for å danne den nodvendige avstemte krets for den elektriske oscillator, og det er også anordnet passende elektrisk skjerming som antydet ved linjen 98. En anordning for innstilling eller kontroll av lineariteten av svingerens frekvensendring/forskyvnings-karakteri-stikk kan også finnes, hvilken kan være av samme type som den som er benyttet ved utforelsen ifolge fig. 2, bestående av et sett adskilte skruer 101 i et stillestående ledende element 102 som er forbundet med elektrodene 91, idet skruene 101 er individuelt innstillbare for selektiv variasjon av disses stilling, og av det elektrostatiske felt, i forhold til bevegelsesbanen for en utragende vinge 104 som bæres av den bevegelige elektrode 93.

Ved den siste utforelse behover det ikke virke noen frik-sjonshemninger på det bevegelige mekaniske detektor- eller fblerelement, men også ved den forste utforelse kan sådanne friksjonshem-ninger som folge av kontakt mellom lagerflater, holdes på en meget liten verdi slik at anordningen ikke forårsaker noen merkbar belastning på det apparat eller mekanisme som den forbindes med.

Det faktum at informasjon angående forskyvningsgraden presenteres i form av en elektrisk frekvens på utgangen av svingeren, har den fordel at informasjon lett kan overfores over betraktelige avstander uten å utsettes for feil på grunn av tap i det overforte signal, hvilket har tendens til å opptre ved amplitudemodulerte sys-temer .

Svingeranordningen og dens tilhorende krets kan således mate sitt utgangssignal over en overforingslinje av ubegrenset lengde og uten nærmere bestemte karakteristiske egenskaper, uten tap av nøy-aktighet angående den overforte informasjon. Utgangssignalet kan mates direkte til et tidtaker-telleverk av standardtype som på digi-tal form viser informasjon angående forskyvningsgraden, eller tidtaker-telleverket kan mate en skrivemaskin eller liknende som sorger for en permanent registrering av informasjonen.

Ved en annen fordelaktig metode ved forskyvningsmålinger kan svingerutgangssignalet fores til inngangen av en radiomottaker med en innstillingsskala som er kalibrert direkte i lengdeenheter eller tilsvarende, eller til et dip-meter eller en liknende anordning som er anordnet for å vise resonansinnstillingen eller "avstemnings - punktet". Utgangssignalet kan også mates til en avstemt krets med variabel båndbredde, slik at grov- og finmålinger kan foretas i overensstemmelse med båndbreddeinnstillingen.

For å angi informasjon angående forskyvningsgraden ut-trykt ved en spenningsamplitude, kan svingerens utgangssignal mates til en diskriminator av vanlig type som gir et spenningsutgangssig-nal som er proporsjonalt med inngangsfrekvensen.

For radiooverfbring av informasjonen kan svingerutgangssignalet selvsagt mates direkte til modulasjonstrinnet i en standard VHF-sender som brukes sammen med en VHF-mottaker.

Generelt kan svingerutgangssignalet mates til enhver egnet type av frekvensmålende eller frekvensindikerende anordning. Ved en annen metode for å skaffe f.eks. en visuell fremvisning, kan utgangssignalet mates til og styres av en kalibrert avsokningsoscillator i et oscilloskop, for å frembringe et blip eller lyspunkt som vil bevege seg over rorets akse som kan være kalibrert direkte i vekt- eller lengdeenheter (eller rundt en sirkel dersom en sirkulær ti&sbasis benyttes). Dersom det videre er onskelig å fastlegge det stadium hvor en spesiell forskyvningsgrad opptrer, kan svingerutgangssignalet mates til en frekvensselektiv detektor, eller alternativt til inngangen av en frekvensomformer med en annen inngang fra en annen kalibrert oscillator .

Flere andre arrangementer for bruk av anordningen er imidlertid mulige, og det vil innses at de foran nevnte arrangementer bare er gitt som eksempler.

Til slutt skal bemerkes at ytterligere fordeler som kan oppnås ved de foran beskrevne svingeranordninger, omfatter frihet fra utmatning, liten treghet, meget små hysteresetap og hoy stabilitet som i hovedsaken er uavhengig av de tillatte variasjoner i tilforsels-spenningen. Og som tidligere nevnt er anordningen godt egnet for benyttelse ved mange typer av veieapparater for måling av forskyvningen av bevegelige, belastningsfolsomme elementer for å skaffe vektmåle-indikasjoner. Dette er vist skjematisk på fig. 6, hvor W representerer et veieapparat med en belastningsplattform 1 og balanseringsfjærer s; T representerer svingeranordningen med oscillatorkrets som er forbundet over utgangsledninger 6l' med en fjerntliggende teller eller fre-kvensmåler med tilhorende belastningsindikatorenhet 62'. På liknende måte kan anordningen også benyttes effektivt sammen med andre apparat-typer og verktøymaskiner, særlig i forbindelse med automatsystemer.

Claims (7)

1. Elektromekanisk svingeranordning, omfattende et bevegelig fblerelement (12; 12a; 97), fbringsanordninger (16, 45; 16a, 77; 95, 96) for foring av folerelementet i en i hovedsaken rettlinjet bevegelse, og en elektrisk hoyfrekvens-oscillator som inneholder en elektromagnetisk avstemt krets (Ct, ) med en variabel kondensatorkomponent (Ct) bestående av en forste kondensatorelektrode (15, 18; 15a, l8a; 91, 102) og en forskyvbar, samarbeidende andre kondensatorelektrode (l4, 50, 51; 14a, 72; 93, ,104) som kan beveges sammen med fbler-elementet for å variere elektrodenes effektive overlappingsareal og dermed variere avstemningen av oscillatoren i overensstemmelse med folerelementets forskyvningsgrad, for dermed å variere frekvensen av oscillatorens utgangssignal i overensstemmelse med en forutbestemt funksjonssammenheng, karakterisert ved at en av kondensatorelektrodene (15, 18; 15a, l8a; 91, 102) er forsynt med en regu-ler ingsanordning (54; 71; 101) som kan påvirkes selektivt for å endre vedkommende elektrodes overflateprofil ved forskjellige stillinger innenfor et område med variabelt overlappingsforhold til den andre elektrode (14, 50, 51; l4a, 72; 93, 104) under forskyvning av folerelementet .(12, 12a; 97), idet reguleringsanordningen (54; 715 101) dermed tilveiebringer en fininnstilling av den nevnte funksjonssammenheng mellom endringen i frekvens for oscillatoren (C^, L^) og folerelementets (12;"12a; 97) forskyvningsgrad over valgte partier av folerelementets effektive bevegelsesområde.

2. Elektromekanisk svingeranordning ifolge krav 1, karakterisert ved at den forste kondensatorelektrode omfatter en forste del (15; 15a) og en aksialt adskilt andre del (18; l8a) av et rbrformet metallhus (10; 10a) og at den andre kondenstorelektrode omfatter en forste del (14; 14a) og en aksialt adskilt andre del (50,

51; 72) av folerelementet (12; 12a) som er i form av et aksialt bevegelig kolbestempel som er glidbart montert i huset (10; 10a).

3. Elektromekanisk svingeranordning ifolge krav 2, karakterisert ved at den forste del (14; l4a) av folerelementets stempel (12; 12a) består av et i hovedsaken sylindrisk legeme av elektrisk ledende materiale og minst én foringsdel (41; 77) som består av lavfriksjons, isolerende plastmateriale som gir en radialt fremspringende bæreflate med forholdsvis lite areal i kontakt med et sylindrisk hull (16; l6a) gjennom den forste del (15; 15a) av huset (10; 10a) '.

4. Elektromekanisk svingeranordning ifolge krav 2 eller 3, karakterisert ved at den andre del (18) av huset (10) har en gjennomhullet del (19) og er utstyrt med et antall aksialt adskilte, bevegelige og elektrisk ledende segmenter (54) som utgjor den nevnte reguleringsanordning, og som er individuelt forskyvbare, slik at de strekker seg i en valgt grad over den gjennomhullede del (19) av den andre del (18), for derved å endre dennes effektive profil i aksial retning.

5. Elektromekanisk svingeranordning ifolge krav 4» karakterisert ved at de elektrisk ledende segmenter (54) er i form av en rekke oppsplittede trådringer som er roterbart montert på husets (10) tilstotende andre del (18), slik at de kan vinkelforskyves for selektivt å delvis lukke den gjennomhullede del (19), og at kolbestempelets (12) andre del består av en radial skovl (50) med et forholdsvis lite elektrisk ledende overflateareal (51) som er anordnet overfor den gjennomhullede del (19) over hele stempelets (12) bevegelsesområde.

6. Elektromekanisk svingeranordning ifolge krav 2 eller 3, karakterisert ved at husets (10a) andre del (l8a) har et sett aksialt adskilte, elektrisk ledende skrueelementer (71) som utgjor den nevnte reguleringsanordning og som strekker seg radialt inn i huset i en retning på tvers av den aksiale bevegelsesbane for stempelets (12a) andre del (50, 51), idet skrueelementene (71) er individuelt innstillbare for variasjon av den effektive indre overflateprofil av husets andre del (l8a).

7. Elektromekanisk svingeranordning ifolge et eller flere av kravene 2-6, karakterisert ved at en induktiv hovedkomponent (L^) i oscillatorens avstemte krets består av et selv-stendig mont asjeelement (11; lia) som er anordnet i det rorformede metallhus (10) og består av en induktiv spole (23; 23a) som er anbrakt koaksialt i forhold til stempelet (12; 12a), og en magnetisk skjerm-hylse (22; 22a) som omgir spolen.