DE1962136A1

DE1962136A1 - Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE1962136A1
Application number: DE19691962136
Authority: DE
Inventors: Aske Vernon H
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1968-12-19
Filing date: 1969-12-11
Publication date: 1970-07-02
Also published as: BE743266A; DK143046C; JPS4938462B1; YU33637B; CA941635A; DE1962136B2; GB1282579A; DK143046B; NL6918942A; DE1962136C3; SE351296B; CH503997A; AT293069B; FR2026574A1; YU317369A

Description

:. ps*jaBa34

Prankfurt am Main,' ^den Ί0. Dez. .969

H J-, P 18-,

HONEYWELL INC.
27O'i Fourth Avenue South Minneapolis, Minn. USA

WinkeIgeschwindigkeitstoßvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sur Messung von Winkelgeschwindigkeiten um wenigstens eine Achse, d.h. eine Vorrichtung, welche bei ihrer Drehung um ihre Meßachse bzw. um eine oder mehrere im Winkel zueinander stehende Meßachsen von den jeweiligen Winkelgeschwindigkeiten um die betreffende Meßachse abhängige Ausgangssignale liefert.

Bekannte Winkelgeschwindigkeitsmesser arbeiten nach dem Kreiselprinzip, sind demzufolge wegen der Vielzahl von Präzisionsbauteilen kompliziert und teuer. Die Verwendung des Kreiselprinzips macht solche Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtungen darüberhinaus sehr empfindlich gegen Temperaturänderungen, Massenungleichgewicht und dynamisches übersprechen. Aufgabe der Erfindung ist es₃ eine Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung zu schaffen, die bei möglichst einfachem Aufbau die geschilderten Nachteile bekannter Winkelgeschwindigkeitsmesser vermeidet.

Diese Aufgabe wird in Abkehr von den bisher benutzten Prinzipien gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein auf Winkelbeschleunigungen um eine Achse ansprechender Winkelbeschleunigungsmesser in einem Träger derart beweglich gelagert ist, daß der Winkel zwischen der M«?£achse der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung und der Empfindlichkeitsachse des Winkelbe3chleuriigungsmessers ■ veränderbar ist,und daß am Winkelbeschleunigungsmesser eine den Winkel zwischen den beiden genannten AcrFsen ändernde Bewegungsvorrichtung angreift, so daß, wenn die Vorrichtung einer Winkelgeschwindigkeit um ihre Meßachse ausgesetzt ist, die gleichzeitige

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Winkeländerung zwischen- den beiden Achsen eine zeitliche Änderung der in Richtung der Empfindlichkeitsachse des Winke1-beschleunigungsrnessers verlaufenden Winkelgeschwindigkeitskom- ponente bewirkt und der somit einer Winkelbeschleunigung ausgesetzte Winkelbeschleünigungsmesser ein von der Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung'abhängiges Ausgangssignal liefert.

Dieser"neuartige Winkelgeschwindigkeitsmesser arbeitet also nicht nach dem Kreiselprinzip und vermeidet hierdurch die oben erwähnten Nachteile. Eine solche Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung .läßt sich derart aufbauen, daß ein Nullabgleich entfallen kann und die Vorrichtung auch über einen weiten Temperaturbereich ohne zusätzliche Temperaturregelung eingesetzt werden kann. Der Aufbau läßt sich so treffen, daß der Winkelbeschleunigungsmesser für Linearbeschleunigungen unempfindlich ist und kein dynamisches übersprechen auftritt. Darüberhinaus kann die Vorrichtung ohne Energiezufuhr in den elektrischen Meßkreis aus sich selbst heraus ein Ausgangssignal erzeugen.

Die Arbeitsweise einer solchen Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung kann am besten anhand eines bestimmten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es sei angenommen, daß der Träger für den Beschleunigungsmesser wenigstens 6In₉VOrZUgSWeISe zwei Lager aufweist, die eine Drehung des Beschleunigungsmessers erlauben. Der Beschleunigungsmesser kann beispielsweise nur auf Beschleunigungen um eine bestimmte Empfindlichkeitsachse ansprechen. Die Vorrichtung zum Bewegen, in diesem Falle zum Drehen, des Beschleunigungsmessers besteht vorzugsweise aus einem Elektromotor, welcher den Beschleunigungsmesser mit praktisch konstanter Drehzahl antreibt. Die gesamte Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung ist an irgendeinem Körper, beispielsweise einem Plugkörper oder Plugzeug, befestigt, dessen Winkelgeschwindigkeit gemessen werden soll, und zwar derart» daß die Drehachse des Beschleunigungsmessers im rechten Winkel zur Meßachse der Win-

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kelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung., d.h. zu derjenigen Achse liegt, um die sich der Körper dreht und um die die Winkelgeschwindigkeit gemessen werden soll".

Wird der Beschleunigungsmesser vom Motor fortlaufend gedreht, so liegt die Empfindlichkeitsachse^ des Beschleunigungsmessers jeweils nach 18O° Umdrehung parallel zur Meßachse der Vorrichtung. Fluchten die beiden Achsen, so entspricht die Winkelgeschwindigkeit um die Empfindlichkeitsachse des Winkelbeschleunigungsmessers der Winkelgeschwindigkeit des Körpers um seine Meßachse. Zwischen den beiden Stellungen, in welchen die beiden Achsen fluchten bzw. parallel sind, hängt der Anteil der Winkelgeschwindigkeit um die Meßachse, welcher in Richtung der Empfindlichkeitsachse des -Beschleunigungsmessers wirkt, d.h. die Winkelgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Empfindlichkeitsachse des Winkelbeschleunigungsmessers,jeweiIs vom Winkel zwischen den beiden Achsen ab. Beträgt dieser Winkel " 90 , d.h. stehen die beiden Achsen senkrecht aufeinander, so ist die in Richtung der Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers liegende Komponente des Winkelgeschwindigkeitsvektors gleich Null. Zwischen diesen beiden Stellungen ändert sich bei konstanter Drehgeschwindigkeit des Winkerbeschleunigungsmessers um seine Lagerachse dj.e genannte Vektorkomponente sinusförmig. ·

Wird der Beschleunigungsmesser vom Motor um seine Lagerachse gedreht, so ist; er einer Winkelgeschwindigkeit um seine Empfindlichkeitsachse ausgesetzt, und diese Winkelgeschwindigkeit wächst vom Wert Null bis zur Größe der·Winkelgeschwindigkeit des Körpers um seine Meßachse an,und zwar während der 90° Drehbewegung vor dem Erreichen der Parallelität der beiden . Achsen. Während der anschließenden 90° Drehbewegung nimmt die Winkelgeschwindigkeit wieder bis zum Viert Null ab, um anschließend wieder bis zum vollen Wert, allerdings in entgegen-

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gesetzter Richtung, anzuwachsen und schließlich wieder während der vierten Drehung um .90° auf Null anzufallen.. Der Beschleunigungsmesser ist"somit einer sinusförmig in Abhängigkeit von der Zeit sich ändernden Winkelgeschwindigkeit" ausgesetzt, d.h. einer sinusförmig verlaufenden Winkelbeschleunigung um seine Empfindlichkeitsachse. Diese Beschleunigung hängt von der Winkelgeschwindigkeit des Körpers um die Meßachse und der Winkelgeschwindigkeit des Beschleunigungsmessers um seine Lagerachse, d.h. von der Motordrehzahl·, ab. Ist die Drehgeschwindigkeit des Winkelgeschwindigkeitsmessers um seine Lagerachse bekannt, so zeigt das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers die Winkelgeschwindigkeit des Körpers um die Meßachse an.

Wie. bereits erwähnt ,stellt die-zuvor beschriebene Konstruktion der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung nur ein Ausführungsbeispiel dar. Der Beschleunigungsmesser kann im Träger statt fortlaufend gedreht auch hin- und hergeschwenkt werden.-In diesem Fall ist die Bewegungsvorrichtung eine Art Kipp- oder Oszillationsantrieb. Auch andere Bewegungsarten für den Beschleunigungsmesser können vorgesehen sein·; es ist lediglich erforderlich, daß der Winkel zwischen der Meßachse der Vorr.ichtung und der Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers geändert wird. Es ist auch nicht erforderlich, daß die Lagerachse oder sonstige Bewegungsachse ies Beschleunigungsmessers im rechten Winkel zu einer Empfindlichkeitsachse steht. Vorausgesetzt, daß diese beiden Achsen nicht parallel sind,, wird die Bewegung des Beschleunigungsmessers die gewünschte Winkeländerung zwischen"den beiden Achsen zur Folge haben.

Aus vorstehendem ergibt sich, daß eine Bewegung der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung als Ganzes um jede zur Lagerachse des Winkelbeschleunigungsmessers nicht parallele Achse einen Einfluß auf das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers hat_s aufgrund der oich in Abhängigkeit von der Zelt ändernden Kom-

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ponente des Winkelgeschwindigkeitsvektors,die in Richtung der Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers verläuft. Demzufolge kann eine solche Meßvorrichtung, auch als-Vor richtung mit mehr als einer Empfindlichkeits- oder Meßachse angesehen werden. Um jedoch statt einfach einer resultierenden Winkelgeschwindigkeit, wie sie durch das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers dargestellt ist, die einzelnen Winkelgeschwindigkeiten um die verschiedenen Meßachsen bestimmen zu können, müssen die von den betreffenden Winkelgeschwindigkeiten um die einzelnen Achsen abhängigen Komponenten aus dem Ausgangssignal abgeleitet werden. Für diesen Zweck ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß Meßvorrichtungen Ausgangssignale liefern, welche dem jeweiligen Augenblickswert"der Winkel zwischen der Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers und den Meßachsen der Vorrichtung entsprechen,und daß diese Signale in Vergleichseinrichtungen mit dem Ausgangssignal des Winkelbeschleunigungsmessers verglichen werden. Diese Vergleichsvor- . richtungen können nach Art eines phasenempfindlichen Demodulators aufgebaut sein. In jedem Falle leiten sie aus dem· gesamten Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers getrennt die einzelnen Signalkomponenten heraus, welche durch die Winkelgeschwindigkeiten um die verschiedenen Achsen bedingt sind.

Bei jeder Ausführungsform des. erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsmessers erweist es sich als besonders günstig, wenn in Weiterbildung der Erfindung der Beschleunigungsmesser einen Magneten und einen Leiter aufweist, die relativ zueinander" um die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers bewegbar sind,und wenn bei auf den Beschleunigungsmesser einwirkenden Winkelbeschleunigungen um seine Empfindlichkeitsachse entweder der Magnet oder der Leiter in dem gleichen Maße beschleunigt wird, während jeweils der andere Teil einer eine gleiche Beschleunigung verhindernden Kraft ausgesetzt ist, wobei infolge der Relativbewegung zwischen Magnet und Leiter im letzteren

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durch das -Magnetfeld eine Spannung induziert wird, welche das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers liefert. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß der Beschleunigungsmesser ohne Zufuhr elektrischer Energie von sich aus ein Ausgangssignal liefert. Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn der Motor den Beschleunigungsmesser so schnell dreht, daß der einer eine Beschleunigung verhindernden Kraft ausgesetzte Magnet bzw. Leiter praktisch stillstehen bleibt und damit die _ . Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Magnet und Leiter " praktisch gleich der Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung um ihre Meßachse bzw. Meßachsen ist. In diesem Falle· ist das'Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers j welches von den im Leiter fließenden Induktionsströmen abhängt, praktisch unabhängig von der Motordrehzahl, .so daß zum Drehen des Beschleunigungsmessers ein ungeregelter, d.h. nicht unbedingt mit genau konstanter Geschwindigkeit umlaufender Motor, beispielsweise ein Indüktions- oder ein Hysteresemotor, eingesetzt werden kann. Hierdurch wird der Aufbau der Winkelgeschwindig-. keitsmeßvorrichtung weiter vereinfacht und verbilligt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der fe Magnet ein ringförmiger im Beschleunigungsmesser- befestigter und dessen Empfindlichkeitsachse konzentrisch umschließender Permanentmagnet und der Leiter ein ebenfalls konzentrisch zur Empfindlichkeitsachse liegender Kreisring aus Quecksilber» Dem Quecksilberring benachbart ist eine Spule, in welcher durch die bei siner Relativbewegung zwischen Magnet und Quecksilberring in letzterem fließenden elektrischen Ströme eine Spannung induziert wird, welche das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers bildet.

Für die weitere Betrachtung sei angenommen^ daß der Beschleunigungsmesser mit dem Queoksilberring sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit uift seine Ernpi'indlichkeifcaachse dreht. Wird die.

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Winkelgeschwindigkeit des Beschleunigungsmessers erhöht, so dreht'sich anfänglich der Beschleunigungsmesser gegenüber dem Quecksilberring und erzeugt hierdurch eine Kraft, Vielehe das Quecksilber auf eine höhere Umdrehungsgeschwindigkeit zu beschleunigen sucht. Der BeschleunigungsKesser ist also einer bestimmten Beschleunigung unterworfen, während das Quecksilber ebenfalls,aber langsamer beschleunigt wird. Der Grad der Beschleunigung des Quecksilbers hängt von der vom Beschleunigungsmesser auf das Quecksilber übertragenen Kraft ab, und es läßt sich zeigen, daß diese praktisch unabhängig ist von der relativen Drehgeschwindigkeit, d.h. von der Winkelbeschleunigung des Beschleunigungsmessers. Hieraus folgt, daß der größtmögliche Unterschied zwischen diesen beiden Beschleunigungen von der Winkelbeschleunigung des Beschleunigungsmessers abhängt. Dieser Größtwert entspricht der maximalen Geschwindigkeit der Relativdrehung zwischen dem Beschleunigungsmesser und damit dem Magneten einerseits und dem Quecksilber andererseits. Demzufolge ist die maximale Amplitude des Ausgangsstroms des Beschleunigungsmessers abhängig von der Winkelbeschleunigung. Diese Verhältnisse sind zutreffend, wenn das Quecksilber sich über eine merkbare Entfernung bewegt. Wenn jedoch der Beschleunigungsmesser Teil einer Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung ist, brauchen die Verhältnisse nicht so zu liegen. Da die Beschleunigung des Quecksilbers praktisch unabhängig von der auf dem Beschleunigungsmesser einwirkenden Winke!beschleunigung beim Vergrößern der Motordrehzahl ist, nimmt die Entfernung über die das Quecksilber als Folge der Drehung der Meßvorrichtung um seine Meßachse sich bewegt ab und oberhalb einer bestimmten Motordrehzahl, vrelche beispielsweise bei 1000 U/min liegen kann, bleibt das Quecksilber praktisch stillstehen. Unter diesen Umständen dreht sich der Beschleunigungsmesser und damit der Magnet praktisch abwechselnd in entgegengesetzter Richtung um einen stationären Leiter, Die maximale Stromamplitude im Leiter hängt deshalb von der Winkelgeschwindigkeit der Meßvorrichtung um ihre Meföaehse a.b.. Der Beschleunigungsmesser arbeitet also

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tatsächlich nicht als Beschleunigungsmesser,, weil die Amplitude seines Ausgangssignals nur von der Drehgeschwindigkeit und nicht auch von der Motordrehzahl abhängt. Dieses Merkmal gestattet es, einen ungeregelten Motor zu verwenden.

Die meisten Beschleunigungsmesser der obengenannten Bauart können in dieser Weise arbeiten, d.h. oberhalb der Geschwindigkeit, bei der sie aufhören als richtiger Beschleunigungsmesser zu wirken. Sie können auch unterhalb dieser Geschwindigkeit arbeiten., je- ^ doch nuß. unter diesen Umständen der Motor entweder mit konstanter Geschwindigkeit laufen oder es muß möglich sein₅ zu jedem Zeitpunkt die Drehzahl zu bestimmen. Das gilt auch für Beschleunigungsmesser mit einer teilweise gefesselten Masse, die bei auf den Beschleunigungsmesser einwirkender Beschleunigung um seine Empfindlichkeitsachse sich gegen die Fesselung bewegt» Das Ausgangssignal" des Beschleunigungsmessers ist dann abhängig entweder von dem von der Masse gegen die Kraft der Fesselung zurückgelegten Weg oder von der von der Masse aufgrund der Beschleunigung ausgeübten Kraft. Solche Beschleunigungsmesser, die entweder ohne Rückführung mit einer offenen Signalschleife oder mit Rückführung nach Art einer selbstkompensierenden Vorrichtung: mit geschlossener Signalschleife arbeiten, sind nicht geschwindigkeitsempfind-

) lieh,: ■■..-■

Die Erfindung.und weitere Ausgestaltungen werden im folgenden anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Hierin zeigen

die Figuren IA bis IE die verschiedenen Ausgangssignale, welche von einem winkelgeschwindigkeitsempfindlichen und von einem wiakelbeschleunigungsempfindlichen Beschleunigungsmesser geliefert werden; es zeigt

Figur.2 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Winkelgeschwindigkeitsmeßeinrichtung -gemäß der Erfindung,

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Figur 3. in perspektivischer Ansicht teilweise geschnitten eine Darstellung des in der WinkeIgeschwindigkeitsmeßvorrichtung gemäß Figur 2 verwendeten Winkelbeschleunigungsmessers s

Figur 4 die Draufsicht auf den in einer anderen Ausführungsform der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung verwendeten Beschleunigungsmessers und

Figur. 5 einen .Schnitt längs der Linie V-V in Figur H.

In den Figuren IA bis ID ist der Beschleunigungsmesser 7 jeweils um seine Lagerachse 10 fortlaufend drehbar und weist eine Empfindlichkeitsaehse 11 auf, welche auf äei⁵ Lagerachse IO senk-recht steht. Die Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung, in der dieser Beschleunigungsmesser¹ eingesetzt ist_s. hat aufeinander senkrecht stehende Meßachsen 1 und 2> die beide rechtwinklig zur Lagerachse 10 liegen. Es sei zunächst angenommen, daß die Meßvorrichtung um die Meßaclise 1 mit konstanter Drehgeschwindigkeit u> gedreht wird, während der Beschleunigungsmesser 7 sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit CJ _r um die Achse 10 dreht. Die in Richtung der Empfindldichkeitsachse 11 des Beschleunigunsmessers weisende Vektorkomponente der Winkelgeschwindigkeit a) wird durch die Gleichung W_ = ^ -sin tt/ «t wiedergegeben* wobei zu dem Zeichen t^ und t, cd _s = u*_m ist und zu den Zeiten t₂ und t^ W₅ = 0. Je nachdem, ob der Beschleunigungsmesser allein auf die Winkelgeschwindigkeit tt/_m oder auch auf die Drehgeschwindigkeit 0 anspricht, erzeugt

er ein Ausgangssignal cj oder cj , von der in Figur IE dargestellten Form. Spricht der Beschleunigungsmesser nur auf die Winkelgeschwindigkeit α/_ an, so ist das Ausgangssignal OJ_ des Beschleunigungsmessers unabhängig von der Drehgeschwindig-' keitcjj, des Beschleunigungsmessers 7 um die Lagerachse 10, obwohl die Frequenz des Ausgangssignals Ui _β natürlich von der

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Drehgeschwindigkeit QJ abhängig ist.

Im anderen Fall, d.h. wenn das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers auch von der Drehgeschwindigkeit oJ abhängig ist, ist dieses dem zeitlichen Differentialquotienten von CU , d.h. dem Viert OJ · (J · cos CJ * t proportional. Die Amplitude des Beschleunigungsmesser-Ausgangssignals o/ hängt also von der Drehgschwindigkeit (X/ des Beschleunigungsmessers 7 um die Lagerachse 10 ab und hat eine Frequenz, welche ebenfalls von der Drehgeschwindigkeit CJ abhängig ist.- -

Die Figuren IA bis ID zeigen ferner, daß zu den Zeiten t^ und t-j, die Winkelgeschwindigkeit des' Beschleunigungsmessers 7 um seine Empfindlichkeitsachse 10-gleich der Winkelgeschwindigkeit der Meßvorrichtung um die Meßachse 1 ist. Demzufolge muß die Winkelbeschleunigung um die Empfinälichkeitsachse Ii, wie aus Figur IE ersichtlich ist₉ zu diesen Zeiten gleich Null sein» ~

Die Figuren IA bis ID seigen₉ daÄ die Winkelgesehwindigkeitsmeßvorrichtung eine zweite Meßachse 2 aufweist, welche auf der Meßachse 1 und der Lagerachse 10 senkrecht steht. Dreht sich die Meßvorrichtung um die Meßachse 2 und wird der Beschleunigungsmesser gleichzeitig um die Lagerachse 10 gedreht, so entspricht das Ausgangssignal· des Beschleunigungsmessers,je nachdem ob dieser nur auf Winkelgeschwindigkeiten oder auch auf die Drehgeschwindigkeit (J anspricht,, der Darstellung gemäß Figur IE mit dem einzigen Unterschied einer Phasenverschiebung von 90°. Dies läßt sich aus Figur IA erklären, weil zu dem dort gezeigten Zeitpunkt die als Folge der Drehung um die Meßachse eich ergebende"Winkelgeschwindigkeit in Richtung der Empfindlichkeit s achse Ii des Beschleunigungsmessers 7 gleich Null ist, also ungleich dem Wert &/ , welehar durch eine Drehung um die Heßachse 1 hervorgerufen wird,

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;·.κί folgenden wird auf die Figuren 2 und"'3 Bezug genommen ·, in '.-■'-1 chsn eine vlinloslcssehwindigkeitsmeßvcrrichtüng dargestellt LSt₅ die in der* einen oder der anderen der beiden soeben beschriebenen Betriebsweisen arbeiten kann. Bereits erwähnte BöEUgszeichen werden auch in diesen Figuren für entsprechende Teile benutzte Die Meßvorrichtung ist in der Lage* Winkelgeschwindigkeits η UG sifei aufeinander senkrecht stehende Meßachsen 1 und 2 su inessen"₉ wobei sich in der zeichnerischen Darstellung die Meßachse 1 senkrecht in der Ebene der Zeichnung; erstreckt und die Meßachse 2 hieran im rechten Winkel_s d.h. senkrecht zur- Zeiehnungsebene. Wie später noch im einzelnen erläutert wird, erfolgt die Anzeige der"gemessenen Winkelgeschwindigkeit um die-Meßachse i auf einem Änzeigeinstrument 3 und die Anzeige der- Winkelgeschwindigkeit -um die Meßachse 2 auf einem Anseigeinstrument J|„-

Die Meßvorrichtung iiafc ein Gehäuse 5_S bestehend aus einen Material, welches zugleich als Abschirmung für magnetische Streufelder dient, und welches an dem Körper befestigt ist, dessen Winkelgeschwindigkeit gemessen werden soll. Die Befestigung erfolgt dabei derart, daß die beiden Meßachsen 1 und 2 mit denjenigen Achsen des Körpers übereinstimmen₃ um x^elche der Körper sich dreht. Das Gehäuse 5 umschließt eine Kammer (S, in der der Winkelbeschleunigungsmesser 7 von zwei Lag'ern 8 und 9 um die Lagerachse 10 drehbar gelagert ist. Die Lagerachse 10 steht auf beiden Meßachsen 1 und 2 senkrecht. Der Beschleunigungsmesser ist empfindlich für Winkelbeschleunigungen um die Empfindlichkeitsachse 11, die in der Darstellung gemäß Figur 2 gerade mit der Meßachse 1 zusammenfällt.

Figur 3 läßt erkennen, daß der Winkelbeschleunigungsmesser 7 ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 12 aufweist, das aus dem gleichen Material bestehen kann wie das Gehäuse 5« Ira Inneren des Gehäuses 12 befindet sich eine zylindrische Kammer

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Ein aus zwei Flanschen 15 und einer Naba 16 verringerten Durchmessers bestehender spulenartiger Körper I^ aus elektrischleitendem Material ist in der Kammer 13 befestigt. Eine Schicht 17 aus elektrischem Isoliermaterial liegt an >Jer Innenwand der Kammer 13 an und isoliert den Spulenkörper 14 vom Gehäuse 12. Ein ringförmiger Ivern 18 mit einer Toroidspule 19 umgibt die Nabe 16. Magnetisch leitende Stücke 20 sind in gleichem Abstand um den Spulenkörper 14 herum verteilt angeordnet. Jedes Magnetstück 20 ist mit seinen beiden Enden im Gehäuse 12 befestigt und erstreckt "' sich durch die Isolierschicht 17 und die beiden Flansche 15 hin-• . durch. Elektrische Isolierschichten 21 isolieren jedes Magnetstück 20 von den beiden Flanschen 15· Ein ringförmiger Permanentmagnet 22 umgibt die Magnetstücke 20 und damit auch den Kern 18 und die Spule 19 und ist in radialer Richtung magnetisiert, d.h. der eine Pol liegt an der Außenseite und der andere an der Innenseite des Kreisringes. Die äußeren und radialen Oberflächen des Magneten 22 tragen eine elektrische Isolierschicht 23, die zusammen mit der Isolierschicht 17 eine ringförmige Kammer 24 bildet, welche mit Quecksilber 25 gefüllt ist. Dieses bildet einen Weg für den vom Magneten 22 erzeugten Magnetfluß, den man sich als radial nach außen durch das Quecksilber 25 hindurch in das b Gehäuse 12 gerichtet denken kann, in welchem er dann über die im Abstand angeordneten Magnetstücke 20 radial nach innen zum Magneten 22 zurückfließt. ·

Stellt man sich vor, daß der Beschleunigungsmesser 7 mit konstanter Beschleunigung um seine Empfindlicbkeitsachse 11 beschleunigt wird, so eilt das Quecksilber 25 der Drehbewegung nach. Es entsteht eine relative Bewegung zwischen dem Vom Magneten 22 erzeugte Magnetfeld und dem Queeksilberring 25. Eine der Relativbewegung direkt proportionale Spannung wird in senkrechterRichtung im Quecksilber erseugt. Die relative Drehbewegung kann dabei selbst der Beschleunigung direkt proportional sein. Diese Spannung läßt einen elektrischen Ström entstehen, welcher durch die beiden

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Flansche 15 und die Nabe 16 des Spulenkörpers IH fließt. Durch elektromagnet:! sehe Induktion wird eine entsprechende Spannung in der Spule 19 induziert, die dem Augenblickswert der Winkelbe sch Ie unigurig proportional ist, welcher der Beschleunigungsmesser unterworfen ist.

Zusätzlich zur Kammer 6 mit dem Beschleunigungsmesser 7 bildet das Gehäuse 5 weitere Kammern 26, 27 und 28. In der Kammer 26 ist der Stator 29 eines Induktionsmotors befestigt, der mit dem Rotor 30 des Motors zusammenwirkt. Der Rotor ist auf dem Wellenstumpf 31 des Gehäuses 12 des Beschleunigungsmessers befestigt. Der Induktionsmotor dreht den Beschleunigungsmesser mit konstanter Geschwindigkeit um die Lagerachse 10.

In die Kammer 27 ragen vier Polstücke 32 im Abstand von 90 um die Achse 10 herum hinein, von denen nur zwei sichtbar sind. Die beiden sichtbaren Polstücke 32 sind mit ihrer Achse parallel zur Meßachse 1 angeordnet, während die beiden anderen Polstücke 32 sich parallel zur Meßachse 2 erstrecken. Jedes Polstück ■ trägt eine Spule 33· Jedes Paar sich gegenüberliegender Spulen ist in Reihe an ein entsprechendes Ausgangsleitungspaar 3²J bzw. 35 angeschlossen. Der Wellenstumpf 31 trägt ferner einen Permanentmagneten 36. Wird der Beschleunigungsmesser 7 um die Lagerachse 10 gedreht, so induziert der Magnet 36 in den sich gegenüberliegenden Spulen 33 ^Ulrld damit an den Ausgangsleitungen 34 und 35 sich sinusförmig ändernde Spannungen, deren Frequenz der Drehgeschwindigkeit des Beschleunigungsmessers 7 um die Lagerachse 10 proportional ist. Aufgrund der räumlichen Anordnung der Spulen 33 besteht zwischen den beiden Spannungen an den Aus» gangsleitungen 3¹I und 35 eine Phasenverschiebung von 90°,

Die Kammer 28 nimmt zwei Schleifbürsten 37 auf, welche auf den den Wellehstumpf' 39 des Gehäuses 12 umgebenden Schleifringen 38 aufliegen.Die Schleifringe 38· sind über Leitungen ¹IO an die

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Spule 19 angeschlossen. Auf diese Weise wird die in der Spule' 19 induzierte Spannung über die Schleifringe 38 und die Schleifbürsten 37 aus dein Gehäuse 5 herausgeleitet und den beiden Demodulatoren 4l and 42 zugeführt. Der Demodulator 41 ist außerdem an die beiden Leitungen 34 und der Demodulator 42 an die beiden Leitungen 35 angeschlossen. Das Ausgangssignal des Demodulators 41 steuert das Anzeigegerät 4 und das Ausgangssignal des Demodulators 42 das Anzeigegerät 3. ■

Bei der bisher beschriebenen Ausfuhrungsform der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung hängt die Art des Ausgangssignals des Beschleunigungsmessers, d.h. die Spannung an der Spule 19 davon ab, ob die Drehzahl des Induktionsmotors oberhalb oder unterhalb von etwa 1000 U/min liegt. Oberhalb dieser Geschwindigkeit verharrt der Quecksilberring 25 praktisch stationär. Die Amplitude der Spannung an der Spule 19 stellt dann zum geeigneten Zeitpunkt jeweils die währe Geschwindigkeit der Meßvorrichtung um die Achse 1 oder .2 dar. Mit anderen'Worten,betrachtet man nur die Drehung um die Meßachse' 1, so hat die Spannung die allge-r meine Form trf wie in Figur IE. Um sicherzustellen, daß Schwan-

kungen der Motordrehzahl einen möglichst geringen Einfluß haben, ist eine Motordrehzahl vorzuziehen, die merklich oberhalb von 1000 ü/min liegt, beispielsweise bei 8OOO U/min. Unterhalb von 1000 U/min bewegt sich das Quecksilber 25 merklich und demzufolge hat die Spannung an der Spule 19 mehr die Form kJ_s> Unter diesen Umständen muß der Motor mit konstanter Drehzahl angetrieben werden oder seine jeweilige Geschwindigkeit muß bestimmbar sein. Bei beiden Betriebsarten vergleichen die beiden Demodulatoren 41 und 42 ihre Eingangssignale miteinander und leiten aus der von der Spule 19 stehenden Spannung die beiden Signalkomponenten ab» welche der Drehung uni die beiden Meßachsen 1 und 2 entsprechen. Die Demodulatoren arbeiten vorzugsweise nach der,Art phasenempfindlicher Gleichrichtersehaltungsn, T ... ^

α'Ο'9'β·-2

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Nunmehr soll eine Ausführungsform erläutert werden, wie sie in den Figuren 4 und 5 schematisch dargestellt ist. In Figur "5 sind einige Teile des Beschleunigungsmessers, beispielsweise die elektrische Isolierung und tragende Teile der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Auch hier wird ein Quecksilber-Kreisring 60 verwendet, welcher sich in einem Kanal bewegt, der innerhalb eines magnetisch leitenden Ringes 62 vorgesehen ist. Ein vierpoliger Magnet 6*1 ist im Innenraum des Quecksilber-Kreisringes angebracht und weist zwei Nordpole und zwei Südpole auf. Er kann aus vier Stabmagneten oder aus zwei gekreuzten Stabmagneten aufgebaut sein. Wiederum erstreckt sich ein radiales Magnetfeld von jedem Pol des Magnetes 6k nach außen durch das Quecksilber hindurch zum Rückschlußring 62 und von dort erneut durch das Quecksilber 60 hindurch zum Gegenpol. Eine Winkelbeschleunigung bewirkt, daß sich das Magnetfeld gegenüber dem Quecksilber 60 bewegt, mit der Folge, daß im Quecksilber 60 Induktionsströme entstehen und diese wiederum ein Magnetfeld in vier Transformatoren 66 induzieren, welche im gleichen Abstand um den Quecksilberring 60 herum angeordnet sind.

Figur 5 zeigt die Seitenansicht eines dieser Transformatoren 66. Er weist einen Kern auf, der sich durch ein Loch innerhalb eines Rohres 69 erstreckt _y das seinerseits sowohl durch den Quecksilberring 60 als auch durch den magnetischen Rückschlußring 62 hindurchragt. Ein sich änderndes Magnetfeld im Transformator 66 erzeugt eine Ausgangsspannung an der Sekundärwicklung .72· Die vier Transformatoren 66 sind in Reihe an die :\ Ausgangsklemmen I^ angeschlossen. Die Spannung an diesen Klem> ; jftön iät der Relativbewegung des I4agneten 64 gegenüber dem Quecksilberring 60 proportional» Wird der Besöhleunlgungsmesser ge- :; iiögöitd ööhnell gedreht, so ist diese Relativbewegung der Winkel- ; gö0ehwifidigkeit um die Meßachse proportional und demzufolge auch Spannung an den Klemmen lU*

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Claims

02-4306 Ge + Au

Patentansprüche

Vorrichtung zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten um wenigstens eine Achse, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf Winkelbeschleunigungen um eine Achse (11) ansprechender Winkelbeschleunigungsmesser (7) in einem Träger (8,9) derart beweglich gelagert ist, daß der Winkel zwischen der Meßachse (1) der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung (5) und der Empfindlichkeitsachse (11) des Winkelbeschleunigüngsmessers veränderbar ist j und daß am Winkelbeschleunigungsmesser eine den Winkel zwischen den beiden genannten Achsen ändernde Bewegungsvorrichtung (29s30) angreift, so daß, wenn die Vorrichtung Winkelgeschwindigkeiten um ihre Meßachse ausgesetzt ist, die gleichzeitige Winkeländerung zwischen den beiden Achsen eine zeitliche Änderung der in Richtung der Empfindlich- . keitsachse des Winkelbeschleunigungsmessers verlaufenden Winkelgeschwindigkeitskomponente bewirkt und der somit einer Winkelbeschleunigung ausgesetzte Winkelbeschleunigungsmesser ein von der Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung abhängiges Ausgangssignal liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1_} welche auf Winkelgeschwindigkeiten um wenigstens zwei Achsen anspricht, dadurch g e ken η ζ ei c h η e t, daß die Bewegungsvorrichtung "(29,30) die Winkel zwischen der Empfindlichkeitsachse (11) ' des Winkelbeschleunigungsmessers_:(7) einerseits und den Meßachsen £1,2) der WinkelgeschwindigkeitsmeßVorrichtung (5) gleichzeitig ändert und daß Meßvorrichtungen (32*33,36) der jeweil%gjSB_: Winkellage entsprechende Signale liefern₉ welche von Vergleichseinrichtungen (4l,*J2) mit den Ausgangs Signalen des Winkelbeschle.unigungsmessers verglichen werden _s so

Ö 0 9 8 2 7"-/ 1 2 β S : - :

daß_a wenn die Vorrichtung Winkelgeschwindigkeiten um ihre Meßaehse ausgesetzt ist, die gleichzeitige Änderung der Winkel zwischen den Achsen (1,2,11) eine zeitliche Änderung der jeweils in Richtung der Empfindlichkeitsachse des Winkelbeschleunigungsmessers verlaufenden Winkelgeschwindigkeitskomponente bewirkt und der Winkelbeschleunigungsmesser somit Winkelbeschleunigungen ausgesetzt ist, von denen jede ' von-der jeweiligen Winkeländerungsgeschwindigkeit abhängt, wodurch das Ausgangssignal des' Winkelbeschleunigungsmessers von der betreffenden Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung abhängige Komponenten enthält, und daß die Vergleichseinrichtungen die den Winkelgeschwindigkeiten um die verschiedenen Achsen entsprechenden Komponenten ableiten und entsprechende Ausgangssignale liefern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die Bewegungsvorrichtung (29_S 30) für den Beschleunigungsmesser (7) ein Motor ist, welcher im Betrieb den Beschleunigungsmesser mit praktisch konstanter Geschwindigkeit dreht.

Ij. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekenn ζ e i chnet, daß der Beschleunigungsmesser (7) einen Magneten (22,6*1) und einen Leiter (25,60) aufweist, die relativ zueinander um die Empfindlichkeitsachse (11) des Beschleunigungsmessers bewegbar sind, und daß bei auf den Beschleunigungsmesser einwirkenden Winkelbeschleunigungen um seine Empfindlichkeitsachse entweder der Magnet oder der Leiter in dem gleichen Maße beschleunigt wird, während der andere Teil einer eine gleiche Beschleunigung verhindernden Kraft ausgesetzt ist, wobei infolge der Relativbewegung zwischen Magnet und Leiter im letzteren durch das Magnetfeld eine Spannung induziert wird, welche das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers liefert.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder. 4, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Motor (29,30) den Be- . · schleunigungsmesser (7) so schnell dreht, daß der einer

eine Beschleunigung verhindernden Kraft ausgesetzte Magnet (22,64) bzw. Leiter (25,60) praktisch still stehenbleibt und damit die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Magnet und Leiter praktisch gleich der Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung um ihre Meßachse (1) bzw. Meßachsen _fc (1,2).ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5> da durch gek en nzeichnet, daß der· Magnet (22) ein ringförmiger im Beschleunigungsmesser (7) befestigter und dessen Empfindlichkeitsachse (11) konzentrisch umschließender Per-

• manentmagnet und der Leiter (25) ein ebenfalls konzentrisch zur Empfindlichkeitsachse liegender Kreisring aus Quecksilber ist, und daß eine Spule (19) dem Quecksilberring benachbart ist, in welcher, durch die bei einer Relativbewegung zwischen Magnet und Quecksilberring in letzterem fließenden elektrischen Ströme eine Spannung induziert wird, welche das Aüsgangssignal des Beschleunigungsmessers bildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) des Beschleunigungsmessers (7) aus magnetisch leitendein Material besteht und. als magnetischer Rückschlußteil für den vom Permanentmagneten (22) ausgehenden, den Quecksilberring (25) durchsetzenden Magnetfluß dient.

8. Vorrichtung nach Anspruch ^l\ oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnet (6k) ein Permanentmagnet mit mehreren, vorzugaweis® vier, gstrennten Pölstücken konze* risen im ■ Innenraum einer krsis^ingformigen mit Queck· .λϊΊ ~s gefüllten Kammer<60)angeordnet;- ±ut_t welqhe IUf der

■■- 19 - ·

Außenseite von einem ebenfalls kreisringförmigen magnetischen Rückschlußteil (62) umgeben ist.

9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorzugsweise der Anzahl der Polstücke, entsprechende Anzahl von fensterförmigen Transformatorkernen (66) jeweils im Winkelraum zwischen zwei benachbarten Polstücken zumindest einen Teil des Quecksilberkanals (60) umschließend angeordnet und mit einer Sekundärwicklung (72)> versehen ist, in welcher durch die bei einer Relativbewegung zwischen Magnet (6*0 und Quecksilber in letzterem fließenden elektrischen Ströme eine Spannung induziert wird, welche das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers (7) bildet. .

009 827/129S