DE1276950B - Messeinrichtung fuer extrem kleine Beschleunigungen und Eichvorrichtung hierfuer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES MjfWt PATENTAMT Int. α.:

AUSLEGESCHRIFT

GOIp

Deutsche Kl.: 42 ο-17

Nummer: 1276 950

Aktenzeichen: P 12 76 950.5-52 (011547)

Anmeldetag: 30. März 1966

Auslegetag: 5. September 1968

Die Erfindung bezieht sich auf Meßeinrichtungen für extrem kleine Beschleunigungen und schafft einen Beschleunigungsmesser für Beschleunigungen in der Größenordnung von 10~⁸ bis 10~⁹ g, wie sie der Strahlungsdruck der Sonne auf Satelliten ausübt.

Im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf einen Beschleunigungsmesser zur Bestimmung extrem kleiner Beschleunigungen in Richtung der drei Achsen eines orthogonalen Koordinatensystems mit einer in einem Käfig angeordneten metallischen oder metallisierten Kugel, deren Lage durch den drei Achsen des Koordinatensystems mit dem Kugelmittelpunkt als Ursprung zugeordnete Differentialkondensatoren erfaßt und durch zwischen diesen und der Kugeloberfiäche wirksame elektrostatische Kräfte eingestellt wird. Die Differentialkondensatoren sind an drei Verstärker angeschlossen, die einzeln die von den Positionsgebern gelieferten Signale verstärken und auf die Positionierungskreise geben und ein Meßinstrument speisen.

Es sind Kugel-Beschleunigungsmesser bekannt, bei denen die Positionserfassungsmittel auf elektrostatischem oder magnetischem Prinzip beruhen und die Positionierungsmittel magnetisch oder hydraulisch arbeiten. Im Falle der oben verlangten extrem hohen Empfindlichkeiten ist es jedoch unmöglich, Kugeln aus magnetischem Werkstoff einzusetzen, die auf das Erdmagnetfeld ansprechen. Auch kann man die Kugel nicht mit einem biegsamen Verbindungsdraht mit dem Käfig verbinden, um ihr Potential festzulegen; die Kugel muß in ihrem Käfig vollkommen frei schweben können.

Ein weiterer bekannter Beschleunigungsmesser besitzt eine in einem Käfig angeordnete metallische oder metallisierte Kugel, die, wenn auch nur leicht, durch sehr dünne federnde Zuleitungen gefesselt ist. Ihre Lage wird durch den drei Achsen eines Koordinatensystems mit dem Kugelmittelpunkt als Ursprung zugeordnete Differentialkondensatoren erfaßt und durch zwischen diesen und der Kugeloberfläche wirksame elektrostatische Kräfte eingestellt, welche an drei Verstärker angeschlossen sind, die einzeln die von den Positionsgebern gelieferten Signale verstärken und auf die Positionierungskreise geben und ein Meßinstrument speisen (deutsche Auslegeschrift 1 062 965). Hierbei werden Positionsgeber (Fühler) und Positionierungskreis (Stellglied) durch ein und denselben Differenitalk'ondensator gebildet, der als Kapazitätsmesser (Fühler) mit einer Hochfrequenzspannung und als Positionierungsmittel mit einer Gleichspannung beaufschlagt wird; dadurch soll eine Rückkopplung zwischen Ein- und Ausgang Meßeinrichtung für extrem kleine
Beschleunigungen und Eichvorrichtung hierfür

Anmelder:

Office National d'Etudes et de Recherches

Aerospatiales, Chatillon-sous-Bagneux

(Frankreich)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Schliebs, Patentanwalt,

6100 Darmstadt, Ludwig-Büchner-Str. 14

Als Erfinder benannt:

Pierre Contensou, Paris;

Michel Delattre, Vincennes;

Michel Gay, Villeneuve-Saint-Georges

(Frankreich)

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 30. März 1965 (11246),
vom 17. März 1966 (53 929) .

des Regelkreises vermieden werden. Tatsächlich bleibt aber eine galvanische Kopplung bestehen, und eine Wobbelung des Gleichpotentials der Kugel mit der Frequenz der Positionierungsspannung ist nicht zu vermeiden, die eine Schwankung der elektrostatischen Kräfte mit der doppelten Frequenz zur Folge hat.

Die Erfindung vermeidet diese Einflüsse, die sich sehr nachteilig auf die Eichung, Symmetrie und Stabilität des Meßgerätes auswirken, durch eine klare Trennung der Elektroden für Fühler und Stellglied und eine Einbeziehung des die Kugel umgebenden Käfigs, der ebenfalls als Kugel ausgeführt wird und mit dieser und den Elektroden für Fühler und Stellglied einen Kondensator großer Kapazität bildet, in dem die Kugel auf freiem Potential liegt und auch mechanisch völlig frei ist.

Erfindungsgemäß hat der Käfig die Form einer Hohlkugel von einem gegenüber der Kugel wenig größeren Durchmesser und trägt an den Durchstoßpunkten der drei Achsen des Bezugssystems, je eine kartenförmige Polelektrode und konzentrisch dazu eine kugelringförmige Ringpolelektrode, die voneinander und von der übrigen Käfigwand isoliert sind und mit dieser und der auf freiem Potential

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liegenden Kugel die Differentialkondensatoren für Positionsgeber bzw. Positionierungskreis bilden. Zwölf derartige Elektroden sind vorhanden. Die an den Polen befindlichen Polelektroden sind Kugelpositionsgeberelektroden, und die die Pole umgebenden Ringpolelektroden sind Kugelpositionierungselektroden. Die Polelektroden werden von einer Wechselstromquelle gespeist und bilden mit der Kugel, wenn 'diese sich unter der Einwirkung von Beschleu-

Für R = 20 mm und e = 5
chung(2):

10 ² mm ergibt Glei-

C₂ = 9pF.

Ein solcher Wert von C₁ wird für r = 3,6 mm erreicht.

Man erkennt also, daß eine Kalotte mit einer Grundfläche von einigen Millimetern eine ebene nigungskräften bewegt, einen veränderlichen Kon- _I0 Elektrode ersetzt, deren Abmessungen groß gegendensator, dessen Kapazität von der Lage der Kugel über der Kugel sind. im Käfig abhängt. Wenn die Kugel sich frei im Käfig
befindet, ist ihr Potential kapazitiv über einen Kon

densator festgelegt, der an ihre eigene Oberfläche

Der erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser weist eine Empfindlichkeitsschwelle in der Größenordnung von 10" g auf und ist für Beschleunigungsmessungen

und durch die nicht von den Pol- und Ringpolelek- _i5 in der Nähe der Schwerelosigkeit und zur Unter-

troden besetzte Käfigoberfläche (diese Käfigober- bringung in Raumfahrzeugen vorgesehen.

fläche wird als Potentialbezugsfläche genommen) In einem erdgebundenen Laboratorium ist der

angeschlossen ist. Die Kapazität dieses Konden- Beschleunigungsmesser dem Schwerefeld unterworfen.

sators ist relativ hoch und seine Impedanz folglich Der Meßbereich des Beschleunigungsmessers müßte

klein. Die zwischen zwei sich diametral gegenüber- ₂o also von g bis 10~⁹# gehen, d. h., er müßte das 10⁹fache liegenden Polelektroden abgegriffenen Signale werden
in einem Vorverstärker, dem ein Detektor und diesem
über ein Korrekturnetzwerk ein Differentialverstärker

nachgeschaltet ist, verstärkt und' in geeignetem Sinne

verwirklichen.

Die Eichung des Beschleunigungsmessers erfolgt· deshalb in einer dem freien Fall überlassenen Kapsel,

Bestandteile seiner kugelförmigen Oberfläche, und zwar als Kalotte (Kugelsegment mit einer Seitenfläche) oder als Ring (Kugelsegment mit zwei Seiten-

der Empfindlichkeitsschwelle betragen, seine Nullpunktstabilität müßte das 10~⁹fache des Meßbereiches betragen, und man müßte auf ihn genau bekannte Beschleunigungen im Bereich von g bis 10"⁹gf auf-

auf die beiden zu den Polelektroden konzentrischen 25 bringen können. Diese drei Bedingungen sind beim Ringpolelektroden gegeben. So bildet man ein Drei- gegenwärtigen Stand der Technik sehr schwer zu komponenten-Steuerungssystem zur Lagestabilisierung der Kugel. Die auf die drei Ringpolelektrodenpaare gegebenen Signale werden von einem in Beschleunigungswerten geeichten Meßinstrument ge- 30 und zwar bevorzugt in einer unter Vakuum stehenden messen, das die entsprechenden, auf die Kugel wirken- Säule. Auf diese Weise wird ein Zustand der Schwereden Beschleunigungskomponenten liefert. Vorteilhaft losigkeit simuliert, und diese Simulation ist um so werden die drei Polelektrodenpaare durch Genera- besser, je höher das Vakuum in der Säule ist, denn die toren unterschiedlicher Frequenz gespeist, um Kopp- Reibung der Restluft an der Kapsel erzeugt eine lungen zwischen den drei Achsen zu vermeiden. 35 Verzögerung, welche die Simulationsgenauigkeit be-Wie geschildert, bilden die festen Käfigelektroden einträchtigt. Zur Simulation einer Schwerelosigkeit

in der Größenordnung von 10~⁹ g ist die Erzeugung eines Vakuums von etwa 10~⁵ Torr erforderlich. Die Simulationszeit hängt von der Höhe der Säule ab.

flächen). Die dabei erhaltenen Kapazitäten sind für 40 Eine Vakuumsäule von etwa 40 m Höhe ergibt eine kleine Kalottenradien oder für kleine Ringaußen- Simulationszeit von 2,8 Sekunden. radien größer als die Kapazitäten zwischen der Die Eichzeit zerfällt in zwei Teile. Zwischen der

Kugel und einer ebenen Gegenelektrode, selbst wenn Anfangszeit t₀ und einem Zeitpunkt t_y bringt man diese ebene Gegenelektrode unendlich groß wäre. den Beschleunigungsmesser in den Arbeitszustand Wenn R der Kugelradius ist, e der Abstand zwi- 45 innerhalb seines Meßbereiches, d. h., die anfänglich sehen Kugel und Käfig, h die Kalottenhöhe und r der im Käfig in Anschlag liegende Kugel wird in den

Raum gebracht, in dem sie der Einwirkung der elektrostatischen Positionierungsvorrichtung unterliegt. Zwischen dem Zeitpunkt f_t und der Eichschlußzeit T bringt man auf die Kapsel und den in ihr enthaltenen Beschleunigungsmesser eine Beschleunigung bekannter Größe auf, die auf einen mit dem Meßbereich verträglichen Wert begrenzt ist.

Genauer gesagt unterliegt der Beschleunigungs-55 messer zur Zeit t₀ — f unmittelbar vor dem Ausklinkzeitpunkt der Kapsel der Beschleunigung g, und zur Zeit i₀ + e unmittelbar nach dem Ausklinkzeitpunkt unterliegt er einer Restbeschleunigung, die kleiner als 10~⁹ g ist. Zur Zeit i₀ — <·· ist die Kugel 60 infolge ihres Eigengewichtes verformt und wird vom Käfig getragen. In der Zeit 2e wird diese Beanspruchung aufgehoben, und die Kugel bekommt gegenüber dem Käfig eine Aufwärtsgeschwindigkeit. Zur Durchführung der Eichung muß die Kugel innerhalb 65 einer Zeit (i_x — i₀), die nur ein Bruchteil der Zeit des freien Falles (T — i₀) ist, in den Meßbereich (Raum, in dem die Positionierungssteuerung wirksam R ^v"' ist) hineingeführt werden und ihre kinetische Rest-

Gründflächenr^dius der Kugelkalotte, dann beträgt die Kapazität zwischen der Kugel und der Kugelkalotte: ·

Hierin ist ε₀ die Dielektrizitätskonstante im Vakuum oder allgemeiner die Dielektrizitätskonstante des Raumes zwischen Käfig und Kugel.

Die Kapazität zwischen der Kugel und einer unendlich großen Ebene mit dem Abstand e zur Kugel (s. S. S η ο w »Formulas for Computing Capacitance and Inductance«, National Bureau of Standards, Circular 544, 1944) beträgt:

C₂ = 2 · S₀ ]/e(e + 2R)

S=OO 1

^S=I sin/i-

Hierin ist:

γ = 2 log

(T)

energie kleiner als die Energie sein, die die Positionierungskräfte an der Meßbereichsgrenze auf die Kugel aufbringen können. Diese Bedingung wird »Vorpositionierungsbedingung« genannt. Während des Zeitintervalls (T — T₁) übt man auf die den Beschleunigungsmesser tragende Kapsel eine bestimmte Beschleunigung aus, woraus für den Beschleunigungsmesser eine in seinem Meßbereich liegende Beschleunigung resultiert.

Die Vorpositionierungsbedingung der Kugel wird mit Hilfe einer Eichvorrichtung erreicht, die sie im Ruhezustand auf dem Boden des Käfigs in den Schwebezustand innerhalb des Käfigs vorpositioniert und sie dann in den Achsrichtungen des Bezugskoordinatensystems des Käfigs wirkenden Beschleunigungen unterwirft.

Zur Vorpositionierung der Kugel wird an jede der Ringpolelektroden durch einen von einem Programmgeber gesteuerten Mehrstellungsschalter an Stelle des jeweiligen Differentialverstärkers ein von einer Gleichspannungsquelle aufzuladender und über einen Widerstand zu entladender Kondensator angeschaltet. Durch Entladen der Kondensatoren über ihre zugehörigen Widerstände erzeugt man so in dem von der Positionierungseinrichtung gebildeten richtungsabhängigen Kondensator eine elektrostatische Kraft, die proportional zum Quadrat der Entladungsspannung ist und sich mit ihr vermindert. Die eingebrachte Energie kann durch Wahl der Kondensatorkapazitäten eingestellt werden und die Anfangsspannung des Kondensators und die Geschwindigkeit der Kraftabnahme als Funktion der Zeit durch Widerstandsänderungen. In der senkrechten Richtung hat diese elektrostatische Kraft die Richtung der Schwerkraft. Nachdem die Kugel in Meßstellung gebracht wurde, erzeugt man eine Beschleunigung in festgelegter Höhe.

Hierzu sind erfindungsgemäß mit dem Käfig in den Achsrichtungen seines Bezugskoordinatensystems wirkende elektromagnetische Schwinger gekoppelt, die dem Beschleunigungsmesser wahlweise eine geradlinige oder kreisförmige Bewegung erteilen. Durch geeignete Festlegung der Masse und ihrer Bewegung kann man auf den Beschleunigungsmesser eine Beschleunigung in bekannter Höhe aufbringen.

Entsprechend einem weiteren Kennzeichen der Erfindung sind für jeden der drei Meß- und Stellkreise mehrere Verstärker mit unterschiedlichen und abgestuften Verstärkungsfaktoren und ein Meßgerät vorgesehen, das über einen Programmgeber und einen von diesem gesteuerten Umschalter jeweils einen der Verstärker in seinen Kreis einschaltet. Mit anderen Worten, wenn das Gerät am Ende eines Meßbereiches angelangt ist, gibt es ein Signal ab, das die Einschaltung des Verstärkers mit dem nächstgrößeren Verstärkungsfaktor in den Kreis bewirkt. Auf diese Art kann man den Meßbereich in mehrere jeweils einem Verstärker zugeordnete Teilbereiche aufteilen. Bezüglich der Verstärkung ist man nur durch die Uberschlagspannung zwischen Kugel und Käfig im Vakuum begrenzt.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung im einzelnen besprochen. In dieser zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Beschleunigungsmessers, und zwar im Schnitt längs einer Ebene, die durch den gemeinsamen Mittelpunkt der Kugel und des kugelförmigen Käfigs sowie durch die Mitten zweier gegenüberliegender Flächen seiner kubischen Außenfläche verläuft,

Fig. 2a, 2b, 2c in auseinandergezogener Darstellung den Käfig, teilweise im Schnitt, zwei als Elektrodenträger dienende Einsätze und die Kugel, F i g. 3 den Beschleunigungsmesser in Stirnansicht, F i g. 4 einen Elektrodenträger im Schnitt,

F i g. 5 die Kugel im Schnitt,

F i g. 6 das Blockschaltbild des elektrischen Teils des Beschleunigungsmessers mit den Mitteln zur Positionserfassung und zur Positionierung der Kugel,

F i g. 7 in einer Kurve die Veränderung des kapazitiven Abstandes von Kugel und Käfig im Verlauf eines freien Falls,

F i g. 8 eine zweite Ausführungsform des Beschleunigungsmessers in perspektivischer Gesamtansicht,

F i g. 9 den offenen Käfig und die im Käfiginneren befindliche Kugel in perspektivischer Darstellung,

F i g. 10 im Schnitt einen Elektrodenträger mit der Positionsgeberelektrode und der Positionierungselektrode,

F i g. 11 in perspektivischer Darstellung ein Gehäuse, das ein mit der Positionsgeberelektrode verbundenen Vorverstärker enthält,
F i g. 12 die Steuerschaltung für die senkrechte Richtung mit einem K-C-Kreis zur Vorpositionierung der Kugel,

Fig. 13 die Steuerschaltung für die senkrechte Richtung mit drei Verstärkern,

F i g. 14 die zur Eichung bestimmte bewegliche Masse,

F i g. 15 die Anordnung der Generatoren für Beschleunigungen bekannter Höhe.

In Fig. 1, 2a, 2b, 2c, 3 und 4 bezeichnet 1 eine leichte Kugel, die poliert und mit sehr hoher Genauigkeit hergestellt ist (die Eigenschaften einer typischen Kugel werden weiter unten angegeben). Ein außen vvüffelförmiger und innen mindestens teilweise kugelförmiger Käfig 2 umgibt die Kugel. Theoretisch müßte der Käfig ein Volumen haben, das zwischen einem äußeren Würfel und einer inneren konzentrischen Kugel eingeschlossen ist. Aus Herstellungsgründen und um die Einführung der Kugel in den Käfig zu ermöglichen, setzt er sich aus einem Volumen zusammen, das zwischen einem äußeren Würfel und drei sich schneidenden zylindrischen Bohrungen 3 eingeschlossen ist, deren Achsen ein orthogonales Koordinatensystem bilden, dessen Ursprung mit dem Würfelmittelpunkt zusammenfällt und dessen Achsen senkrecht auf den Würfelfiächen stehen. Die Durchmesser der drei Bohrungen sind gleich und etwas größer als der Kugeldurchmesser. Der Innenraum des Käfigkörpers ist also nicht kugelförmig, und eine teilweise kugelförmige Innenfläche wird in Wirklichkeit durch Teile gebildet, die im folgenden beschrieben werden.

In die Bohrungen 3 können Elektrodenträgereinsätze 5 eingeführt werden, die eine Kreisplatte 6, einen zylindrischen Teil 7, einen konischen Teil 8 und einen kugelkalottenförmigen Boden 9 besitzen (F i g. 2). So besitzt die kugelförmige innere Oberfläche des Käfigs lediglich sechs Kugelkalotten, während der Rest der Oberfläche zylindrisch ist. Diese Anordnung ist ohne Nachteil für die Arbeitsweise des Gerätes, der Käfig bleibt rotationssymmetrisch bezüglich der Positionsgeber und Positionierungsachsen. Da das Gleichspannungspotential der Kugel kapazitiv festgelegt ist, ist diese Festlegung

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um so besser, je größer die Kapazität des von Kugel Kugelverlagerung proportionale Spannung); sie wer- und Käfig gebildeten Kondensators ist. In dieser den auf die beiden Ringpolelektroden 13, 13' geHinsicht weist die zweite, unter Bezug auf F i g. 9 geben. In einem von dem Erfinder ausgeführten beschriebene Käfigausführung gegenüber der zuerst Beschleunigungsmesser betrug die Frequenz des Genebeschriebenen Ausführung Vorteile auf. 5 rators 50 kHz, die Speisespannung lag in der Größen-Im kugelförmigen Teil der Elektrodenträger 5 ist Ordnung von 1 V_eSf. Die Spannung V₀ kann eine eine zylindrische Bohrung 10 (F i g. 4) vorhanden, in Wechselspannung sein; sie lag bei dieser Ausfühdie eine z. B. aus Kieselerde (silice) bestehende Isolier- rungsform des Beschleunigungsmessers bei 10 V_eff. scheibe 11, eine Polelektrode 12 und eine Ringpol- Obgleich es an sich nicht erforderlich ist, kann man elektrode 13, beide z. B. aus Stahl, eingeschoben sind. )₀ die Regel vorgänge in den drei Steuervorrichtungen

'Die Elektroden sind mittels eines härtbaren Kunst- entkoppeln, indem man die Geberelektroden durch

Stoffes mit der Isolierscheibe verbunden und mit Generatoren mit verschiedener Frequenz speist und

einem derartigen Profil versehen, daß ihre Stirn- vor den Verstärker 21 Bandfilter anordnet, die diesen

flächen die Form einer Kalotte bzw. eines Ringes Frequenzen entsprechen.

mit kugelförmiger Stirnfläche haben. Die Elektroden 15 In gleicher Weise kann man eine Entkopplung der

tragen Anschlußstifte 14 und 15, die den Elektroden- Regelvorgänge in den drei Richtungen erzielen, indem

träger in z. B. aus Steatit bestehenden Isolierrohren 16 man die- den drei Achsen entsprechenden Elektroden

durchqueren. Der Flansch 6 des Elektrodenträgers 5 mit. dreiphasigen Spannungen speist. Unter diesen

hat einen größeren Durchmesser als dessen zylin- Bedingungen ergibt die Addition der Restpotentiale drischer Teil 7; seine Unterseite liegt auf einer Fläche ₂₀ auf der Kugel eine Resultierende von Null. Der all-

des Käfigs 2 auf und ist auf dieser mit Schrauben 17 gemeine Ausdruck der auf die Kugel wirkenden

(Fig. 1) angeschraubt. elektrostatischen Kräfte ist

Man erkennt, daß bei diesem Aufbau die elektrisch _f ^ rty Λ._νγ- iy _ _t,)2 -■

leitende Kugel 1 einen ersten Kondensator mit der F = -~— · —5—_ _5—__ .

metallischen zylindrischen Wand des Käfigs 2 den 25 *- ^(e ~ ^z' (^e + ^z> J

kugelkalottenförmigen Boden 9 bildet. Dieser Kon- Hierbei wurden e und F₀ schon definiert, ζ ist der

densator hat eine große Kapazität, durch die das Abstand des Kugelkäfigmittelpunktes vom momen-

Potential der Kugel festgelegt ist. Mit den Polelek- tanen Kugelmittelpunkt und S die Oberfläche der

troden bildet die Kugel sechs zweite Kondensatoren wirksamen Elektrode,

als Positionsgeber. Schließlich bildet sie mit den ₃₀ In der Nähe des Betriebspunktes erhält man

. Ringpolelektroden der Positionierungsvorrichtung

sechs dritte Kondensatoren. Das zu einer Polrich- .r- _ ^F , £Ha, _ ~ _l/,, m tung gehörige Positionsgebersignal wird zwischen ~ dz " dv ~~ ' den beiden zu dieser Richtung gehörigen Polelektroden abgenommen, und das von der zu diesem 35 indem man einen variablen Austausch dz = ζ und Signal gehörigen Steuerung gelieferte Positionierungs- dr = ν durchführt und setzt: signal wird an die beiden zugehörigen Ringpolelektroden gelegt. _ ?F_ _ 2 e Ül ■ Die Kugel ist im Schnitt in F i g. 5 dargestellt. ~ dz ~ ^fff e³ '" Man erkennt, daß sie hohl ist und zwei ineinander- 40

gesteckte Halbkugeln 18,18' umfaßt. Die Werte einer b = — = ?r S —

ausgeführten Kugel sind: ■ cv ~^tQ e²

Durchmesser 39,974 mm . .

Gewicht 33 80 e Ausdruck IF zeigt für a, b > 0 instabiles

Maximale Abweichung"von der"" ' 45 Gleichgewicht an.

Kuaelform .0.5 am ^{Zur Erzielun}S ^eines stabilen Gleichgewichtes ist

eine Steuerung mit einem Korrekturnetzwerk er-

Der Abstand zwischen Kugel und Käfig, wenn forderlich. Das Prinzipschaltbild einer solchen Steue-

beide zueinander konzentrisch sind, kann bis auf rung ist in F i g. 6 dargestellt,

einige hundertstel Millimeter heruntergehen. Es wur- 50 Es bedeutet

den Geräte hergestellt, bei denen der Luftspalt _{m d}j_e Kugelmasse

100 bzw 10 μ dick war „die Ausgangsspannung des Synchrondetek-

F 1 g. 6 zeigt ein elektrisches Blockschaltbild des _tors 22

Beschleunigungsmessers für eine Koordinate: es sind _{k die Konstante}, _die „ _{mit der} Kugelverschie-

also zwei weitere mit dem dargestellten identische 55 ^₁₁ _ _verDmcj_et

Schaltkreise vorhanden. Die von den Polelektroden _{das def UrS}p_rung_SStellung der Kugel ent-

12 12' und der Kugel 1 gebildeten Kondensatoren sprechende Bezugspotential

sind Teil einer Meßbrücke, die zwei Festwider- _{f d}^_s Fehlersignal

stände 19,19'^besitzt und zwischen dem Verbindungs- _{Q den} Verstärkungsfaktor des Verstärkers 24. punkt der Widerstände 19. 19 und der Kafigmasse 60

vom Generator 20 gespeist wird. Das Signal einer Die Gleichungen der Steuerung ohne Korrektur-Gleichgewichtsstörung der Brücke wird vom Vor- netzwerk sind außer der Gleichung (1) die folgenden: Verstärker 21 verstärkt und im Synchrondetektor 22 _f _ _ _{u Ί} gemessen. Das gemessene Signal wird auf ein Korrek- ' " ^l~' tumetzwerk 23 und anschließend auf einen Differen- 65 c = G ■ t. (3) tialverstärker 24 übertragen. Die beiden Ausgangs- ,

signale des Differentialverstärkers haben die Form ,„ ~ _{= a}- ₊ /,_r ^j

V₀ ± kv (wobei ί: eine Konstante ist und r eine der df-

Wenn die Kugel in ihrer Ausgangsstellung gehalten wird, ist ^ = O.
Die Lösung der Gleichungen (2) bis (4) liefert:

+ (a + bGk)u = 0.

Die Lösung dieser Differentialgleichung ist divergent für

a + bGk> 0.

Für eine nicht divergente Lösung bei positivem α und b müssen

Gk < 0

\bGk\ > a

sein, und für eine konvergente Lösung muß man eine Dämpfungsgröße einführen, was in dem Korrekturnetzwerk 23 geschieht.

Bei einer zweiten, in F i g. 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Beschleunigungsmesser keinen würfelförmigen Käfig mehr, sondern einen kugelförmigen Käfig 51, der aus zwei Halbkugeln 52 und 53 zusammengesetzt ist. Diese beiden Halbkugeln sind an Flansche 54 durch Schrauben 55, die in Gewindelöchern 56 stecken, fest miteinander verschraubt.

Wenn man die Punkte, wo die zur senkrechten Achse gehörigen Positionsgeberelektroden liegen, als Pole der Halbkugeln annimmt, dann liegen die Flansche 54 nicht in einer Äquatorialebene, d. h., die Halbkugelpole sind nicht identisch mit den Käfigpolen. Die Senkrechte zur Äquatorialebene der Halbkugeln bildet mit den Achsen, welche die Mittelpunkte der diametral entgegengesetzten Polelektroden verbinden, Winkel von 54° 45' (Winkel einer Würfeldiagonale mit den Würfelseiten).

Der Käfig 51 ist durch zwei Konsolen oder Schrägstützen 58 (in F i g. 8 ist nur eine zu sehen) an einer Grundplatte 57 befestigt. Die Konsolen sind an einem Ende an der Platte 57 festgeschraubt und besitzen am anderen Ende eine Nut 59, in der die Flansche 54 der Halbkugeln befestigt sind. Die beiden Halbkugeln besitzen außen senkrecht zu ihrer Hauptebene Stutzen 60, 61, die während der Herstellung als Dorn dienen. Der Stutzen 61 ist verschlossen, der Stutzen 60 ist mit einer Ionenpumpe 62 verbunden. Diese Pumpe wird von der Platte 57 mit Hilfe eines Winkelarmes 63 getragen. Sie wird über eine bei 64 angeschlossene (nicht dargestellte) Leitung mit Energie versorgt.

Die Kugel 51 ist mit sechs Bohrungen versehen, deren Achsen paarweise zusammenfallen und ein orthogonales Koordinatensystem bilden. In jeder Bohrung sitzt ein Einsatz 65 (F i g. 10). Jeder Einsatz trägt in einer ersten Aussparung 66 eine zentrale Elektrode 67 in Gestalt eines Zylinders, dessen Vorderseite 68 die Form eine Kugelkalotte besitzt und dessen Rückseite durch einen Stift 69 verlängert ist, sowie in einer zweiten Aussparung 70 eine zweite Elektrode 71 in Gestalt eines Ringes, dessen vorderes Profil in Form eines sphärischen Ringes ausgebildet ist und der mit einem Anschluß 73 verseilen ist. Diese beiden Elektroden sind gegenüber dem Einsatzkörper 65 durch einen Isolier- und Vergußwerkstoff 74, wie Glas, Keramik oder härtbarem Kunststoff, isoliert. Die beiden Aussparungen 66 und 70 sind durch einen Schutzring 75 voneinander getrennt. Die Ag
dieses Schutzringes besteht darin, die Kapazitäten zwischen der Positionsgeberelektrode und der Kugel einerseits sowie zwischen der PositionierungseleTctaisflE und der Kugel andererseits zu entkoppeln. Eüc Anschlüsse 69 und 73 enden in einem Steckkontakt 16 (F i g. 9). Es sind also sechs Steckkontakte 76 an -Aar Kugel vorhanden.
Die Verbindung zwischen den Steckkontakten'Si und den Steuerkreisen erfolgt für jede Steuerungsrichtung mit Hilfe von Bügeln (F i g. 11). Drei Mgdl 81, 82, 83 sind vorhanden (F i g. 8). Sie bestehen ;aus zwei parallelen Rohren 77 und 78, die durch ein flaches Gehäuse 79 miteinander verbunden sind. Dieses Gehäuse enthält den Vorverstärker, der am Anfang jedes Steuerpfades angeordnet ist. (Der VorversiiAar ist ein Teil des Verstärkers 21 in F i g. 6.) Die Rsähre 77 und 78 sind mit Schlitzen 84 versehen, in die die Steckkontakte 76 eingreifen. Die Rohre sind nut Konsolen wie 85 an der Grundplatte 57 befestigt In F i g. 12 sind eine Steuerschaltung, deren verschiedene Stufen die gleichen Bezugszahlen wie in F i g. 6 tragen, sowie eine Gleichstromquelle 39 dargestellt, die parallel an den Klemmen eines Kondensators 40, eines Widerstandes 41 sowie an den zur senkrechten Achse gehörigen Positionierungselektroden 13,13' liegt. Ein an den Differentialverstärker 24 angeschlossenes schreibendes Meßinstrument ist mit 100 bezeichnet. Ein erster Schalter 42 liegt mil der Stromquelle 39, ein zweiter Schalter 43 mit dem Widerstand 41 in Reihe. Ein dritter Schalter 44 liegt zwischen dem Vorpositionierungskreis und den Kugelpositionierungselektroden 13-13', und ein vierter Schalter 45 liegt schließlich zwischen dem Ausgang des Verstärkers 24 der Steuerschaltung und den gleichen Positionierungselektroden.

Die verschiedenen Schalter werden von einem Programmgeber 46 entsprechend dem folgenden Programm betätigt, das zum Zeitpunkt t₀ startet, an dem die Kapsel mit dem in ihr enthaltenen Beschleunigungsmesser ausgeklinkt wird:

a) Vor dem Ausklinkzeitpunkt t₀ der Kapsel:

42 wird während einer Zeit, die zur Aufladung des Kondensators 40 benötigt wird, geschlossen.

b) Zeitpunkt t₀ — e:
Schließung von 44.

c) Zeitpunkt i₀ + e:
Schließung von 43.

d) Zeitpunkt t₀ + t_t :

43 und 44 werden geöffnet, 45 geschlossen.

Da die Steuerschleife nur dann geschlossen werden darf, wenn die Kugel sich innerhalb ihres Meßbereiches befindet, tritt der Programmgeber 46 nur in die Phase d) ein, wenn das Meßinstrument 100 sich seinerseits innerhalb seines Meßbereiches befindet.

Bei dem zweiten Vorpositionierungssystem wird die Empfindlichkeit im Verlauf des freien* Falls derart verändert, daß sie während des Zeitanteiles I₁ — t₀ der Gesamtzeit des freien Falles von g bis IO~⁹ g läuft. In F i g. 13 ist gegenüber der Schaltung in F i g. 6 der Positionierungsverstärker und sein Korrekturnetzwerk durch jeweils mehrere Verstärker mit ihren zugehörigen Netzwerken ersetzt. Drei Gruppen 47, 48, 49 sind dargestellt, die jeweils ein Korrektur-

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netzwerk 23_l3 23₂,23₃ und einen Differentialverstärker 24i, 24₂, 243 umfassen. Diese Verstärker besitzen verschiedene Verstärkungen mit jeweils einem Arbeitsbereich von 10³. Der erste Verstärker TA₁ arbeitet im Beschleunigungsbereich von g bis 1O~³0, der zweite 24₂ im Beschleunigungsbereich 1O~³0 bis 10"⁶^ und der dritte 24₃ im Beschleunigungsbereich 10"⁶ g bis 10~⁹ g. Da die auf die Kugel ausgeübten Kräfte propo'rtional dem Quadrat der Spannungen sind, haben die drei Verstärker Verstärkungsfaktoren im Verhältnis von ^ΪΟ³. Der Verstärker 24! kann maximal ein Ausgangssignal in der Größenordnung von 5000 V und die Verstärker 24₂ und 24₃ können Ausgangssignale in der Größenordnung von 150 bzw. 5 V liefern.

An die drei Differentialverstärker 24_X, 24₂, 24₃ sind Meßinstrumente 99_l5 99₂, 99₃ angeschlossen. Die Meßgeräte sind mit einem Programmgeber 86 verbunden und besitzen Mittel wie einen elektrischen Kontakt, um anzuzeigen, wenn sie sich an der unteren Grenze ihres Meßbereichs befinden.

Zwischen dem Ausgang des Synchrondetektors 22 und den Gruppen 47, 48, 49 liegt eine Dreiwegeschalter 50, der vom Programmgeber 86 gesteuert wird. Zum Ausklinkzeitpunkt i₀ steht der Schalter auf der Stellung 5O₁, dann geht er nacheinander auf die Stellungen 5O₂ und 5O₃, und zwar zu den Zeiten, wo die Meßinstrumente 99! ^und 992 jeweils an die unteren Grenzen ihrer Meßbereiche kommen, so daß zum Zeitpunkt J₁ allein die Gruppe 49 in Betrieb ist.

F i g. 14 zeigt den Schwinger, der dazu dient, dem Beschleunigungsmesser eine Beschleunigung bekannter Höhe in einer Richtung des käfigorientierten orthogonalen Koordinatensystems zu erteilen. Der Schwinger ist an einer. Platte 87 befestigt, die über Bolzen 88 mit der Grundplatte 57 des Beschleunigungsmessers derart verschraubt werden kann, daß die Schwingungsrichtung des Schwingers mit der betrachteten Richtung des Beschleunigungsmessers zusammenfällt. Die Bolzen 88 sind in Gewindelöcher der Grundplatte eingeschraubt, eines dieser Löcher (95) ist in F i g. 8 gezeigt Der Schwinger besitzt einen magnetischen Kreis in Form eines Topfes 89, eine innere Spule 90, in der Spulenachse einen Tauchkern 91 aus geeignet vormagnetisiertem Werkstoff und ein Polstück 92, das in der Achse des Tauchkernes am Magnetkopf befestigt ist. Der Kern 91 ist in dem Topf des Schwingers durch zwei elastische Scheiben 93 und 94 gelagert. Wenn die Spule von einem Wechselstrom gespeist wird, schwingt der Kern 91 mit der Frequenz des speisenden Wechselstromes. Die Beschleunigungsamplitude wird an den Klemmen 98 des Kondensators gemessen, der von dem Polstück 92 und einer von der Scheibe 94 getragenen Platte 101 gebildet wird.

Wenn man annimmt, daß die Masse des Kernes 91 1 g beträgt und die Masse der den Beschleunigungsmesser enthaltenden Kapsel 100 kg ist, und wenn man weiter annimmt, daß die Frequenz des Speisestromes 1,5 Hz beträgt, dann ist die Beschleunigung γ₀, die vom Kern, der ,eine Beschleunigung γ_γ erfährt, auf den Beschleunigungsmesser aufgebracht wird:

Yo = IQ"⁵ - Y₁ .

Wenn man beispielsweise auf den Beschleunigungsmesser eine Beschleunigung von 10~⁷ aufbringen will, muß JZ₁ = 10~² m/sec² sein, d. h., die Schwingungsamplitude des Schwingers muß 1/1O² · 4h² · 1,5² = 1,1 mm betragen.

Die Spule 90 wird zur Zeit t_x vom Programmgeber 46 oder vom Programmgeber 86 über den Kontakt 96 eingeschaltet; der die Wechselspannungsquelle 87 mit der Spule 90 verbindet.

Zur Eichung des Beschleunigungsmessers in den drei Achsen des käfigbezogenen orthogonalen Koordinatensystems werden an ihm zwei weitere Schwinger angebracht, die identisch mit dem soeben beschriebenen sind. Fig. 15 zeigt die Anbringung der Platten 87, 102, 103 dieser Schwinger an der Grundplatte 57 des Beschleunigungsmessers derart, daß die Schwingungsrichtung mit den Richtungen des käfigbezogenen Koordinatensystems zusammenfallen. Man erkennt, daß die Platte 102 an der Grundplatte 57 mit Hilfe einer winklig zu dieser stehenden Lasche 104 und mit zwei Bolzen 105 befestigt ist und in gleicher Weise die Platte 103 mit Hilfe einer Lasche 106 und zwei Bolzen 107.

F i g. 7 zeigt eine Kurve 26, die die Aufzeichnung der Relativbewegung der Kugel gegenüber dem Käfig bei einem Versuch im freien Fall darstellt. Man erkennt, daß der Nulldurchgang etwa 15 Millisekunden nach Versuchsbeginn stattfindet.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Beschleunigungsmesser zur Bestimmung extrem kleiner Beschleunigungen in Richtung der drei Achsen eines orthogonalen Koordinatensystems mit einer in einem Käfig angeordneten metallischen oder metallisierten Kugel, deren Lage durch den drei Achsen {x, y, z) des Koordinatensystems mit dem Kugelmittelpunkt als Ursprung zugeordnete Differentialkondensatoren erfaßt und durch zwischen diesen und der Kugeloberfläche wirksame elektrostatische Kräfte eingestellt wird, welche an drei Verstärker angeschlossen sind, die einzeln die von den Positionsgebern gelieferten Signale verstärken und auf die Positionierungskreise geben und ein Meßinstrument speisen,dadurch gekennzeichnet,daß der Käfig (2) die Form einer Hohlkugel von einem gegenüber der Kugel (1) wenig größeren Durchmesser hat und an den Durchstoßpunkten der drei Achsen des Bezugsystems je eine kalottenförmige Polelektrode (12, 67) und konzentrisch dazu eine kugelringförmige Ringpolelektrode (13, 71) trägt, die voneinander und von der übrigen Käfigwand isoliert sind und mit dieser und der auf freiem Potential liegenden Kugel (1) die Differentialkondensatoren für Positionsgeber bzw. Positionierungskreis bilden.

2. Kugel-Beschleunigungsmesser· nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die PoI- und die Ringpolelektrode eines Paares voneinander durch einen auf Käfigpotential liegenden Ring (75) getrennt sind (F i g. 10).

3. Kugel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polelektroden (12) von einer Wechselstromquelle (20) gespeist werden und mit der Kugel (1) einen in seiner Kapazität mit der Lage der Kugel in Käfig (2) veränderlichen Kondensator bilden, der an den Eingang eines Vorverstärkers (21) angeschlossen ist, dem ein Detektor (22) und diesem über ein Korrekturnetzwerk (23) ein Differentialverstärker (24) nachgeschaltet ist, an dessen Aus-

gang die zu den Polelektroden konzentrischen Ringpolelektroden angeschlossen sind und dessen Ausgangsspannung von einem in Beschleunigungswerten geeichten Meßinstrument (100) gemessen wird.

4. Kugel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen zwei diametral gegenüberliegenden Polelektroden und der Kugel einerseits und dieser und dem Käfig andererseits gebildeten Teilkapazitäten mit zwei Festwiderständen (19) eine Brückenschaltung bilden, in deren zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände und Käfig liegendem Zweig ein Generator (20) liegt und deren anderer Zweig am Eingang des Vorverstärkers (21) liegt (F i g. 6).

5. Kugel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Polelektrodenpaare durch Generatoren unterschiedlicher Frequenz gespeist werden.

6. Kugel-Beschleunigungsmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Eichvorrichtung, die die Kugel (1) aus ihrem Ruhezustand auf dem Boden des Käfigs (2) in den Schwebezustand innerhalb des Käfigs vorpositioniert und sie dann in den Achsrichtungen des Bezugskoordinatensystems des Käfigs wirkenden Beschleunigungen unterwirft.

7. Kugel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vor-

positionierung der Kugel an jede der Ringpolelektroden (13, 71) durch einen von einem Programmgeber (46) gesteuerten Mehrstellungsschalter (42 bis 45) an Stelle des jeweiligen Differentialverstärkers (24) ein von einer Gleichspannungsquelle (39) aufzuladender und über einen Widerstand (41) zu entladender Kondensator (40) anschaltbar ist.

8. Kugel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit seinem Käfig (2) in den Achsrichtungen seines Bezugskoordinatensystems wirkende elektromagnetische Schwinger (89 bis 94) gekoppelt sind (F i g. 14,15).

9. Kugel-Beschleunigungsmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der drei Meß- und Stellkreise des käfigbezogenen Bezugskoordinatensystems mehrere Verstärker (24_ΐ5 24₂, 24₃) mit unterschiedlichen und abgestuften Verstärkungsfaktoren und ein Meßgerät (99_l5 99₂, 99₃) vorgesehen sind, welches über einen Programmgeber (86) und einen von diesem gesteuerten Umschalter (50) jeweils einen der Verstärker in seinen Kreis einschaltet.

30 In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1062 965;
USA.-Patentschrift Nr. 3 148 456;
Zeitschrift »Aviation Week and Space Technology« vom 13. Juli 1964, S. 67, 68.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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