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Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitsmesser zur Messung von Roll-, Stampf-und
Gierbewegungen von Fahrzeugen. Ein derartiger Winkelgeschwindigkeitsmesser kann als Messwertgeber in selbsttätigen Steuereinrichtungen verwendet werden.
In der Regeltechnik, insbesondere auch im Rahmen der Flugtechnik und Schiffahrt, werden häufig Kreisel zur Messung der Winkelgeschwindigkeit verwendet. Dabei werden durch Bewegungen des Flugzeuges bzw.
Schiffes Kräfte auf die Achse des Kreisels ausgeübt ; die dabei auftretenden Reaktionskräfte gestatten eine Messung der Winkelgeschwindigkeit.
In der Luftfahrtmesstechnik haben sich solche Kreiselgeräte, die als Wendezeiger bekannt sind und pneumatisch oder elektrisch angetrieben werden, besonders durchgesetzt.
In der Technik mehren sich die Aufgaben, die eine Lagestabilisierung eines sich bewegenden Körpers erforderlich machen. Deshalb werden Wendekreisel als Messwertgeber zur Winkelgeschwindigkeitsmessung im Flugzeugbau, Schiffbau, Tragflügelbau und auf vielen Gebieten in erhöhtem Masse eingesetzt. Die im Handel erhältlichen Wendekreisel sind für den rauhen Schiffsbetrieb zu empfindlich und erfordern zu ihrer Wartung qualifizierte Fachleute. Die Anzahl der Betriebsstunden wird durch den rauhen Schiffsbetrieb und insbesondere bei Tragflügelbooten stark herabgesetzt. Es hat sich gezeigt, dass Wendekreisel der Forderung nach Unempfindlichkeit gegen See- und Brackwasser sowie gegen Stosswirkungen nicht genügen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkelgeschwindigkeitsmesser zu schaffen, der diese Nachteile vermeidet und der vor allem einfach und robust gebaut und einfach zu bedienen ist.
Der Winkelgeschwindigkeitsmesser der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Masse in einem geschlossenen, die zu messenden Bewegungen mitzumachen bestimmten Gehäuse an mindestens einem Federelement gegenüber dem Gehäuse schwenkbar aufgehängt ist, wobei der Hohlraum zwischen der Masse und dem Gehäuse mit einer dämpfenden Flüssigkeit ausgefüllt ist, dass weiter an dem Federelement die Federbewegung elastisch abtastende Dehnungsmessstreifen vorgesehen sind, denen ein Verzögerungsglied 1. Ordnung nachgeschaltet ist, welches durch näherungsweise Integration das Signal der Dehnungsmessstreifen in ein der Winkelgeschwindigkeit proportionales Signal umwandelt.
An die Stelle einer Integration, die bei bekannten Geräten mechanisch oder elektrisch durchgeführt werden kann, tritt die Annäherung der Integration durch ein Verzögerungsglied 1. Ordnung. Dies hat zwei wesentliche Vorteile. Erstens wird die Drift eines Integrators umgangen, zweitens misst man bei kleinen Frequenzen mit positiver Phasenverschiebung. Allerdings kann das Gerät für statische Messungen (M = 0) nicht verwendet werden.
Die Wahl der Zeitkonstante richtet sich nach der unteren Grenze des zu messenden Frequenzbereiches und kann immer den praktischen Erfordernissen angepasst werden.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Breite des Spaltes zwischen Masse und Gehäuse zwecks Änderung der Dämpfung verstellbar ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist weiters dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente Blattfedern
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen des Winkelgeschwindigkeitsmessers noch näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Winkelgeschwindigkeitsmesser mit elektrischem Abgriff und elektrischem Verzögerungsglied ; Fig. 2 einen Querschnitt durch den Winkelgeschwindigkeitsmesser der Fig. l ; Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine ähnliche
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den Grundriss von zwei übereinanderliegenden Blattfedern gemäss den Fig. 5 und 6 ; Fig. 8 den Aufriss der Blattfedern entsprechend Fig. 7 ;
Fig. 9 den Amplitudengang des Winkelgeschwindigkeitsmessers gemäss den Fig. 3 und 4 für eine Eigenfrequenz von Mo = 62, 6 rad/see und eine Zeitkonstante von 2, 4 sec bei den Dämpfungsbeiwerten 0, 3 ; 0, 5 ; \/2/2 und 1 ; Fig. 10 unter den gleichen Bedingungen wie Fig. 9 den Phasengang des Winkelgeschwindigkeitsmessers ;
Fig. 11 den Querschnitt eines Winkelgeschwindigkeitsmessers, dessen Masse nach Art eines Waagebalkens aufgehängt ist ; und die Fig. 12 einen Schnitt durch das Gerät nach Fig. ll gemäss der in Fig. 11 eingezeichneten Schnittlinie.
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1Blattfedern --7-. Die Befestigung--8--der Blattfedern--7--an der Masse--l--und die Federbefestigung--9--am Gehäuse sind dabei beim dargestellten Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass die Federn--7--in einem Winkel von 900 gehalten werden, wodurch eine reibungsfreie Aufhängung der Masse --l-- entsteht. Die Blattfedern --7-- können so ausgelegt werden, dass das Gerät bis zu 100facher
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Erdbeschleunigung stossunempfindlich wird.
Bewegt sich das Gehäuse um seine Horizontalachse, dann bleibt die Masse zurück ; dadurch werden die Blattfedern --7-- gebogen. Vier Dehnungsmessstreifen-10-, die auf
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Gerätes in einen mechanischen umzuwandeln.
Um den Einfluss der Temperatur auf die Viskosität des Dämpfungsöles auszuschalten und eine genaue Messung der Winkelgeschwindigkeit zu erreichen, kann das Gerät etwa durch eine (nicht dargestellte) Heizwicklung und mit Hilfe eines Thermostaten auf einer bestimmten Betriebstemperatur gehalten werden. Auch kann die Masse--l--durch Kugel-oder Gleitlager im Gehäuse --2-- gelagert sein, insbesondere, wenn als Federelemente beispielsweise nur zwei Zug- bzw. Druckfedern an Stelle der Aufhängung der Masse--l-- mittels vier Blattfedern --7-- vorgesehen werden.
In den Fig. 3 und 4 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie in den Fig. l und 2 dargestellt. Die Befestigung der Masse--l--erfolgt hier durch besonders ausgebildete Blattfedern-20-, welche die Hysterese klein halten. Wie in Fig. 1 und 2 sind die Masse das Gehäuse-2-, das unterkritisch
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--11-- und--17-- vorgesehen. Die Stromversorgung erfolgt durch die Kabel-18-, die elektrische Abnahme durch die Kabel--19--.
Die Fig. 5 bis 8 zeigen die Ausbildung der Blattfedern-20-, die im Gerät nach den Fig. 3 und 4 Verwendung finden. Fig. 5 ist eine Ansicht dieser Feder. Das federnde Element wird nur durch den Teil --21-- gebildet, an dem auch die Dehnungsmessstreifen aufgeklebt sind. Fig. 6 zeigt eine weitere Ansicht. Fig. 7 zeigt zwei Federn nach den Fig. 5 und 6, die so übereinander liegen, dass die federnden Elemente zueinander senkrecht stehen. Der Kreuzungspunkt dieser Federn liegt in der Drehachse der beweglichen Masse. Fig. 8 zeigt eine weitere Ansicht der Fig. 7.
Die Fig. 9 und 10 zeigen den Amplituden- und Phasengang für das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Gerät.
Dieses hat auf Grund der Auslegung des mechanischen Teiles (Feder mit Steifigkeit-c--und Masse-m-) eine Eigenfrequenz Wo = \/C/m = 10 Hz und im elektrischen Teil (Verzögerungsglied) eine Zeitkonstante von T = 2, 4 sec. Die Dämpfungskonstante ist durch die Dimensionierung des Dämpfungsspaltes und die Viskosität des gewählten Dämpfungsöles zu sO = 0,6 bei 200C festgelegt.
Die Grösse der Eigenfrequenz Wo wird nach der maximal zu erfassenden Frequenz w der Winkelgeschwindigkeit bestimmt. Zur Erzielung von Amplituden- und Phasentreue wird sie entsprechend der Beziehung wo/w > 2 gewählt. Da die Empfindlichkeit proportional zu l/wo2 2 ist, sollte dieser Wert nicht wesentlich überschritten werden.
Die Grösse der Zeitkonstante--T--beeinflusst ebenfalls Amplituden- und Phasengang. Mit sinkendem - T--erfolgt, besonders ausgeprägt bei niedrigen Frequenzen, eine an sich erwünschte Phasenvoreilung, aber gleichzeitig eine Amplitudenverkleinerung des Ausgangssignals.
Die Grösse der Dämpfungskonstante beeinflusst Amplituden- und Phasengang bei höheren Frequenzen. Mit wachsender Dämpfungskonstante wird dabei die Phasennacheilung grösser, die Amplituden wachsen für unterkritische (C ; o < J 2/2), sie sinken für überkritische (o > J-2T2) Dämpfung.
Im Winkelgeschwindigkeitsmessgerät nach den Fig. 11 und 12 wird an Stelle eines beweglichen Rotationskörpers eine als Waagebalken ausgebildete Masse--l--verwendet, die durch Blattfedern--7--mit dem Gehäuse --2-- verbunden ist. Das Gehäuse --2-- ist wieder zur unterkritischen Dämpfung mit Öl gefüllt. Durch Dehnungsmessstreifen --10-- wird die Auslenkung der Masse--l--elektrisch registriert. Die Messleitungen --11-- verbinden die Dehnungsmessstreifen --10-- mit dem Verstärker und dem elektrischen Verzögerungsglied--17--. Dieses wird wieder durch die Kabel --18-- mit Strom versorgt, während der elektrische Ausgang durch die Kabel--19--dargestellt wird.
Auch bei dieser Ausführung wäre eine Variation des Abgriffes denkbar, beispielsweise durch einen induktiven Weggeber.
Die beschriebenen Geräte zeichnen sich durch ihre Einfachheit aus. Jedes der Geräte kann stosssicher und für beliebige Frequenzgänge konstruiert werden. In der Ausführung mit sich kreuzenden Blattfedern arbeitet das Gerät reibungsfrei ; es hat keine rotierenden Teile und die Masse macht immer nur geringfügige Drehbewegungen, die überdies sehr stark gedämpft werden. Eine Wartung des Gerätes ist nicht erforderlich.