DE1276950B - Messeinrichtung fuer extrem kleine Beschleunigungen und Eichvorrichtung hierfuer - Google Patents
Messeinrichtung fuer extrem kleine Beschleunigungen und Eichvorrichtung hierfuerInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES MjfWt PATENTAMT
Int. α.:
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
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) .
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
M9 599/119
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):
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
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
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 ty 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 ft 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 (ix — 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,
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
7 8
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 VeSf. 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 Veff.
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 ErzielunS 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 dje 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 _ verDmcjet
Schaltkreise vorhanden. Die von den Polelektroden das def UrSprungSStellung 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:
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.
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.
Schließung von 44.
c) Zeitpunkt i0 + e:
Schließung von 43.
Schließung von 43.
d) Zeitpunkt t0 + tt :
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-
10» »»/119
netzwerk 23l3 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 24X, 242, 243 sind
Meßinstrumente 99l5 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 γγ 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 tx 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)
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 (24ΐ5 242, 243)
mit unterschiedlichen und abgestuften Verstärkungsfaktoren und ein Meßgerät (99l5 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.
USA.-Patentschrift Nr. 3 148 456;
Zeitschrift »Aviation Week and Space Technology« vom 13. Juli 1964, S. 67, 68.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
809 599/119 1.6t Q Bundcwiruckeni Berlin
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR11246A FR1462195A (fr) | 1965-03-30 | 1965-03-30 | Micro-accéléromètre |
FR53929A FR89697E (fr) | 1965-03-30 | 1966-03-17 | Micro-accéléromètre |
Publications (1)
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DE1276950B true DE1276950B (de) | 1968-09-05 |
Family
ID=26162739
Family Applications (1)
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DEO11547A Pending DE1276950B (de) | 1965-03-30 | 1966-03-30 | Messeinrichtung fuer extrem kleine Beschleunigungen und Eichvorrichtung hierfuer |
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DE (1) | DE1276950B (de) |
FR (2) | FR1462195A (de) |
GB (1) | GB1134655A (de) |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |