NO771056L - Akselerometer. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår akselerometre, dvs. instru-menter til å avføle og_måle akselerasjoner.

Mer spesielt angår oppfinnelsen forbedringer ved akselerometre av den type som innbefatter minst én del som på et fundament eller.en monteringsinnretning som inngår i eller på annen måte utgjør en del av akselerometeret, befinner seg i en tilstand av stabil likevekt, bortsett fra når akselerometeret og dermed fundamentet eller monteringsinnretningen utsettes for en akselerasjon som overskrider en viss terskelverdi. I resten av den foreliggende beskrivelse vil et slikt akselerometer bli omtalt som "et akselerometer av den angitte art". I forbindelse med et akselerometer av den angitte art er akselerasjonens terskelverdi kjennetegnet ved den spesielle kombinasjon av delen og fundamentet eller den angjeldende monteringsinnretning, og hver gang denne terskelverdi overskrides, forstyrres delens likevekt, så den beveger seg i forhold til fundamentet eller monteringsinnretningen. Et "fundament" eller en "monteringsinnretning" som nevnt, vil i resten av den foreliggende beskrivelse for enkelhets skyld bli omtalt bare som "fundamentet", og dette uttrykk "fundament" er som forholdene tilsier, å oppfatte som enten et enkelt fundament eller en kombinasjon av fundamenter.

Bevegelsen av delen i forhold til fundamentet gir opphav til dannelse av et signal som ved enkle utførelsesformer for akselerometeret rett og slett kan indikere forekomsten av en akselerasjon som er større enn terskelverdien. Ved mer raffinerte utførelses-former for akselerometeret vil man imidlertid kunne la signalet i det minste indikerer størrelsen og eventuelt retningen av akselerasjonen.

Ved en kjent utførelsesform for et akselerometer av den om-talte art er delen en metallkule, og fundamentet består av tre metallstykker som vanligvis er anordnet ved hjørnene av en likesidet trekant, og som kulen hviler på. Kulen holdes i elektrisk kontakt med stykkene ved sin egen vekt, men den kan i tillegg holdes ned mot stykkene ved hjelp av en magnetisk krets fremskaffet ved en magnet anordnet mellom stykkene. Under drift tillates elektriske strømmer å gå fra det ene stykke til de andre to. Strømforløpet overvåkes kontinuerlig, og dersom fundamentet utsettes for en akselerasjon som f.eks. ligger i et plan gjennom de tre stykker, og som er. større enn terskelverdien, vil den elektriske kontakt bli brutt mellom minst ett av stykkene og kulens overflate. Det resulterende avbrudd i strømforløpet mellom paret eller parene av stykker viser øyeblikkelig at der har forekommet en akselerasjon større enn terskelverdien. Det par av støtte-stykker som der her er tale om, vil gi i det minste en indikasjon på den generelle retning av akselerasjonen, og fra kjennskapet til de mekaniske egenskaper hos kule- og støttestykkesystemet og til avbruddshyppigheten av strømforløpet mellom par av stykker er det mulig å bestemme størrelsen og varigheten av akselerasjonen.

På lignende måte vil et kjennskap til avbruddshyppigheten av strøm-forløpet mellom hvilke som helst to par av støttestykker være til hjelp for med større nøyaktighet å bestemme retningen av akselerasjonen i planet gjennom støttestykkene.

En ulempe ved et akselerometer av denne art er at kulen og kontaktstykkene må være korrosjonsfaste, slik at den elektriske overgangsmotstand mellom kulen og stykkene ikke vil endre seg når akselerometeret er i bruk. Denne ulempe kan avhjelpes ved innkapsling av kulen og kontaktstykkene i en lukket beholder som enten er lufttom eller fylt med en inert atmosfære, eller ved overtrekning av kulen og kontaktstykkene med et korrosjons-bestandig, ledende materiale, f.eks. gull.

Den første løsning er upraktisk og dyr og gjør adkomsten til kulen og kontaktstykkene i forbindelse med ettersyn vanskelig.

Den annen løsning fører, spesielt dersom der brukes gull som kon-taktmåter iale, ofte til trykksveising av. kulen til ett eller flere av kontaktstykkene. Dette er spesielt tilfellet dersom akselerometeret ikke blir brukt over et lengre tidsrom, og fører til tap av.instrumentets følsomhet, fordi der vanligvis kreves en akselerasjon som er adskillig større enn den beregnede terskelverdi, for å bryte de nevnte sveiseforbindelser.

En hensikt med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe et akselerometer hvor de ovennevnte ulemper er unngått eller i det minste vesentlig redusert.

Ifølge et trekk ved den foreliggende oppfinnelse er et akselerometer av den angitte art utført slik at bevegelsen av delen

i forhold til fundamentet (som definert ovenfor) bevirker en endring i en fysisk parameter hos akselerometeret, forskjellig fra en dimensjonsendring forårsaket av deformasjon, og forskjellig fra, eller i tillegg til, et elektrisk strømløp via delen fra et

parti av fundamentet til et annet, idet delen og fundamentet fortrinnsvis består av slikt materiale eller materialer at de ikke vil forbindes ved trykksveising.

Fortrinnsvis er den fysiske parameter den magnetiske fluks i en magnetisk krets som i det minste innbefatter et parti av delen og et parti av fundamentet.

Alternativt kan den fysiske parameter være kapasiteten mellom i det minste et parti av hoveddelen og i det minste en del av fundamentet.

Ifølge en spesiell utførelsesform for oppfinnelsen er en første fundamentdel, og hoveddelen .fremstilt av magnetiske materialer og de øvrige fundamentdeler fremstilt av ikke-magnetiske materialer, idet den første fundamentdel har en forlengelse som strekker seg gjennom og danner en kjerne for et solenoid, en magnet eller et magnetiserbart element festet til kjernen på et sted som ligger på avstand fra hoveddelen, idet elementet har et polstykke som er utført med en endeflate som vender mot hoveddelen tversover en avstandsdannende spalte, slik at hoveddelen, den første fundamentdel og dennes forlengelse, magneten eller det magnetiserbare element, polstykket og den avstandsdannende spalte utgjør en magnetisk, krets med en hovedsakelig konstant fluks når hoveddelen er lagret på fundamentet, og idet fluksen, når solenoidet er i virksomhet/endrer seg når akselerometeretutsettes for en akselerasjon som løser hoveddelen - fra fundament-delene for å endre størrelsen av den avstandsdannende spalte ogfremskaffe en ytterligere avstandsdannende spalte mellom hoveddelen og det første fundamentstykke.

Ifølge en annen spesiell utførelsesform for oppfinnelsen er hoveddelen stort sett soppformet med et hode og en stamme, og akselerometeret omfatter også en ringformet permanentmagnet eller et ringformet magnetiserbart element, tre hovedsakelig parallelle og i jevne avstander plaserte kjernestykker anordnet på elementet og tilknyttet hvert sitt solenoid, idet den ene ende av hver kjerne utgjør et fundament for hoveddelen, slik at stammen ved stillstand befinner seg i et mellomrom mellom solenoidene og strekker seg med klaring gjennom det ringformede element, idethodet er opplagret på de tre fundamentstykker som utgjøres av endene av kjernene, og uforstyrrede flukssammenkjedninger forekommer i magnetiske kretser mellom de enkelte solenoider, et parti av det ringformede element, en avstandsdannende spalte mellom det ringformede element og stammen, hodet og den passende kjerne., idet fluksen endrer seg når akselerometeret utsettes for en akselerasjon som løser hodet fra minst et av fundamentstykkene for å skaffe en spalte mellom disse.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli belyst ved eksempler under henvisning til tegningen. Fig. 1 er et sideriss av en utførelsesform for.et akselerometer ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er et perspektivriss av en annen utførelsesform for akselerometeret med delene trukket fra hverandre. I utførelsen på fig. 1 hviler en kule 1 av jern eller annet ferromagnetisk materiale fritt på sokler eller stykker 2, 3 og 4 (stykket 4 er ikke synlig på figuren og befinner seg rett bak stykket 3) som er anordnet ved hjørnene av en likesidet trekant. Stykkene 3 og 4 består av umagnetisk materiale, f.eks. en hard kobberlegering eller plastmateriale, og er festet på et rundt umagnetisk fundament 8. Stykket 2 utgjør en forlengelse av en kjerne i et solenoid 5 og er utført av jern eller annet ferromagnetisk materiale. Som vist er stykket 2 ført gjennom fundamentet 8 og strekker seg gjennom solenoidet 5 ned til en permanentmagnet 6 som det er festet til. Sluttelig er der til den ende av stavmagneten 6 som ikke bærer kjernen 2, festet en vinkelformet arm 7 av jern eller annet ferromagnetisk materiale, som ved sin øvre ende bærer et justerbart polstykke 9.

Kulen 1, stykket (kjernen) 2, stavmagneten 6, den vinkel-formede arm 7, det justerbare polstykke 9 og sluttelig en luft spalte 11 mellom enden 12 av polstykket 9 og kulen 1 utgjør til-sammen en magnetisk krets. Når kulen 1, som vist, hviler på stykkene 2, 3 og 4 (som selvsagt utgjør fundamentet i akselerometeret) og akselerometeret er uforstyrret, er fluksen i den mag-netiske krets hovedsakelig konstant. - Antallet av sluttede kraftlinjer gjennom vindingene i solenoidet er da også hovedsakelig konstant, og i praksis vil der ikke opptre noe spenningsforskjell over ledningstilslutningene 13, 14 til spolen 5.

Når anordningen på fig. 1 utsettes for en akselerasjon f.eks. i et plan som inneholder de øvre ender av stykkene 2,3 og 4, samtidig som akselerasjonen er større enn akselerometerets akse-lerasjons-terskelverdi, vil kulen 1 forstyrres og enten vippe om to av stykkene eller et av disse. Dersom kulen vipper om stykkene 3 og 4, vil der mellom toppen av stykket 2 og kulen opptre et mellomrom, flukstettheten i den magnetiske krets såvel som an-tall flukslinjer i vindingene i solenoidet 5 vil endre seg, og en spenningsdifferanse vil opptre mellom tilslutningsledningene 13 og 14 til solenoidet.

Nettoendringen av den magnetiske fluks i kretsen skyldes såvel den luftspalte som fremkommer mellom stykket 2 og kulen, som minskningen av luftspalten 11. Dersom kulen nå på grunn av akselerasjonen vipper om stykkene 2 og 3 eller 2 og 4, vil der mellom stykket 2 og kulen ikke opptre noen luftspalte, men luftspalten 11 vil igjen endre seg.

I dette tilfelle øker fluksen, mens fluksen i det foregående tilfelle avtok, i det minste ved forholdsvis små vidder av den spalte som fremkom mellom stykket 2 og kulen.

Selvsagt vil kulen 1 vanligvis etter kort tid vende tilbake til sin opprinnelige stilling, slik at signalet som opptrer på tilslutningene 13, 14 når kulen beveger seg vekk fra stykket 2, vil være en transient spenning som har en viss polaritet, og som stiger til en maksimalverdi og så synker tilbake til null (vanligvis fulgt av en kort serie av lignende, men avtagende transient-spenninger, idet kulen preller mot stykket 2). Ved bevegelser vekk fra stykkene 3 og 4 vil imidlertid en transient spenning ha motsatt polaritet og være mindre enn før. Dette skaffer en enkel måte til å sondre mellom en slik akselerasjon, f.eks. i planet for fundamentstykket 8, som vil bringe kulen til å bevege seg vekk fra stykket 2, og andre akselerasjoner i det samme plan.

Apparatets følsomhet vil være avhengig^av kulens masse og diameter i forhold-til avstanden mellom stykkene 2, 3 og 4. En tung kule vil ha større treghet og følgelig, kreve større krefter for å beveges vekk fra stykkene og vice versa. Dersom andre ting holdes like, vil derfor en skiftning til en lettere kule føre til en øket følsomhet. På lignende måte vil der oppnås en økning i følsomhet dersom kulen ved en gitt avstand mellom stykkene er-stattes med en kule som har større diameter og ligger høyere mellom stykkene. Den samme virkning oppnås også dersom stykkene settes nærmere hverandre, slik at kulen mellom dem ligger på et høyere nivå.. I virkeligheten er det gunstig om stykkene 3 og 4 gj-øres forskyvbare langs passende spor, slik at avstanden mellom stykkene kan justeres for innstilling av akselerometerets følsom-het.

Dersom stykkene beveges i forhold til hverandre i de ovennevnte hensikter^ vil kulen stige og synke, slik at mellomrommet ved topp-partiet 15 av vinkelarmen vil endres., Det samme vil skje dersom kulen 1 får en annen diameter (som vist ved de strek-punkterte sirkler på fig. 1). Det er for å gjøre det mulig å tilpasse de resulterende endringer i "høyden" av toppen av kulen at det justerbare polstykke 9 er anordnet. Polstykket kan skrus innover og utover .i et gjengehull i armen 15 og er forsynt med en låsemutter 10, så det kan fikseres i ønsket stilling, og det tillater brukeren å justere luftspalten 11 til en ønsket vidde. Dersom akselerometeret er konstruert: for bruk med en kule av én bestemt størrelse og med stykkene 2, 3 og 4 plasert på en gitt avstand, kan det justerbare polstykke 9 sløyfes og undersiden av partiet 15 av armen 7 plaseres slik at den vil ligge i passende avstand fra toppen av kulen 1.

Instrumentet på fig. 1 kan beskyttes ved innkapsling i en lukket beholder. Denne kan dessuten inneholde en dampende væske som etter forskyvning av kulen vil hindre denne i altfor hurtig å vende tilbake til sin hvilestilling og i å prelle etter å være tilbakekommet til denne stilling... Dette.vil da gjøre det mulig å foreta mer nøyaktige målinger, av. forskyvningstidsrommet nårbrukeren er interessert i å bestemme størrelsen av akselerasjonen.

Den avvikende utførelsesform for akselerometeret ifølge oppfinnelsen som er vist på fig. 2, er - eller kan i det minste gjøres - spesielt følsom for små akselerasjoner.

Ved denne utførelsesform omfatter akselerometeret en ringformet permanentmagnet 7, til hvilken der er festet sylindriske jernkjerner som står ca. 120° fra hverandre og ender i spisse eller rettavkortede koniske polstykker 1, 2 og 3. Kjernene er anordnet inne i solenoider. 4, 5 og 6 og er ved sine øvre ender ført gjennom et umagnetisk, ringformet stykke 11 som holder dem i stilling i forhold til hverandre. Sluttelig er der til midt-partiet av en skive av jern eller annet magnetisk materiale festet en stav eller et rør 8 av samme materiale. Skiven hviler på polstykkene 1, 2 og 3, og røret 8 strekker seg ned gjennom hullet i stykket 11 og magneten 7, som stort sett sitter på linje.

Diametrene på hullene i henholdsvis magneten 7 og stykket

11 samt diameteren av staven eller røret 8 er avpasset slik at røret 8 fritt kan bevege seg sideveis inne i hullene for å -til-late skiven 9 å vippe om polstykkene 1, 2 og 3.

Når akselerometeret er anordnet som beskrevet og er uforstyrret, vil antallet av kraftlinjer som passerer de tre solenoider eller "opptaks"-spoler 4, 5 og 6, forbli hovedsakelig konstant, og der opptrer så å si. ingen spenningsforskjell på spolenes tilslutningsledninger. Hver av kjernene inne i solenoidene danner en del av en særskilt magnetkrets sluttet gjennom et radialt parti av magneten .7, luftspalten mellom den indre flate av magneten 7 og røret 8, selve røret 8 og radiale partier av skiven 9.

Når akselerometeret utsettes for en akselerasjon, f.eks. i det plan som går gjennom kjernenes endestykker 1, 2, 3 (disse endestykker eller polstykker utgjør selvsagt "fundamentet" for akselerometeret), vil skiven 9 vippe om to (eller i ekstreme til-feller ett) av polstykkene. Dermed vil der mellom skiven 9 og et (eller to) av polstykkene opptre en luftspalte, og i tillegg vil luftspalten mellom røret 8 og innerflaten av magneten 7 for den tilsvarende magnetiske krets bli redusert. Nettovirkningen vil da bli at reluktansen av den magnetiske krets vil økes og den magnetiske fluks i kretsen og antallet av kraftlinjer som omsluttes av solenoidet i kretsen, vil reduseres. Da luftspalten mellom magneten 7 og røret 8 i de to andre magneter blir øket, vil de kraftlinjer som omsluttes av de tilsvarende solenoider, på lignende måte bli noe redusert. Reduksjonen i kraftlinje- tall og dermed de spenninger som genereres på tilslutningsledningene til aktuelle solenoider, vil bli meget mindre enn i tilfellet av en magnetisk krets hvor der forekommer en ytterligere luftspalte ved vipping av skiven 9. Ved en sammenligning av spenningene som genereres i de tre spoler, er det mulig å bestemme den retning skiven 9 vipper i, og dermed retningen av akselerasjonen. . ved det akselerometer som er anskueliggjort på fig. 2, er røret 8 forsynt med et lodd 10, hvis stilling kan justeres langs røret etter ønske. På denne måte er det mulig å justere apparatets følsomhet, idet akselerometeret vil reagere på en mindre akselerasjon jo høyere loddet 10 sitter på røret 8.

Som ved akselerometeret på fig/ 1 kan det ovenfor beskrevne apparat innesluttes i en lukket beholder som eventuelt inneholder en dampende væske. Benyttes en dampende væske, vil det være i den hensikt å forlenge tiden for forstyrrelse av de deler som normalt befinner seg i en tilstand av stabil likevekt (i dette tilfelle skiven 9), og også for å redusere "prellingen", på samme måte som med instrumentet på fig. 1, for å hjelpe til med bestemmelsen av størrelsen av den akselerasjon som bevirker for-styrrelsen.

Claims (9)

1. Akselerometer omfattende minst én hoveddel og et fundament eller en monteringsinnretning til å holde hoveddelen i en tilstand av stabil likevekt unntatt når akselerometeret utsettes for en akselerasjon som overskrider en terskelverdi, karakterisert ved at en bevegelse av hoveddelen i. forhold til fundamentet bevirker en endring i en fysisk parameter hos akselerometeret forskjellig fra en dimensjonsendring forårsaket av deformasjon, og forskjellig fra eller i tillegg til en elektrisk strøm via hoveddelen fra et parti av fundamentet til et annet.

2. • Akselerometer som angitt ,i krav 1, karakterisert ved at hoveddelen og fundamentet omfatter materialer som ikke sveises sammen ved press.

3. Akselerometer som angitt i krav 1 eller 2,karakte risert ved at den fysiske parameter er den magnetiske fluks i en magnetisk krets som i det minste innbefatter et parti av hoveddelen og et parti av fundamentet.

4. Akselerometer som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den fysiske parameter er kapasiteten mellom i det minste et parti av hoveddelen og i det minste et parti av fundamentet.

5. Akselerometer som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at fundamentet innbefatter tre fundamentstykker anordnet ved hjørnene av en likesidet trekant, og at det parti av hoveddelen som er i berøring med fundamentstykkene, er halvkuleformet.

6. Akselerometer som angitt i krav 5, karakterisert v e d at et første fundamentstykke og hoveddelen er tildannet av magnetiske materialer, og de øvrige fundamentstykker er tildannet av umagnetiske materialer, idet det første fundamentstykke har en forlengelse som går gjennom og danner kjerne for et solenoid, og en magnet eller et magnetiserhart element er fastholdt til kjernen på et sted i avstand fra hoveddelen og har et polstykke med en endeflate som vender mot hoveddelen tversover en avstandsdannende spalte, slik at hoveddelen, det første fundamentstykke og dettes forlengelse, magneten resp. det magnetiserbare element, polstykket og den avstandsdannende spalte utgjør en magnetisk krets som har en hovedsakelig konstant fluks når hoveddelen støttes på fundamentstykkene og solenoidet er i virksomhet, mens fluksen endrer seg når akselerometeret utsettes for en akselerasjon som fjerner hoveddelen fra fundamentstykkene for å endre størrelsen av den avstandsdannende spalte og fremskaffe en ytterligere avstandsdannende spalte mellom hoveddelen og det første fundamentstykke.

7. Akselerometer som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert vedat hoveddelen er generelt utformet som en sopp med et hode og en stamme, og at akselerometeret også omfatter en ringformet permanentmagnet eller et ringformet permanent-magnetiserbart element, tre hovedsakelig parallelle og på lik avstand anordnede kjernestykker som er båret av elementet og hvert har et tilhørende solenoid, idet den ene ende av hver kjerne utgjør et fundamentstykke for hoveddelen, slik at denne, når den befinner seg i hvilestilling, har stammen anordnet i et mellomrom mellom solenoidene og strekker seg med klaring gjennom det ringformede element, idet hodet bæres på de tre fundamentstykker som utgjøres av endene av kjernene, og idet uforstyrrede flukssammenkjedninger foreligger i magnetiske kretser mellom de enkelte solenoider eller partier av det ringformede element, en avstandsdannende spalte mellom det ringformede element og stammen, hodet og den tilhørende kjerne, samtidig som fluksen endrer seg når akselerometeret utsettes for en akselerasjon som bringer hodet vekk fra minst én av fundamentstykkene for å etablere en spalte derimellom.

8. Akselerometer som angitt i krav 7, karakterisert ved et lodd som bæres av stammen på et sted i avstand fra fundamentet.

9. Akselerometer som angitt i krav 8, karakterisert ved at stillingen av loddet kan justeres i stammens lengde-retning.