DE1698638A1

DE1698638A1 - Vorrichtung zum Messen von Winkelgeschwindigkeiten

Info

Publication number: DE1698638A1
Application number: DE19661698638
Authority: DE
Inventors: Camarata Frank Justin
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1966-01-04
Filing date: 1966-12-09
Publication date: 1970-11-12
Also published as: FR1503413A; US3447383A; GB1119489A

Description

Beschreibung zu der Patentanmeldung der Firma

United Aircraft Corporation, HOO Main Street, East Hartford

Connecticut, USA

betreffend
Vorrichtung zum Messen von Winkelgeschwindigkeiten

Priorität; 4. Januar 1966 - USA

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Winkel geschwindigkeiten eines Körpers um eine Achseο

Die Erfindung macht Gebrauch von zwei gegensinnig laufenden Wirbeln, deren Achsen jeweils mit der Achse zusammenfallen, um die die Bewegung eines Körpers festgestellt werden soll. Dabei wird die Ausgangsströmung oder der Druck jedes Wirbels mit denjenigen des anderen Wirbels verglichen und der Unterschied dieser Größen zum Anzeigen der Winkelgeschwindigkeit und Richtung des die Wirbel führenden Körpers um seine Achse verwendet

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Der Körper selbst kann Kammern begrenzen, welche so ausgebildet sind, daß sie gegensinnig laufende Strömungsmittelwirbel erzeugen, etwa Luftwirbel, in den meisten Fällen ist es jedoch wünschenswert, die Vorrichtung zum Hessen von Größe und Richtung der Winkelgeschwindigkeit als getrennte Einrichtung aufzubauen mit zwei Wirbelgeneratoren« die von entsprechenden Kammern begrenzt sind. Vorzugsweise umfaßt eine derartige Baueinheit eine Einrichtung zum Vergleichen der Ausgangsgrößen der Wirbel und zum Verstärken eines von dem Differentialdruck oder der Differentialströmung der Ausgänge abgeleiteten Signals. Dieses Sig-P nal kann nach eventueller Verstärkung zur Anzeige der Geschwindigkeit und Richtung der Winkelbewegung des Körpers um dessen Bezugsachse verwendet werden, und mit dieser Vorrichtung kann auch ein Steuermechanismus betätigt werden, der die Drehbewegung des Körpers unterstützt, abschwächt oder verhindert.

Die Vorrichtung nach der Erfindung weist also eine ähnliche Funktion auf wie ein Kreisel, da sie sich auch zum Messen der Größe und Richtung der Winkelgeschwindigkeit eines Körpers um eine Bezugsachse eignet und von diesen Größen abhängige Signale erzeugt, welche zur Steuerung der Winkelbewegung des Körpers verwendet werden können.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig, 3 ist ein Querschnitt längs der Linie 3-3 von Fig. 2.

Gemäß der Erfindung wird ein Paar gegenläufig sich bewegender Wirbel verwendet, deren Mittellinien auf einer gemeinsamen Achse liegen, die mit der Achse zusammenfällt, um die eine Bewegung

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eines Körpers gemessen werden solle Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung sind die Wirbelkammerη nicht in dem Körper selbst gebildet, sondern durch ein Paar Wirbelgeneratoren 10 und 12 begrenzt, welche an dem Körper auf einer gemeinsamen Achse X-X gehalten sind, um die die Bewegung des Körpers gemessen wird. Die beiden Wirbelkammerkörper sind gleich ausgebildet, können jedoch sehr verschiedenartig gestaltet sein. Bei der dargestellten AusfUhrungsform umfaßt der Wirbelgenerator eine Kappe IU₁ die einen Gehäusekörper 16 abschließt. Vorzugsweise inmitten der Kappe 14 ist ein Einlaß 18 angebracht, der also mit der Achse X-X zusammenfällt und die Strömung des Strömungsmittel, etwa Luft, in den Generator führt. Der Einlaß 18 steht insbesondere mit einem oder mit mehreren radialen Durchtritten 20 in Verbindung, welche das Strömungsmittel in eine innerhalb der Kappe m zwischen dieser und dem Gehäusekörper 16 angebrachten FUllkammer 22 leitet.

Der GehäusekÖrper 16 begrenzt eine im wesentlichen kegelförmige Kammer 24, die die Wirbelkammer des Generators bildet und die ihren größten Durchmesser in der Nähe der Kappe 1·» hat und einen axial angeordneten Auslaß 26 für das Strömungsmittel oder wenigstens für einen Teil desselben umfaßt, nachdem dieses die Wirbelströmung vollendet hat. Die Wirbelströmung innerhalb der λ Kammer 24 wird um einen im wesentlichen konischen Stopfen 28 " eingeleitet,, und zwar durch allgemein tangentiale Durchtritte 30, die eine Verbindung zwischen der Füllkammer 22 und der konischen Wirbelkammer 24 herstellen. Die Durchtritte 30 sind am äußeren Ende des Gehäusekörpers gebildet, können jedoch auch in einem getrennten Ring angeordnet sein, der an diesem Körper angebracht wird. Man erkennt aus Figur 3, daß die Durchtritte so angeordnet sind, daß sie eine Drehbewegung des von der Füllkammer in die Wirbelkammer strömenden Strömungsmittels einleiten Da diese Strömung von der Außenseite der Kappe 11 bei jedem der Generatoren 10 und 12 im Gegenuhrzeigersinn erfolgt, erkennt man leicht, daß die Drehrichtung in der einen Kammer

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entgegengesetzt zu der Drehrichtung in der anderen Kammer in Bezug auf die gemeinsame Achse X-X- liegt.

Es ist bekannt, daß der Druck des Strömungsmittels am Einlaß und am Bereich des Wirbels mit dem größten Durchmesser größer ist als in der Mitte, d.h» an der Stelle mit dem kleinsten Durchmesser. Der Druck der Luft oder eines sonstigen Strömungsmittels, das durch die Wirbelgeneratoren geleitet wird, ist daher am Einlaß 18 und in der Füllkammer 22 oder auch in den Durchtritten größer als an dem zentralen Auslaß 26 des Wirbels in der Achse X-X« Da die Wirbelkanunern und Generatoren im wesentlichen offensichtlich identisch sind, ist der Druck an dem Wirbelauslaß 26 bei beiden Generatoren gleich, vorausgesetzt, daß jeder Wirbelgenerator von der gleichen Strömungsmittelquelle oder mit dem gleichen Druck gespeist wird» Vorzugsweise wird das Strömungsmittel den Einlassen 18 bei einem höheren Druck als Atmosphärendruck zugeleitet=

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung wird der Strömungsmitteldruck nahe der Mitte des einen Auslasses 26 mit dem Druck nahe der Mitte des anderen Auslasses 26 in einer Druck- und/oder Strömungsverstärkervorrichtung 32 verglichen. Um die Drücke an den entsprechenden Auslässen 26 abzunehmen und zu vergleichen, ist die Druckverstärkervorrichtung 32 mit einem Paar Aufnahmeröhrchen 33 versehen, die auf die Mitten der betreffenden Auslaßöffnungen der Generatoren 10 und 12 gerichtet sind, wobei die Bohrungen der Aufnahmeröhrchen 33 kleiner gehalten sind als die Bohrungen der Auslässe 26= Die Generatoren 10 und 12 sind ferner längs der Achse X-X im Abstand voneinander angeordnet,und ihre Auslässe 26 liegen jeweils im Abstand von der Druckverstärkervorrichtung 32 und von den Aufnahmeröhrchen 33.

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Eine bevorzugte Form einer Druckverstärkervorrichtung 32 umfaßt einen rechteckigen Körper, der mit einer Bohrung 34 versehen ist, die sich durch den Körper hindurcherstreckt und die Aufnahmeröhrchen 33 trägt, die auf die Auslässe 26 weisen. Die Strömung aus einem Auslaß ist daher der Strömung aus dem anderen Auslaß direkt entgegengerichtetο Das Gehäuseteil der Druckverstärkervorrichtung ist ferner mit einem Einlaß 36 versehen, der sich quer zu der Bohrung 34 erstreckt und mit einer Anzahl Auslaßöffnungen in,Verbindung steht. Vorzugsweise sind drei Auslaßöffnungen 38j 40 und 42 vorgesehen, die an die Leitungen 44, 46 Λ bzw, 48 anschließen»

Beim Betrieb der Vorrichtung wird eine stetige Strömung eines Strömungsmittels unter Druck in die Einlaßöffnung 36 geleitet, so daß sie an die Auslaßöffnungen 38, 40 und 42 weiterströmt. Wenn der Körper sich nicht um seine Achse X-X- dreht> sind an den Auslässen 26 gleiche Strömungsverhältnisse und gleiche Drücke vorhanden, so daß die in der Bohrung -34 in entgegengesetzter Richtung fließenden, von den Auslässen hex rührenden Strömungen sich gegeneinander aufheben und die durch di« Einlaßöffnung: 36 fließende Strömung daher aus ihrer geraden Bahn nicht ablenken» Demgemäß fließt der größere Anteil der Strömung von der Einlaßöffnung 36 in die mittlere Auslaßöffnung 40. In jedem i Fall sind jedoch die Strömungen in den seitlichen Auslaßöffnungen 38 und 42 und die Drücke in denselben gleich oder im wesentlichen gleich, da die Verbindungsstellen zwischen diesen seitlichen Auslaßöffnungen und der Einlaßöffnung 36 im wesentlichen gleich und im gleichen Abstand auf entgegengesetzten Seiten der Einlaßöffnung angeordnet sind. Dieser Gleichgewichtszustand zeigt an, daß der Körper sich nicht um seine Achse X-X dreht,

Falls der Körper sich jedoch um diese Achse in irgendeiner Richtung dreht, so fällt diese Drehbewegung natürlich entweder mit der Richtung des einen Wirbels zusammen und ist entgegengesetzt zur Richtung des anderen Wirbels, so daß der eine Wirbel verstärkt

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and der andere geschwächt wird, wobei unterschiedliche Ströraungsverhältnisse an den Auslässen 26, insbesondere unterschiedliche Wirbelstärken an denselben auftreten. Wenn z.B. der Körper in einer bestimmten Drehrichtung um die Achse X-X gedreht wird, so wird der Druck und die Wirbelstärke (momentum of flow) nahe der Mitte des Auslasses 26 des Generators 10 verringert, während der Druck und die Wirbelstärke nahe der Mitte des Auslasses 26 des Generators 12 verstärkt wird. Die Differenz an den Auslässen 26 erzeugt eine stärkere Strömung in dem dem Generator 12 zugeordneten Aufnahmeröhrchen 33 und eine schwächere Strömung in dem dem Generator 10 zugeordneten Aufnahmeröhrchen 33, so daß die durch die Einlaßöffnung 36 in der Druckverstärkervorrichtung 32 fließende Strömung aus ihrer geraden Bahn in Richtung auf die seitliche Auslaßöffnung 38 abgelenkt wird. Zwischen den seitlichen Aualaßöffnungen 38 und 42 wird daher eine Druckdifferenz hergestellt, wobei der größere Druck in der Auslaßleitung 38 herrscht, Dieser Umstand dient zum Erzeugen eines Drucksignals zur Anzeige der Drehrichtung, in der sich der Körper um die Achse X-X dreht Die Höhe des Druckunterschiedes zwischen den Auslaßöffnungen 38 und 42 zeigt die Drehgeschwindigkeit an, da mit zunehmender Drehgeschwindigkeit auch der Druckunterschied größer wirdο Das zusammengesetzte Signal, das durch die Drucke an den Auslaßöffnungen 38 und 42 dargestellt ist, ist gegenüber den Auslaßdrücken der Auslässe 26 wesentlich verstärkt und kann offensichtlich für Steuerungszwecke verwendet werden, etwa zum Steuern der Drehbewegung des Körpers mittels einer Stabilisiervorrichtung oder dergleichen·

Andererseits wird bei einer umgekehrten Drehrichtung ein geringerer Druck in der Mitte des Auslasses 26 des Generators 12 herrschen und ein erhöhter Druck in der Mitte des Auslasses 26 des Generators 10, Dadurch wird die durch die Druckverstärkervorrichtung fließende Strömung mehr zu der Auslaßöffnung 42 hin abgelenkt, so daß unterschiedliche Zustände zwischen den seitlichen Auslaßöffnungen 38 und 42 erzeugt werden, die wesentlich

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gegenüber den unterschiedlichen Zuständen an den Auslässen 26 verstärkt sind. Der an der Auslaßöffnung 42 auftretende höhere Druck zeigt die Drehrichtung des Körpers an,und die Höhe des zwischen den Auslaßöffnungen 38 und 42 herrschenden Unterschiedes zeigt die Drehgeschwindigkeit des Körpers anο In beiden Fällen kann das zusammengesetzte Signal, etwa als Drucksignal, zum Stabilisieren des Körpers oder für andere Steuerfunktionen verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Messen von Richtung und Größe von Winkelgeschwindigkeiten eines Körpers um eine Achse, g e k e η η -zeichnet durch ein Paar Wirbelkammern zum Erzeugen gegeneinnig umlaufender Wirbelströaungen eines Strömungsmittels

^ und durch eine Vergleicheeinrichtung zum Vergleichen der aus den Wirbelkammern austretenden Wirbel, wobei die Druckdifferenz oder Strömungsdifferenz der Wirbel ein Maß für die Größe und Richtung der Winkelgeschwindigkeit des Körpers um die Bezugsachse ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Stabilisieren des Körpers oder zum Steuern verwendet wird.

3« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar Wirbelgeneratoren (10,12) als getrennte Einheit vorgesehen ist, und daß jeder Wirbelgenerator einen Einlaß w (18) und eine Füllkamaer (22) am einen Ende und einen Auslaß (26) am anderen Ende auf der Achse und Mittellinie einer konischen Wirbelkammer (24) aufweist, die mit der Füllkammer und dem Auslaß in Verbindung steht.

H, Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch g e k e η η = zeichnet , daß der Körper ein Paar Wirbelkammern umfaßt, die eine Wirbelströmung in entgegengesetzten Richtungen um eine Achse erzeugen, und daß jede Kammer mit einem Einlaß und einem Auslaß versehen ist, die mit der Wirbelbahn in Verbindung stehen»

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5, Vorrichtung nach Anspruch 1 bis ·», dadurch g e k e η η ~ zeichnet , daß die Ausgänge (26) der Wirbelkammern. (24) in der Achse angeordnet sind, so daß die Ausgangsdrücke im wesentlichen in der Mitte der Wirbel abgenommen werden.

6, Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Ausgänge (26) einander gegenüberliegend im Abstand voneinander auf einer Achse angeordnet sind, wobei zwischen den Ausgängen eine Druckvergleichsvorrichtung angeordnet ist. M

7, Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Druckvergleichsvorrichtung einen Proportionalverstärker umfaßt mit einer Einlaßöffnung und wenigstens zwei Auslaßöffnungen zum Durchleiten eines Strömungsmittels unter Druck, wobei die Einlaßöffnung so in Bezug auf die Auslaßöffnung angeordnet ist, daß eine Druckdifferenz zwischen den Ausgängen (2S) der Wirbelkammern die Strömung durch den Proportionalverstärker in Richtung auf die Auslaßöffnungen ablenkt, so daß eine Druckdifferenz zwischen diesen erzeugt wird.

8, Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich? net, daß der Proportionalverstärker drei Auslaßöffnungen (38, f to, «f2) aufweist, wobei der eine Auslaß wenigstens einen Teil der durch den Proportionalverstärker fließenden Strömung aufnimmt und die Drücke an den beiden anderen Ausgangsöffnungen im wesentlichen gleich sind, wenn die Drücke oder Strömungszustände an den Ausgängen (26) der Wirbelkammern (10,12) im wesentlichen gleich sind, und daß eine Auslaßöffnung einen geringeren Anteil der Strömung durch den Proportionalverstärker aufnimmt, während der Druck bei einer der anderen Ausgangsöffnungen zunimmt und der Druck bei der anderen abnimmt, wenn eine Druckdifferenz oder Strömungszustandsdifferenz zwischen den Ausgängen (26) der Wirbelkammern (10,12) auftritt, wobei die Druckdifferenz zwischen den beiden letztgenannten Ausganga'Jrfnimg^n (30,^2) λ la Λη u.lf', Signal für Uni ui'-'".t'i ■ tJ-i^ Γιι··ί1γϊ;*._, ^l :;ü ; ν;_Γί·/ /<t'-/> ι < ,Ir i

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