DE3523593C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschleunigungsmeßgerät mit einer einen ersten und einen zweiten Stator enthaltenden Magnet­ anordnung, mit einem Paar voneinander diametral gegenüber­ liegenden, bogenförmig an der Oberfläche jedes Stators aus­ gebildeten Stegen, an welchen Lagerringe anliegen, mit Be­ schleunigungsdetektormitteln aus einer Schwingscheibe und einem zugeordneten Haltering aus nicht-magnetischem Metall, wobei der Haltering zwischen den Lagerringen angeordnet ist, die Schwingscheibe über zwei im Abstand voneinander liegen­ de Anlenkstellen schwenkbar am Haltering gelagert ist und an den beiden gegenüberliegenden Flächen der Schwingscheibe je ein Kern vorgesehen ist, um welchen jeweils eine Spule ge­ wickelt ist, mit Abgriffsteilen und Verbindungsleitungen an den Spulen, ferner mit Permanentmagneten, mit denen die Statoren versehen sind und deren Pole mit gleicher Polarität gegeneinander gerichtet sind, wobei jede Spule mit einer Leitung zu einem außenliegenden Schaltkreis an einer Stelle verbunden ist, die die auf der durch die Mitte der beiden Anlenkstellen der Schwingscheibe sich erstreckenden, gedach­ ten Mittellinie liegen.

Aus der DE-AS 15 23 219 und der DE-OS 30 41 743 ist ein der­ artiges Beschleunigungsmeßgerät bekannt. Als beschleunigungs­ empfindliches Element dient dabei eine trägheitsbehaftete Zunge, welche über einen dünnen elastischen Steg an einem einstückig mit der Zunge ausgebildeten Haltering befestigt ist. Es zeigt sich jedoch, daß durch die Herstellung des dünnen biegsamen Steges bedingt, geringfügige Asymmetrien bezüglich der Positionierung der trägheitsbehafteten Zunge auftreten, welche zu gewissen Meßfehlern des Beschleunigungs­ meßgerätes führen.

Aus der DE-OS 28 33 915 geht ein Beschleunigungsmeßgerät hervor, bei dem der Haltering zwischen den Lagerringen an­ geordnet ist.

Die japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichungen 52-38 218 und 52-38 219 beschreiben ein kapazitives Beschleu­ nigungsmeßgerät, bei welchem eine Prallplatte bzw. ein Pendel aus leitfähigem Material, beispielsweise Beryllium-Kupfer, besteht und ein Ende der Prallplatte eingeklemmt ist in zwei ringförmige Halter.

Wenn die Prallplatte bzw. das Pendel aus nichtleitendem Mate­ rial, beispielsweise geschmolzenem Quarz, besteht, wie vor­ stehend erwähnt, ist es erforderlich, die Oberfläche des nichtleitenden Pendels als Ummantelung aus leitfähigem Mate­ rial auszubilden. Bei den beiden vorstehend erwähnten bekann­ ten Beschleunigungsmeßgeräten besteht die Prallplatte bzw. das Pendel aus Beryllium-Kupfer, um den umständlichen Umman­ telungsvorgang zu vermeiden. Der Zusammenbau des Beschleuni­ gungsmeßgerätes muß äußerst sorgfältig durchgeführt werden. Der Herstellungsaufwand und die Herstellungskosten sind daher extrem hoch. Wenn die Prallplatte aus Metall gefertigt ist, besteht der Lagerteil der Prallplatte aus einem anderen Mate­ rial als der metallische Halter, in welchem die Prallplatte gelagert ist. Dies führt zu Spannungen bei Temperaturbean­ spruchung aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zwischen dem Prallplattenmaterial und dem Haltermaterial.

Außerdem besteht ein Kern, um welchen eine Spule gewickelt ist, aus einem anderen Material als die Prallplatte. Ein der­ artiger Kern ist an beiden Seiten der Prallplatte befestigt. Auch hierbei entstehen aufgrund thermischer Beanspruchungen Spannungen zwischen den unterschiedlichen Materialien des Spulenkerns und der Prallplatte. Außerdem ist die Prallplat­ te belastet durch elektrische Leiter, über welche die Spulen an den externen Schaltkreis angeschlossen sind.

Ferner muß die Prallplatte gegenüber dem Halter schwenkbar aufgehängt sein. An der Schwenkverbindung kommen während des Betriebs innere mechanische Spannungen vor. Diese mechani­ schen Spannungen beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit des Beschleunigungsmeßgeräts.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beschleuni­ gungsmeßgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem nach dem Zusammenbau eine Nachjustierung der träg­ heitsbehafteten Zunge durchführbar ist, so daß auf diese Weise selbst im Dauerbetrieb hohe Meßgenauigkeiten erzielt werden können.

Die vorstehende Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent­ anspruchs 1 gelöst. Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht, daß Fehler, die beim Zusammenbau des Beschleunigungsmeßgerätes auftreten, korrigiert werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die Figuren. Es zeigt:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch ein Ausführungs­ beispiel für das Beschleunigungsmeßgerät;

Fig. 2 in auseinandergezogener perspektivischer Dar­ stellung Teile des Ausführungsbeispiels;

Fig. 3 eine Draufsicht, welche eine Prallplatte und einen Haltering hierfür veranschaulicht;

Fig. 4 einen Schnitt in Richtung der Pfeile entlang der Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 eine Draufsicht für eine mittlere Bauteilean­ ordnung im Beschleunigungsmeßgerät;

Fig. 6 eine schnittbildliche Darstellung entlang der Linie Vl-Vl in Fig. 5;

Fig. 7 ein Blockschaltbild für das Ausführungsbei­ spiel;

Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Korrektur des Ausführungsbeispiels;

Fig. 9 Kurvendarstellungen zur Erläuterung eines Nach­ eilfehlers der Prallplatte des Ausführungsbei­ spiels im Vergleich mit herkömmlichen Prallplat­ ten;

Fig. 10a eine schematische Darstellung eines Halterings für die Prallplatte, der an zwei Stellen gelagert ist, und

Fig. 10b eine schematische Darstellung eines Halterings der Prallplatte, der an drei Stellen gelagert ist.

Wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, enthält ein Be­ schleunigungsmeßgerät 10 zwei Magnetanordnungen 30a und 30b und eine dazwischenliegende mittlere Bauteileanordnung 100.

Die vorstehend angesprochenen Anordnungen sind als zylindri­ sche Körper ausgebildet und besitzen eine Mittellinie X-X, welche durch diese Anordnungen parallel zu der Richtung der zu messenden Beschleunigung sich erstreckt.

Die Magnetanordnungen 30a und 30b sind identisch zueinander und jede der Magnetanordnungen 30a und 30b besitzt einen Stator mit einem Ringflansch 32, der, ausgehend von einem offenen Ende des Stators sich nach innen erstreckt und ei­ nen darin angeordneten Permanentmagneten 36. Der Stator 34 besteht aus hochmagnetischen permeablen Legierungen auf Ei­ senbasis mit Nickel, beispielsweise aus Permalloy. Die bei­ den Permanentmagnete 36 sind so angeordnet, daß sie mit der gleichen Polarität sich gegenüberliegen, so daß unterschied­ lich gerichtete Magnetfelder, wie sie durch die Pfeile "A" in Fig. 1 dargestellt sind, erzeugt werden. Der Permanent­ magnet 36 besitzt ein Polstück 38 und ist bevorzugt umfaßt von einem Nebenschlußglied 40 aus Eisenlegierung zur Kompen­ sation von Magnetflußänderungen aufgrund von Temperaturände­ rungen in der Umgebung. Ein schmaler Luftspalt 42 wird zwi­ schen dem Ringflansch 32 und dem Permanentmagneten 36 gebil­ det, so daß der Magnetfluß durch diesen Luftspalt gelangt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.

Die mittlere Bauteileanordnung 100 besteht aus nichtmagneti­ schem Metall, beispielsweise einer Kobalt-Nickel-Legierung mit hoher Elastizität und weist einen Haltering 102 auf so­ wie eine Prallplatte bzw. ein Pendel 106, die bzw. das schwenkbar an zwei Aufhängestellen 104 des Halterings 102 ge­ lagert ist. Die Prallplatte 106 und der Haltering 102 be­ stehen aus einem Stück.

Die Dicke der Prallplatte 106 ist gleich der Dicke des Hal­ terings 102. Die Gestalt der Prallplatte 106 ist im wesent­ lichen kreisförmig mit Ausnahme der Stellen im Bereich der Anlenkstellen 104. Die Umlaufkante der Prallplatte 106 ist im Abstand vom Haltering 102 angeordnet, wobei ein Zwischenraum 108 mit geringer Breite entsteht.

Die Prallplatte 106, wie sie in der Fig. 3 dargestellt ist, besteht aus einer Scheibe aus hochelastischem nichtmagneti­ schen Material. Die Anlenkstellen 104 für die schwenkbare Aufhängung der Prallplatte befinden sich am Innenumfang 109 des Halterings 102 an Stellen, die im Winkel von etwa 28° gegenüber einer durch die Scheibe gelegten Mittellinie "O" liegen. An der Anlenkstelle 104 kann eine eingeformte Nut vorgesehen sein. In bevorzugter Weise befindet sich zwischen den beiden Anlenkstellen 104 ein Ausschnitt 110, welcher die Anordnung elektrischer Verbindungsleitungen erleichtert.

An jeder der beiden Oberflächen der Prallplatte 106 ist ein Kern 114 befestigt, um welchen eine Spule 112 gewickelt ist. Bei bekannten Beschleunigungsmeßgeräten besteht der Kern aus Aluminium, da dies ein nichtmagnetisches Material ist und leicht mit einem nichtleitenden Material überzogen werden kann. Wenn der aus Aluminium bestehende Kern direkt auf die Prallplatte 106 aus hochelastischem, nichtmagnetischen Material aufgebracht wird, können Meßfehler entstehen auf­ grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen zwischen dem Material der Prallplatte und dem Material des Spulen­ kerns.

Um hieraus resultierende Schwierigkeiten zu vermeiden, ist der Kern 114 an einem Trägerteil 116 befestigt, der aus dem gleichen Material wie die Prallplatte bzw. aus einem Mate­ rial besteht, das den gleichen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten wie das Prallplattenmaterial besitzt. Der Trä­ gerteil 116 kann mit Hilfe geeigneter Mittel, beispielswei­ se einem chemischen Kleber, an der Prallplatte befestigt sein.

Das Anschlußende 118 der Spule 112 ist auf einem kurzen stabförmigen Stück 120 aus nichtleitendem Material mit einem Verbindungsleiter 122 verbunden. Das kurze stabförmige Stück befindet sich in der Mittellinie des Ausschnitts 110, so daß der Anschluß der Spule 112 an einen externen elektri­ chen Schaltkreis erleichtert wird.

Wie aus der Fig. 5 zu ersehen ist, befinden sich die Verbin­ dungsstellen des Endes der Spule 18 mit den Verbindungslei­ tungen 122 in einer Mittellinie C-C, die durch die beiden An­ lenkstellen 106 hindurchläuft. Wenn die Prallplatte 106 ge­ genüber der Mittellinie C-C der Anlenkstellen 104 bewegt wird, wird die Prallplatte 106 durch die Verbindungsleitung 122 nicht beeinträchtigt.

Die mittlere Bauteileanordnung 100 ist zwischen zwei Lager­ ringen 50 gelagert, die aus Metall bestehen, das den glei­ chen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Material der Prallplatte 106. Die mittlere Bauteileanord­ nung 100 ist dabei in Sandwichbauweise zwischen den beiden Lagerringen 50 angeordnet, wobei die beiden Lagerringe zwi­ schen den beiden Magnetanordnungen 30a und 30b gehalten sind. Hierdurch werden Fehler vermieden, die aus unter­ schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der mittleren Bauteileanordnung und den Magnetanordnungen resultieren können.

Um eine direkte Berührung des Ringflansches 32, des Stators 34, der Magnetanordnung 30a mit dem Lagerring 50 durch direk­ tes Anliegen an der Oberfläche des Lagerringes 50 zu vermei­ den, sind vorstehende Stege 44 als Trägerteile auf den Ober­ flächen der Ringflansche 32 der Statoren 34 vorhanden. Die­ se Stege verlaufen entlang einer Linie Y-Y, die senkrecht die Linie schneidet, welche senkrecht durch die Mitte "O" der Prallplatte 106 hindurchläuft, und senkrecht zu der Mittellinie ist, welche durch das kurze stabförmige Stück 120 und die Mitte "O" der Prallplatte hindurchläuft. Die beiden Enden jedes vorstehenden Steges 44 sind definiert durch einen bestimmten Winkel "P" gegenüber der Linie Y-Y, wobei der Winkel "P" bevorzugt bis etwa 42° be­ trägt.

An jeder der beiden Oberflächen der Ringflansche 32 der Sta­ toren 34 innerhalb der beiden vorstehenden Stege 44 befindet sich ein U-förmiger Abgriffteil 60 aus Isoliermaterial, bei­ spielsweise aus Keramik, der mit einer Metallschicht über­ zogen ist, beispielsweise aus Nickel. Die Metallschicht des Abgriffteils 60 ist mit geeigneten Leitern mit einer äuße­ ren elektrischen Schaltung verbunden, so daß gegenüber der geerdeten metallischen Prallplatte 106 eine Kapazität ge­ bildet wird. Die Bewegung der Prallplatte 106 kann elektrisch als Änderung der Kapazität ausgewertet werden. Wie im vor­ stehenden erwähnt, besteht die Prallplatte 106 aus Metall und sie kann leicht mittels eines Verbindungsleiters mit dem Haltering 102 verbunden und geerdet werden. Demnach wird die Prallplatte 106 weder mechanisch noch physikalisch durch die Verbindung zwischen Erde und Prallplatte 106 beeinflußt.

Das elektrische Schaltbild für das Beschleunigungsmeß­ gerät 10 ist in der Fig. 7 dargestellt. Wie schon erwähnt, ist die Prallplatte 106 über den Haltering 102 geerdet. Zwei Abgriffteile 60 sind an einen Positionsdetektor und Verstär­ ker 150 angeschlossen. Der Positionsdetektor und Verstärker 150 ist an eine Detektortreiberschaltung 160 und einen Kom­ pensator 170 angeschlossen. Der Kompensator 170 ist über einen Verstärker 180 an eine der Spulen 112 angeschlossen. Beim Betrieb können die beiden Permanentmagnete 36 einen Magnetfluß erzeugen, bei welchem die Prallplatte 106 in ihrer neutralen Position gehalten wird.

Wenn die beiden Anlenkstellen 104, über welche die Prallplat­ te 106 mit dem Haltering 102 verbunden sind, mit Hilfe einer elektrischen Entladungsbearbeitung gebildet sind, wird die Prallplatte 106 aus der neutralen Position aufgrund von me­ chanischen Spannungen bei der Bearbeitung abgelenkt. Es ist unmöglich, derartige mechanische Spannungen beim Zusammenbau des Beschleunigungsmeßgerätes zu beseitigen. Dies führt zu einem merklichen Fehler bei der Beschleunigungsmessung. Aus der vorstehend erwähnten Abweichung bzw. Auslenkung der Prallplatte 106 aus der neutralen Stellung ergibt sich ein Fehlerausgangssignal, welches als "Vorbelastung" festge­ stellt werden kann.

Bei der Erfindung kann die vorstehend erwähnte Auslenkung der Prallplatte 106 korrigiert werden. Die Prallplatte 106 besteht aus nichtmagnetischem Metall. Nichtsdestoweniger besitzt sie jedoch eine wenn auch nur schwache magnetische Eigenschaft, da aufgrund von Verunreinigungen ein gewisser Magnetismus im Metall enthalten ist.

Wenn die Prallplatte 106 beispielsweise nach unten von der Anlenkstelle 104 ausgelenkt ist, kann das Beschleunigungs­ meßgerät 10 in ein Magnetfeld getaucht werden, welches durch den Pfeil N-S angegeben ist. Der untere Permanentmagnet 36b wird dann entmagnetisiert, und der Magnetfluß des oberen Magneten 36a erhöht sich gegenüber dem des unteren Magneten 36b. Demzufolge wird auf die Prallplatte 106 ein Drehmoment ausgeübt, durch welches die Prallplatte nach oben in bezug auf die Anlenkstelle 104 bewegt wird. Die Auslenkung der Prallplatte kann somit korrigiert werden. Die Stärke des für die Korrektur der Auslenkung der Prallplatte 106 anzu­ wendenden Magnetfeldes kann eingestellt werden in Abhängig­ keit vom Ausmaß der Auslenkung.

Die konstruktiven Bauteile des Beschleunigungsmeßgeräts 10 werden bei der Erfindung durch mechanische Spannungen, die aus unterschiedlichen Materialeigenschaften resultieren, nicht verformt.

Außerdem läßt sich das Nacheilen, welches aus mechanischen Spannungen in den jeweiligen Anlenkstellen 104 resultiert, minimieren. Dies ergibt sich insbesondere daraus, daß die Prallplatte 106 und der Haltering 102 aus einem Stück und aus nichtmagnetischem Material, insbesondere einer Kobalt- Nickel-Legierung, bestehen.

Es wurden Prallplatten hergestellt aus einer Kobalt-Nickel- Legierung, einer Titan-Legierung und einer Beryllium-Legie­ rung bei gleichen Herstellungsbedingungen. Jede dieser Prallplatten wurde im Beschleunigungsmeßgerät angeordnet und bei einer Temperatur von 65° C getestet. Die Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Fehler und der Zeit die­ ser Beschleunigungsmeßgeräte, wobei zu ersehen ist, daß das Beschleunigungsmeßgerät mit einer Prallplatte aus einer Nickel-Kobalt-Legierung bedeutend besser ist als ein Be­ schleunigungsmeßgerät mit einer Prallplatte aus einer Ti­ tan-Legierung oder einer Beryllium-Legierung, soweit es die Nacheileigenschaften betrifft.

Beim Ausführungsbeispiel wird der Lagerring 50 von zwei vor­ stehenden Stegteilen 44 auf der Umfangsfläche des Ringflan­ sches 32 eines jeden Stators 34 gehalten. Die thermischen Spannungen, welche zwischen dem Stator 34 und dem Lagerring 50 entstehen, werden leicht aufgelöst. Wenn die Prallplatte 106 durch zwei vorstehende Stegteile 44 gelagert ist und jede der Anlenkstellen 104 der Prallplatte 106 auf einer Linie liegt, die einen Winkel von 28° gegenüber der durch die erhöhten Stegpositionen 44 verlaufenden Mittellinie Y-Y einschließt, ändert sich ein Neigungswinkel einer Tangente "l", welche an der Anlenkstelle anliegt bei der in der Fig. 10a gezeigten Ausführungsform, in welcher die Prallplatte an zwei Stellen gelagert ist, weniger als bei der Ausführungsform, welche in der Fig. 10b gezeigt ist, bei welcher die Prallplatte an drei Stellen gelagert ist.

Das Beschleunigungsmeßgerät 10 gemäß der Fig. 10 besitzt her­ vorragende Eigenschaften bezüglich der Genauigkeit der Meß­ ergebnisse, weil die Teile, welche die mittlere Bauteilean­ ordnung 100 bilden und der Trägerteil 116 für den Kern 114 aus dem gleichen Metall hergestellt sind wie die Prallplat­ te 106 bzw. aus einem Metall hergestellt sind, das den glei­ chen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Metall der Prallplatte 106. Ferner befindet sich die Verbin­ dungsstelle für die Verbindungsleitung 122 mit den Anschluß­ enden der Spule 112 auf einer Mittellinie C-C zwischen den Anlenkstellen 104.

Claims (4)

1. Beschleunigungsmeßgerät mit einer einen ersten und einen zweiten Stator enthaltenden Magnetanordnung, mit einem Paar von einander diametral gegenüberliegenden, bogenförmig an der Oberfläche jedes Stators ausgebildeten Stegen, an welchen Lagerringe anliegen, mit Beschleunigungsdetektormitteln aus einer Schwingscheibe und einem zugeordneten Haltering aus nicht-magnetischem Metall, wobei der Haltering zwischen den Lagerringen angeordnet ist, die Schwingscheibe über zwei im Abstand voneinander liegende Anlenkstellen schwenkbar am Haltering gelagert ist und an den beiden gegenüberliegenden Flächen der Schwingscheibe je ein Kern vorgesehen ist, um welchen jeweils eine Spule gewickelt ist, mit Abgriffs­ teilen und Verbindungsleitungen an den Spulen, ferner mit Permanentmagneten, mit denen die Statoren versehen sind und deren Pole mit gleicher Polarität gegeneinander gerichtet sind, wobei jede Spule mit einer Leitung zu einem außen­ liegenden Schaltkreis an einer Stelle verbunden ist, die die auf der durch die Mitte der beiden Anlenkstellen der Schwingscheibe sich erstreckenden, gedachten Mittellinie liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (112) je auf einem Trägerteil (116) befestigt sind, das aus dem gleichen Material wie die Schwingscheibe (106) oder aus einem Metall besteht, das den selben Aus­ dehnungskoeffizienten wie die Schwingscheibe (106) hat, und daß die Abgriffteile (60) jede der Statorspulen (112) U-förmig umfassen, ferner daß die Enden der bogenförmigen Stege (44) einen Winkel von im wesentlichen 42° miteinander einschließen.

2. Beschleunigungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Anlenkstellen (104) für die Schwingscheibe (106) auf einer Schnittlinie des Innenumfangs (109) des Hal­ teringes (102) und einer Geraden mit einem Winkel von 28° relativ zu einer Geraden durch die Mitte der Schwingscheibe auf einer Fläche, die senkrecht eine Längsachse des Be­ schleunigungsmeßgerätes schneidet, angeordnet ist.

3. Beschleunigungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingscheibe (106) aus einer Kobalt-Nickellegierung besteht.

4. Beschleunigungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch die Herstellung bewirkte Auslenkung der Schwingscheibe (106) korrigiert ist durch Einstellung der Magnetflußdichte eines der beiden Permanentmagnete (36).