Anzeigeinstrument mit durch Beschleunigungskräfte nicht beeinflussbarer Anzeige
Diese Erfindung bezieht sich auf Anzeigeinstrumente, die unter der Wirkung von äusseren Beschleunigungskräften fehlerlos arbeiten müssen.
Anzeigeinstrumente enthalten häufig einen Fühler, der eine bestimmte Grösse misst, beispielsweise den barometrischen Druck, wobei sich die Messung in der Bewegung des Fühlers ausdrückt. Auftretende Beschleunigungskräfte werden vielfach eine Fühlerbewegung auslösen, die derart kompensiert werden muss, dass als einzige effektive Fühlerbewegung nur jene verbleibt, die von einer Änderung der Messgrösse herrührt.
Von allen Instrumenten arten eignet sich der Flugzeughöhenmesser am besten, um die vorliegende Erfindung zu erläutern, da der Flugzeughöhenmesser unter Einwirkung vieler und schwankender äusserer Beschleunigungskräfte eine besonders genaue Anzeige liefern muss. Daher wurde der Flugzeughöhenmesser vom Typ des Aneroidbarometers als bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gewählt.
Der herkömmliche Höhenmesser vom Typ des Aneroidbarometers umfasst einen Fühler in Gestalt einer oder mehrerer druckempfindlicher Aneroidkapsein sowie eine mechanische Übertragung, welche die Bewegung der ausdehnbaren Kapsel verstärkt und einen geeigneten Anzeiger betätigt.
Bei Flugzeughöhenmessern sind Genauigkeit und Zuverlässigkeit von grösster Wichtigkeit, insbesondere in jenen Fällen, in denen der Höhenmesser bei der Flugzeugsteuerung in Bodennähe eine Rolle spielt, z. B. Start und Landung. Der Flugzeughöhenmesser sollte auf Änderungen des äusseren Luftdruckes unverzüglich und genau ansprechen, um präzise Ablesungen der Flughöhe zu gewährleisten. Höhenmesser der üblichen Bauart unterliegen jedoch verschle- denen Beschränkungen, die ihre Genauigkeit beeinträchtigen und Anlass zu falschen Ablesungen geben.
Überdies sollten Genauigkeit und Zuverlässigkeit der vom Höhenmesser gelieferten Höhen anzeige weder von Änderungen der Fluglage noch von Beschleunigungskräften, die beispielsweise bei Steuerbewegungen auf den Höhenmesser wirken, ungünstig beeinflusst werden.
Ausserdem sollte der Höhenmesser klein sein, um leicht in die ohnedies bereits überladenen Instrumentenbretter der Flugzeuge eingebaut werden zu können, und die Höhe in eindeutiger Weise zur Anzeige bringen.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Anzeigeinstrument mit durch Beschleunigungskräfte nicht beeinflussbarer Anzeige, mit einem bewegbaren, auf die Messgrösse ansprechenden Element, mit Mitteln, die die Bewegung des Elementes in Abhängigkeit von Änderungen der gemessenen Grösse abgreifen und in ein elektrisches Anzeigesignal umwandeln, mit Mitteln, welche die durch Beschleunigungskräfte ausgelöste Bewegung des bewegbaren Elementes durch eine entsprechende Bewegung der Abgriffmittel so kompensieren, dass das Anzeigesignal ausschliesslich von der durch die Messgrösse ausgelösten Bewegung des Elementes abhängt, mit einer Anzeigevorrichtung und mit Mitteln, welche die Anzeigevorrichtung in Übereinstimmung mit dem Anzeigesignal steuern.
Die vorliegende Erfindung lässt sich an Hand eines Ausführungsbeispiels und der anliegenden Abbildungen leicht verstehen. Die Abbildungen bedeuten:
Fig. 1 ist eine Ansicht des Höhenmesser-Skalenfeldes.
Fig. 2 ist eine teilweise aufgeschnittene Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Instrumentes.
Fig. 3 ist ein Schnittbild des in Fig. 2 gezeigten Instrumentes ohne Aussengehäuse.
Fig. 4 ist eine Ansicht der Ringfeder, die in dem in Fig. 3 gezeigten Instrument verwendet wird.
Fig. 5 ist ein vergrössertes Schnittbild der Abgriffvorrichtung, die in dem in Fig. 2 gezeigten Instrument verwendet wird, und
Fig. 6 ist ein vergrössertes Schnittbild einer anderen Ausführungsform der in Fig. 5 gezeigten Abgriffvorrichtung.
In der bevorzugten Ausführungsform -der Erfindung ist ein auf Druck ansprechender Fühler vorgesehen, der aus einer Reihe von Aneroidkapseln besteht. Mit dem Fühler verbunden ist ein ferromagnetischer Kern, der die Ausdehnungs- und Zusammenziehbewegung der Kapseln mitmacht. Dieser Kern bewegt sich innerhalb einer Abgriffvorrichtung, die einen ausgeglichenen Transformator umfasst, der ein Signal erzeugt, dessen Amplitude von der Amplitude der Bewegung des Kernes abhängt, und dessen Phase von der Richtung besagter ;Bewegung in bezug auf eine von besagter Abgriffvorrichtung bestimmte Nullstellung abhängt. Das Signal wird von einem Servosystem zugeführt, das die Abgriffvorrichtung derart bewegt, dass die relative Nullstellung zwischen Kern und Abgriffvorrichtung wieder hergestellt wird.
Das Servosystem ist derart mit einem Anzeiger gekuppelt, dass letzterer die Bewegung der Abgriffvorrichtung als Höhenanzeige wiedergibt.
Die Abgriffvorrichtung ist federgelagert und in bezug auf den Kern und seine Lagerung dynamisch ausgeglichen. Auf diese Weise tritt bei einer Ände- rung jener Grösse, auf welche der Fühler anspricht, eine Auswanderung des Kernes von der durch die Abgriffvorrichtung bestimmten Nullstellung ein. Beschleunigungskräfte jedoch, die normalerweise den Kern in Bewegung setzten, bewegen auch die Abgriffvorrichtung. Da Abgriffvorrichtung und Eisenkern dynamisch ausgeglichen sind, wird zwischen ihnen keine Relativbewegung unter der Einwirkung äusserer Kräfte auftreten. Deshalb ist das Ausgangssignal der Abgriffvorrichtung ausschliesslich von der Bewegung des Kernes abhängig, die von einer Änderung der Grösse, auf die der Fühler anspricht, hervorgerufen wird.
Man erkennt in den Abbildungen einen Flugzeughöhenmesser, der in einem Instrumentengehäuse 12 eingebaut ist. Die Frontplatte 14 des Instrumentes ist mit einem Fenster 1o versehen, durch welches man das Skalenband 18 sehen kann, das entsprechend dem gemessenen Luftdruck in Höheneinheiten geeicht und mit geeigneten Marken versehen ist, die mit dem Band an einer festen Marke 20 vorbeiwandern und die jeweilige Höhe anzeigen.
Um die Skalenablesung entsprechend den Schwankungen des barometrischen Aussendruckes berichten zu können, sind vorne auf dem Instrument ein von Hand aus zu drehender Knopf 24 und eine Hilfsskala 22 vorgesehen, die die Korrektur der Hauptskala anzeigt.
Um die Schwankungen des Luftdruckes zu messen, von dem das die Anzeigeskala antreibende Signal abgeleitet wird, ist ein Fühlorgan vorgesehen, das aus drei hintereinander angeordneten Aneroidkapseln 28 besteht, die an den Mittelpunkten der biegsamen Diaphragmen axial miteinander verbunden sind. Die Kapseln liegen in einer druckdichten Kammer 29.
Der zu messende Luftdruck wird der Kammer durch das Rohr 30 zugeführt, das über den Anschlussteil 31 mit einem unter dem statischen Aussendruck stehenden Rohr verbunden ist.
Die Kapseln sind lediglich an einem Ende gelagert, das fest mit der Rückwand der Kammer 29 verbunden ist. Das freie Ende der Kapselgruppe trägt eine sich in axialer Richtung erstreckende Gewindestange 34, die sich innerhalb einer rohrförmigen Verlängerung 36 der Kammer 29 axial hin und her bewegt. Die Stange 34 trägt als Gewindemutter einen ferromagnetischen Kern 38. Dieser Kern lässt sich mit Hilfe der Stellmutter 40 in jeder beliebigen Stellung verriegeln. Die rohrförmige Verlängerung besteht aus unmagnetischem Werkstoff, so dass die Stellung des Eisenkernes auf eine später beschriebene Weise mit Hilfe einer Abgriffvorrichtung abgegriffen werden kann.
Die Kapseln sind unabhängig voneinander evakuiert und sind vorzugsweise vom Typ der konzentrisch gewellten Di aphragmabau art, die im Patent Nr. 2760260 (U.S.) und dem Patent Nr. 774 844 (Grossbritannien) beschrieben ist.
Da Ausdehnung und Zusammenziehung der Kapseln relativ klein sind (12 mm des Weges des Kernes entsprechen z. B. einem Höhenbereich von 18 000 m), ist eine erhebliche Vervielfachung der Bewegung des Eisenkernes vonnöten, ehe die Höhenskala 18 angetrieben wird. Der Abgriff der Bewegung des Kernes und die Verstärkung der Bewegung für den Anzeigerantrieb erfolgen derart, dass weder Reibungskräfte noch andere mechanische Kräfte auf den Magnetkern wirken.
Zu diesem Zweck ist eine Abgriffvorrichtung vorgesehen, welche die ausgeglichenen Transformatorelemente 44 und 46 umfasst, die ihrerseits eine Nullstellung bestimmen. Ein Auswandern des Eisenkernes von der Nullstellung wird das Feld zwischen der Primärwicklung 48 und der Sekundärwicklung 50 des ausgeglichenen Transformators ändern und in der Sekundärwicklung ein Signal auslösen, das vom stationären Stromdurchfluss der Primärwicklung induziert wird (beispielsweise Flugzeugbordnetz 400 Hertz). Die Amplitude des Signals entspricht der Grösse der Bewegung des Kernes; die Phase des Signals hängt von der Richtung der Bewegung des Kernes ab. Da das Signal eindeutig ist, kann es nach einer etwa notwendigen Verstärkung als Fehlersignal dienen, das den Servomotor 52 entsprechend in Tätigkeit setzt.
Die Drehung des Servomotors bewirkt eine Verstellung der Abgriffvorrichtung, und zwar derart, dass die Abgriffvorrichtung relativ zum Kern wieder in Nullstellung kommt; gleichzeitig treibt der Servomotor das Skalenband an der Marke des Schaufensters vorbei, wo die dem gemessenen Druck entsprechende Höhe angezeigt wird.
Der Servomotor treibt das Skalenband über die aus den Zahnrädern 54, 56, der Antriebswelle 58, den Zahnrädern 60, 62 und dem Haspelrad 64 bestehende Antriebskette. Die Zähne des Haspelrades greifen in die Perforierung des Skalenbandes und transportieren das Band von einer Wickelspule 66 an einer festen Marke vorbei, wo die Skala abgelesen werden kann, auf eine zweite Wickelspule 68. Die Wickelspulen sind mit Federn versehen, die das Band in Spannung halten.
Gleichzeitig wird durch eine ähnliche Übertragung die Abgriffvorrichtung derart bewegt, dass die von den Transformatorspulen bestimmte Nullstellung des Eisenkernes 38 wieder hergestellt wird. Die Bewegung der Abgriffvorrichtung erfolgt durch das Zusammenwirken des auf der Skalenbandantriebswelle 58 sitzenden Ritzels 70 mit dem aussen verzahnten Rad 72, das auf der Stellmutter 74 sitzt.
Durch das Eingreifen der Innenverzahnung 76 der Stellmutter mit dem Gewinde 78 auf dem Rahmen 80 der Abgriffvorrichtung löst die Drehung der Stellmutter eine axiale Bewegung der Abgriffvorrichtung aus.
Auf diese Weise wird ein Fehlersignal erzeugt, das nach Vorzeichen und Grösse der von dem Fühler gemessenen Änderung der Messgrösse entspricht. Das Signal dient einerseits zur Steuerung der Anzeige auf der entsprechenden Skala und gleichzeitig zur Bewegung der Abgriffvorrichtung, womit die Gleichgewichtsstellung erhalten bleibt. Das Instrument folgt der Fühlerbewegung ohne Verzug, und die Bewegung des Anzeigers kann als geeignete Verstärkung der Fühlerbewegung aufgefasst werden, so dass die Anzeigeskala genau und mühelos abgelesen werden kann.
Da die Übertragung zwischen Fühler und Anzeiger elektrisch erfolgt (Servosteuerung), wirken auf den Fühler keinerlei Reibungskräfte, die zu einer fehlerhaften Anzeige oder einem Verzug der Anzeige führen könnten.
Ausser den Bewegungen des Übertragungsgliedes, die von den Anderungen der von der Fühlern gemessenen Grössen herrühren, wirken auf das Instrument, insbesondere auf einen Höhenmesser, äussere Kräfte wie beispielsweise Beschleunigungskräfte.
Wenn das Flugzeug, in welchem der Höhenmesser eingebaut ist, derart beschleunigt wird, dass eine Beschleunigungskomponente in Achsrichtung des Kernes 38 wirkt, so wird sich dieser Kern entsprechend den Federcharakteristiken der Aneroidkapseln bewegen. Die Aneroidkapseln 28, mit welchen der Eisenkern verbunden ist, verhalten sich mechanisch wie Federn, und der von einer Beschleunigungskraft ausgelöste Verschiebungsweg des Kernes wird von der Beschleunigungskraft, von den abgefederten Massen des Eisenkernes und seiner Lagerung sowie von den effektiven Federkonstanten der Aneroidkapseln abhängen. Eine durch Beschleunigungskräfte verursachte Bewegung des Eisenkernes wird, wenn sie von der Abgriffvorrichtung abgegriffen wird, zu einer fehlerhaften Höhen anzeige führen.
Man bemerkt, dass auch durch die beschleunigende Wirkung der Schwerkraft eine ähnliche Verschiebung der Stellung des Eisenkernes hervorgerufen wird, nämlich dann, wenn sich die Lage des Höhenmessers relativ zum Horizont ändert.
Auf jeden Fall ist es unerlässlich, dass ein durch äussere Kräfte ausgelöstes Signal kompensiert wird, um solche Signale auszuschalten und mithin zu gewährleisten, dass jedes von der Abgriffvorrichtung erfasste Signal ausschliesslich auf Änderungen der vom Fühler gemessenen Grösse zurückgeht. Zu diesem Zweck sind die Transformatorelemente 44 und 46 auf einem Rohr 84 befestigt, das seinerseits durch federnde Speichen 86 mit dem Gehäuse 80 der Abgriffvorrichtung verbunden ist. Wählt man die Federkonstante der Speichenfedern 86 derart, dass sie sich zur gesamten Masse der Spulen der Abgriffvorrichtung so verhält wie die Federkonstante der Aneroidkapseln zur abgefederten Masse des Magnetkernes, dann bleibt die Nullstellung des Kernes relativ zur Abgriffvorrichtung bei Wirkung äusserer Kräfte erhalten.
Durch Erhaltung der durch die Abgriffvorrichtung bestimmten Nullstellung des Kernes unter äusseren Beschleunigungskräften wird Sorge getragen, dass ein von den Spulen der Abgriffvorrichtung erzeugtes Signal ausschliesslich von einer Bewegung des Fühlers hervorgerufen wird und daher direkt von der vom Instrument gemessenen Grösse, beispielsweise einer Druckänderung abhängt.
Die Aufhängefeder kann auf verschiedene Arten ausgeführt sein. Eine Form, die sich für die vorliegende Anwendung als vorteilhaft erwies, ist die Ringfeder, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Die Scheibe ist mit mehreren inneren Öffnungen 88 versehen, die sich in Umfangsrichtung erstrecken, sowie mit mehreren äusseren, ebenfalls in Umfangsrichtung liegenden Öffnungen 90, die zwar zu den inneren konzentrisch liegen, jedoch gegen sie versetzt sind.
Durch diese Ausführungsform kann eine lineare Federcharakteristik auf einfache Weise gewährleistet werden.
In manchen Fällen können Schwingungskräfte, wenn sie in bestimmten Richtungen auf den Höhenmesser wirken, zu einer Drehung der Spulen der Abgriffvorrichtung führen und eine Berührung zwischen Abgriffvorrichtung und Rohr 36 verursachen.
Eine solche Berührung hat eine unerwünschte Reibungskraft auf den Antrieb der Abgriffvorrichtung zur Folge. In diesen Fällen lässt sich die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform mit Vorteil verwenden.
Abb. 6 zeigt die Abgriffvorrichtung mit den ausgeglichenen Transformatorelementen 44 und 46. Die Abgriffvorrichtung ist innerhalb des Gehäuses 80 federnd gelagert, welch letzteres relativ zur Achse des Übertragungsgliedes in der gleichen Weise gelagert ist, wie es in der Erläuterung zur Fig. 5 beschrieben wurde. Radiale Federn 100 und 102 sind aussen am Nabenumfang des Gehäuses der Abgriffvorrichtung mittels Schraubern 104 und längs des inneren Umfanges der Ringfedern an den Spulenköpfen der Abgriffvorrichtung mittels Schrauben 106 befestigt.
Die Aufhängung der Abgriffspulen mittels an deren Enden befestigter paralleler Federn gewährleistet eine Torsionssteifigkeit und verursacht paral lele ! Bewegungen von Obertragungsglied und Abgriff vorrichtung unter der Wirkung von Beschleunigungskräften. Abgriffvorrichtung und Übertragungsglied sind dynamisch gegeneinander ausgeglichen, so dass das Abgriffsignal ausschliesslich als Mass für die gemessenen Grössen dient.
Erforderlichenfalls kann die Verschiebung der Spulen innerhalb des Gehäuses durch den Stift 108 begrenzt werden, der aus dem Spulenkörper radial heraus- und in den Schlitz 110 des Gehäuses der Abgriffvorrichtung hineinragt, so dass eine übermä ssige Verformung der Federn verhindert wird.
Auf diese Weise liefert das Instrument ein präzises Signal für die Steuerung der Anzeigeskala, ohne durch zusätzliche Beschleunigungsmesser oder dergleichen belastet zu sein. Ein solches Instrument erfüllt daher die bei Flugzeuganzeigegeräten entscheidende Forderung nach raumsparender Bauweise.
Ob zwar der Höhenmesser wegen der bei ihm besonders entscheidenden Bedeutung des Bauvolumens zur Eräuterung der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung gewählt wurde, sei bemerkt, dass die Erfindung in gleicher Weise auf andere Messgeräte Anwendung finden kann, die geeignete Fühler für die Messung der gewünschten Grösse aufweisen.