Die Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitsmesser zur Messung der Winkelgeschwindigkeit eines sich mit einer Frequenz hin- und herbewegenden Objektes, insbesondere eines Fahrzeuges, welcher Winkelgeschwindigkeitsmesser eine mit Flüssigkeit gefüllte Rohrschlaufe mit mindestens einer Windung aufweist, wobei die beiden Enden der Rohrschlaufe an je einer Messkammer ein und desselben Differenzdruckgebers angeschlossen sind.
Derartige Winkelgeschwindigkeitsmesser dienen insbesondere zur Messung der Winkelgeschwindigkeit bewegter Objekte, z.B. von Fahrzeugen, wo es auf die Abweichungen der momentanen Winkelgeschwindigkeit von einer mittleren Winkelgeschwindigkeit ankommt.
Das Problem, die Winkelgeschwindigkeit bewegter Objekte ohne die Bezugnahme auf einen gegenüber dem bewegten Objekt ruhenden Körper zu messen, tritt hauptsächlich bei der Stabilisierung von Fahrzeugen auf, wie Schiffen, Flugzeugen und Landfahrzeugen. Meist werden für solche Messungen Winkelgeschwindigkeitskreisel benützt. Beim Winkelgeschwindigkeitskreisel üben die zu messenden Bewegungen Kräfte auf die Kreiselachse aus, deren Reaktionskräfte die Messung der Winkelgeschwindigkeit erlauben. Für solche Kreisel sind eine hohe Drehzahl des Rotors und eine reibungsarme Lagerung erforderlich. Damit sind sie relativ anfällig für Stösse und Vibrationen und haben eine beschränkte Lebensdauer.
Es sind auch schon Geräte zur Messung der Winkelgeschwindigkeit bekannt, welche die Winkelgeschwindigkeit durch eine Integration oder durch eine Verzögerung erster Ordnung aus der Winkelbeschleunigung ableiten. Diese Geräte sind gegenüber Kreiseln erheblich robuster, weisen aber den Nachteil auf, dass bei niedrigen Frequenzen der zu messenden Bewegung das Ausgangssignal des Winkelbeschleunigungsmessers sehr gering ist. Es müssen aus diesem Grunde hohe Anforderungen an die Linearität und die Hysteresefreiheit des Winkelbeschleunigungsmessers und des Integrators gestellt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Winkelgeschwindigkeitsmesser der eingangs genannten Art zu schaffen, der die oben erwähnten Nachteile nicht aufweist.
Der erfindungsgemässe Winkelgeschwindigkeitsmesser ist dadurch gekennzeichnet, dass er innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches der Hin- und Herbewegungen anspricht und seine Eigenfrequenz dem geometrischen Mittelwert aus seiner unteren Grenzfrequenz und seiner oberen Grenzfrequenz des ansprechenden Frequenzbereiches entspricht, wobei die kinematische Zähigkeit der Flüssigkeit so bemessen ist, dass die Dämpfung des Winkelgeschwindigkeitsmessers überkritisch ist.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung bzw. in Diagrammform:
Fig. 1 einen Winkelgeschwindigkeitsmesser;
Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung desselben Winkelgeschwindigkeitsmessers zur Erläuterung seiner Dimensionierung;
Fig. 3 einen Differenzdruckgeber des Winkelgeschwindigkeitsmessers der Fig. 1 und 2 im Längsschnitt; und
Fig. 4a und 4b typische Frequenzgänge des Winkelgeschwindigkeitsmessers der Fig. 1 und 2.
In Figur 1 verbindet eine mit Flüssigkeit 3 gefüllte Rohrschlaufe 2 mit einer oder mehreren Windungen die beiden entgegengesetzten Anschlüsse 6 und 7 eines Differenzdruckgebers 1.
Wird der Winkelgeschwindigkeitsmesser um eine zur Zeichnungsebene senkrechte Achse gedreht, so verschiebt sich die Flüssigkeit 3 in der Rohrschlaufe 2 infolge ihrer Trägheit und es entsteht eine Druckdifferenz P zwischen den beiden Anschlüssen 6 und 7 des Differenzdruckgebers 1. Das Ausgangssignal am Ausgang 5 des Differenzdruckgebers 1 ist proportional zu dieser Druckdifferenz P. Erfolgt die Bewegung mit sehr niedriger Frequenz w, so ist diese Druckdifferenz P proportional der Winkelbeschleunigung. Winkelbeschleunigungsmesser auf dieser Basis sind seit längerer Zeit bekannt.
Erhöht man nun die Frequenz w der Bewegung so wird das Ausgangssignal des Differenzdruckgebers 1 in zunehmendem Masse in der Phasenlage verschoben und in der Amplitude gegenüber der Winkelbeschleunigung verzerrt. Der Frequenzgang zeigt das bekannte Verhalten eines gedämpften Feder Masse-Systems, wobei Amplitudenverhältnis und Phasenverschiebung ausser von der Erregerfrequenz w hauptsächlich von der Eigenfrequenz w des Systems und von der Dämpfung D abhängen. Für Winkelbeschleunigungsmesser wird eine möglichst hohe Eigenfrequenz w und eine unterkritische Dämpfung um 0,7 (kritische Dämpfung D = 1) gefordert, um die erwähnten Abweichungen innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs wmin bis wrnax möglichst klein zu halten.
Die Erfindung geht davon aus, gerade diese sonst unerwünschten Amplitudenverzerrungen und Phasenverschiebungen auszunützen. Der Winkelgeschwindigkeitsmesser wird zu diesem Zweck so ausgebildet, dass er innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches der Hin- und Herbewegungen anspricht und seine Eigenfrequenz W dem geometrischen Mittelwert aus seiner unteren Grenzfrequenz wmjn und seiner oberen Grenzfrequenz wmax des ansprechenden Frequenzbereichs wmin bis wmax entspricht, wobei die kinematische Zähigkeit v der Flüssigkeit 3 so bemessen ist, dass die Dämpfung D des Winkelgeschwindigkeitsmessers überkritisch ist. Dadurch wird erreicht, dass das Ausgangssignal am Ausgang 5 des Differenzdruckgebers 1 innerhalb des bestimmten Frequenzbereichs wenn bis wmax annähernd phasenrichtig proportional der Winkelgeschwindigkeit G ist.
Die Rohrschlaufe 2 kann beliebig geformt sein, wobei die Empfindlichkeit p/G des Winkelgeschwindigkeitsmessers proportional der von der Rohrschlaufe umschlossenen Fläche F ist, Eigenfrequenz W und Dämpfung D hingegen vom Umfang der Schlaufe abhängen. Verwendet man eine kreisförmige Rohrschlaufe 2 (Fig. 2) mit steifem Rohr und ist die Kompressibilität der Flüssigkeit 3 gegenüber der Steifigkeit c des Differenzdruckgebers 1 vernachlässigbar, so hängt die Eigenfrequenz W im wesentlichen von der Rohrgeometrie R, n, d, der Steifigkeit c des Differenzdruckgebers 1 und der Dichte k der Flüssigkeit 3 ab. Es gilt Gleichung 2: W2= C d2
8nRk
Für die Dämpfung D gilt gemäss Gleichung 3: D = w6 d' (3).
Wd2
Die erforderliche Dämpfung D richtet sich im wesentlichen nach den Anforderungen an die Wiedergabetreue des Winkelgeschwindigkeitsmessers bezüglich Amplitude und Phasenlage und nach der Bandbreite (wmjn bzw. wmax). Für die Bestimmung
W W der erforderlichen Dämpfung D geht man am besten von Fig. 4a und 4b aus.
Mit obengenannter Gleichung wird die starke Dämpfung D ausschliesslich durch die laminareRohrreibung derFlüssigkeit3 in der Rohrschlaufe 2 erreicht. Es ist aber auch möglich, die Dämpfung teilweise durch eine feste oder variable Drossel an irgend einer Stelle der Rohrschlaufe 2 sicherzustellen. Vorteil einer solchen Anordnung wäre die Justierbarkeit der Dämpfung. Nachteilig wäre die schwierige Herstellung linearer Drosseln.
In den meisten Anwendungsfällen ist die Strömung der Flüssigkeit 3 in der Rohrschlaufe 2 laminar. Die Empfindlich keit des Winkelgeschwindigkeitsmessers ist dann für w= W gemäss Gleichung 4.
p = W n R2 k (4).
G D
Die erforderliche Empfindlichkeit wird dem Anwendungsfall entsprechend festgelegt. Für sie gilt Gleichung 5: p - pax
G G"E", ( )
Dabei ist G,,,ax der obere Grenzwert der Winkelgeschwindigkeit G mit pmax der des Differenzdrucks p. Um allfällige Überlastungen des Differenzdruckgebers zu vermeiden, kann auch eine entsprechend niedrigere Empfindlichkeit gewählt werden.
Mit den angegebenen Gleichungen 1 bis 5 kann der Winkelgeschwindigkeitsmesser dem Anwendungsfall entsprechend dimensioniert werden.
Für den allgemeineren Fall der nichtkreisförmigen Rohrschlaufe gelten die Gleichungen 6 bis 8 für die Dimensionierung des Winkelgeschwindigkeitsmessers.
d2 - 4 k(wmin wmax) (6) nu :: c v= 116 D(winwmax)112 zu man) 1/2 d2 (7)
16
G k(wmjn wma 2 (8)
Aus den Gleichungen 3 und 4 bzw. 7 und 8 folgt, dass die Empfindlichkeit p/G des Winkelgeschwindigkeitsmessers umgekehrt proportional der kinematischen Zähigkeit v der verwendeten Flüssigkeit 3 ist, die bekanntlich temperaturabhängig ist. Ohne Gegenmassnahmen würde also die Empfindlichkeit p/G des Winkelgeschwindigkeitsmessers von der Temperatur der Flüssigkeit 3 abhängen. Um diesen Einfluss zu kompensieren, ist in Fig. 1 ein Temperaturfühler 9 vorgesehen, welcher die Verstärkung eines dem Differenzdruckgeber 1 nachgeschalteten Verstärkers 10 in an sich bekannter Weise prozentual gleichstark verändert, wie sich die kinematische Zähigkeit v der Flüssigkeit 3 mit der Temperatur ändert.
Die beschriebene Temperaturkompensation ist unnötig, wenn der Winkelgeschwindigkeitsmesser an einem Ort mit nur wenig schwankenden Temperaturen montiert ist, oder wenn die Temperatur im Winkelgeschwindigkeitsmesser konstant gehalten wird (Temperaturregelung).
Um die Volumenänderung der Flüssigkeit mit der Temperatur aufzufangen, ist in Fig. 1 ein Ausgleichsgefäss 4 bekannter Art vorgesehen, welches an irgend einer Stelle der Rohrschlaufe 2 oder an eine der beiden Druckkammern des Differenzdruckgebers 1 angeschlossen ist.
In Fig. 1 sind die beiden Enden der Rohrschlaufe 2 zusätzlich über einen 2-Weg-Hahn 11 miteinander verbunden. Dieser Hahn 11 wird für den Transport des Gerätes geöffnet, so dass sich keine oder nur geringe Druckdifferenzen über die Rohrschlaufe 2 aufbauen können, selbst wenn während des Transportes erheblich grössere Winkelgeschwindigkeiten als Gmax auf das Messgerät übertragen werden. Der Hahn 11 dient also zum Schutz des Differenzdruckgebers 1.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Differenzdruckgeber. Dargestellt ist ein Geber mit induktivem elektrischem Abgriff. Die Art des Abgriffes ist jedoch beliebig.
Ebensogut geeignet sind beispielsweise Dehnungsmessstreifen oder pneumatische Abgriffe.
Die beiden entgegengesetzten Druckkammern 14 und 15 mit den Anschlüssen 6 und 7 weisen je eine elastische Membrane 12 und 13 auf. Ein Kern 17 verbindet die beiden Membranen 12 und 13. Der gehäusefeste Spulenkörper 18 gestattet die Umformung der Verschiebung des Kerns 17 in ein proportionales elektrisches Signal an den Leitern symbolisiert durch Ausgang 5 des Differenzdruckgebers.
Damit der Winkelgeschwindigkeitsmesser unempfindlich ist gegenüber Linearbeschleunigungen in Richtung der Achse des Differenzdruckgebers, muss die bewegliche Masse m des Differenzdruckgebers (Kern 17 und Membranen 12, 13 und Zusatzmasse 16) geteilt durch die wirksame Fläche f und den Abstand L zwischen den beiden Membranen 12 und 13 gleich der Dichte k der Flüssigkeit 3 sein. Es gilt somit die Gleichung 9: m = k. (9) fL
Trifft diese Bedingung zu, was durch entsprechende Dimensionierung der Zusatzmasse 16 erreicht werden kann, so ist der Winkelgeschwindigkeitsmesser unempfindlich gegen translatorische Vibrationen, Beschleunigungen und Stösse.
Es können auch Differenzdruckgeber mit lediglich einer Membrane verwendet werden, falls entweder ihre bewegliche Masse klein genug ist oder falls an der beweglichen Masse ein Auftriebskörper befestigt ist, welcher so bemessen wird, dass das spezifische Gewicht der beweglichen Masse gleich dem spezifischen Gewicht der Flüssigkeit 3 ist.
Fig. 4 zeigt typische Frequenzgänge des beschriebenen Winkelgeschwindigkeitsmessers. Dargestellt sind auf der Ordinate in
Fig. 4a: Amplitudenverhältnis A des Ausgangssignals und der Winkelgeschwindigkeit des Gerätes bezogen auf das Amplitudenverhältnis für die Frequenz w=W und
Fig. 4b: Phasenverschiebung B des Ausgangssignals gegen über der Winkelgeschwindigkeit des Gerätes.
Beide Grössen sind über dem auf der Abszisse angegebenen Frequenzverhältnis Ww aufgetragen worden.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist das Ausgangssignal um so genauer amplituden- und phasentreu zu der zu messenden Winkelgeschwindigkeit, je näher die Erregerfrequenz w der Eigenfrequenz W des Gerätes und je höher die Dämpfung D ist.
Der Winkelgeschwindigkeitsmesser ist ungeeignet für die Messung von Winkelgeschwindigkeiten bei sehr niedrigen Frequenzen (w ¯ O), Er könnte beispielsweise nicht zum Messen der Drehzahl rotierender Teile eingesetzt werden. Der Einsatz in einem solchen Falle wäre höchstens möglich, wenn nur kurzfristige Abweichungen von der mittleren Drehzahl bestimmt werden sollen (z. B. Schwingungsmessungen). Hauptanwendungsgebiet für den beschriebenen Winkelgeschwindigkeitsmesser ist aber die Messung der Winkelgeschwindigkeit von Fahrzeugen bei höheren Frequenzen.
Insbesondere für die Stabilisierung von Schiffen, Flugzeugen, ferner von Feuerleitanlagen, Geschütztürmen usw. ist häufig die Winkelgeschwindigkeit bei sehr niedrigen Frequenzen bedeutungslos, so dass in diesen Fällen üblicherweise eingesetzte Kreisel durch den beschriebenen Winkelgeschwindigkeitsmesser ersetzt werden können. Dies ergibt besondere Vorteile bezüglich Robustheit, Betriebssicherheit, Lebensdauer und geringem Wartungsaufwand.
Beispiel
Für die Stabilisierung eines Tragflügelbootes eignet sich beispielsweise ein Winkelgeschwindigkeitsmesser mit folgenden Daten: Maximale Winkelgeschwindigkeit: Gmax = 0,25 rad/sec Frequenzbereich: wmin = 0,05 Hz w,,,ax = 3 Hz Eigenfrequenz: W = 0,4 Hz Dämpfung: D = 8 Differenzdruckgeber: Pmax = 2 104 dyn-cm2 Vibrometer DD/200 c = 5,7 105 dyn/cm5 Abmessungen der Rohrschlaufe (Rechteckform): Mittlere Länge: 60,5 cm Mittlere Breite: 49 cm n = 27 d = 0,28 cm Flüssigkeit (Silikonöl): k = 0,94 g/cm3 v = 0,1 cm2/sec Zähigkeitsänderung: 2%/o C Empfindlichkeit: P=2,5 104 dyn/cm2
G rad/sec
Der Druckbereich des Differenzdruckgebers wurde hier aus Sicherheitsgründen nur zu etwa einem Drittel ausgenützt.
Das Ausgangssignal des Differenzdruckgebers beträgt 25r mV rad/sec Verstärkung des Verstärkers: 800 - 16 oc
Temperaturfühler: Thermowiderstand.
Bedeutung der Symbole
A. Amplitudenverhältnis zwischen Ausgang des Winkel geschwindigkeitsmessers und Winkelgeschwindigkeit G bezogen auf das Amplitudenverhältnis für die Frequenz w=W,
B Phasenverschiebung zwischen Ausgang des Winkel geschwindigkeitsmessers und Winkelgeschwindigkeit G, c Steifigkeit des Differenzdruckgebers 1 (c=-e), D Dämpfung des Winkelgeschwindigkeitsmessers, d Innendurchmesser des Rohres der Rohrschlaufe 2, F von der Rohrschlaufe 2 umschlossene Fläche, f wirksame Fläche der Membranen 12, 13 des Differenz druckgebers 1, G Winkelgeschwindigkeit, k Dichte der Flüssigkeit 3, L Abstand zwischen den beiden Membranen 12, 13 des
Differenzdruckgebers 1, m bewegliche Masse des Differenzdruckgebers 1, n Windungszahl der Rohrschlaufe 2, p Druckdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen 6, 7 des
Differenzdruckgebers 1, R Radius der Rohrschlaufe 2,
u Umfang der Rohrschlaufe 2, V Volumenänderung der Messkammern 14, 15 des Differenz druckgebers 1, v kinematische Zähigkeit der Flüssigkeit 3, W Eigenfrequenz des Winkelgeschwindigkeitsmessers, w Frequenz.
The invention relates to an angular speed meter for measuring the angular speed of an object moving back and forth at a frequency, in particular a vehicle, which angular speed meter has a pipe loop filled with liquid with at least one turn, the two ends of the pipe loop each at a measuring chamber Differential pressure transducer are connected.
Such angular speed meters are used in particular to measure the angular speed of moving objects, e.g. of vehicles, where it depends on the deviations of the current angular speed from an average angular speed.
The problem of measuring the angular velocity of moving objects without reference to a body at rest with respect to the moving object occurs mainly in the stabilization of vehicles, such as ships, aircraft and land vehicles. Angular velocity gyroscopes are usually used for such measurements. With the angular velocity gyro, the movements to be measured exert forces on the gyro axis, the reaction forces of which allow the angular velocity to be measured. For such gyroscopes, a high speed of the rotor and low-friction bearings are required. This means that they are relatively susceptible to shocks and vibrations and have a limited service life.
Devices for measuring the angular velocity are also known which derive the angular velocity from the angular acceleration by integration or by a first order delay. These devices are considerably more robust than gyroscopes, but have the disadvantage that at low frequencies of the movement to be measured, the output signal of the angular accelerometer is very low. For this reason, high demands must be placed on the linearity and the freedom from hysteresis of the angular accelerometer and the integrator.
The object of the invention is to create an angular speedometer of the type mentioned at the beginning which does not have the disadvantages mentioned above.
The angular velocity meter according to the invention is characterized in that it responds within a certain frequency range of the back and forth movements and its natural frequency corresponds to the geometric mean value of its lower limit frequency and its upper limit frequency of the relevant frequency range, the kinematic viscosity of the liquid being such that the Damping of the angular velocity meter is supercritical.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings. It shows in a schematic representation or in diagram form:
1 shows an angular speedometer;
2 shows a simplified representation of the same angular velocity meter to explain its dimensions;
3 shows a differential pressure transducer of the angular velocity meter of FIGS. 1 and 2 in longitudinal section; and
FIGS. 4a and 4b show typical frequency responses of the angular velocity meter of FIGS. 1 and 2.
In FIG. 1, a pipe loop 2 filled with liquid 3 connects the two opposite connections 6 and 7 of a differential pressure transmitter 1 with one or more turns.
If the angular velocity meter is rotated around an axis perpendicular to the plane of the drawing, the liquid 3 in the pipe loop 2 shifts due to its inertia and a pressure difference P arises between the two connections 6 and 7 of the differential pressure transmitter 1. The output signal at the output 5 of the differential pressure transmitter 1 is proportional to this pressure difference P. If the movement takes place at a very low frequency w, this pressure difference P is proportional to the angular acceleration. Angular accelerometers on this basis have been known for a long time.
If the frequency w of the movement is now increased, the output signal of the differential pressure transducer 1 is increasingly shifted in phase position and distorted in amplitude with respect to the angular acceleration. The frequency response shows the well-known behavior of a damped spring-mass system, with the amplitude ratio and phase shift mainly depending on the excitation frequency w and the natural frequency w of the system and the damping D. For angular accelerometers, the highest possible natural frequency w and a subcritical damping of 0.7 (critical damping D = 1) are required in order to keep the mentioned deviations within a certain frequency range wmin to wrnax as small as possible.
The invention assumes that it is precisely these otherwise undesirable amplitude distortions and phase shifts that are used. For this purpose, the angular velocity meter is designed so that it responds within a certain frequency range of the back and forth movements and its natural frequency W corresponds to the geometric mean value of its lower limit frequency wmjn and its upper limit frequency wmax of the relevant frequency range wmin to wmax, with the kinematic toughness v of the liquid 3 is dimensioned so that the damping D of the angular velocity meter is supercritical. It is thereby achieved that the output signal at the output 5 of the differential pressure transmitter 1 is proportional to the angular velocity G approximately in phase within the specific frequency range if up to wmax.
The pipe loop 2 can be of any shape, the sensitivity p / G of the angular velocity meter being proportional to the area F enclosed by the pipe loop, while the natural frequency W and damping D depend on the circumference of the loop. If a circular pipe loop 2 (Fig. 2) with a stiff pipe is used and the compressibility of the liquid 3 is negligible compared to the rigidity c of the differential pressure transducer 1, the natural frequency W depends essentially on the pipe geometry R, n, d, the rigidity c des Differential pressure sensor 1 and the density k of the liquid 3 from. Equation 2 applies: W2 = C d2
8nRk
According to equation 3, the following applies to damping D: D = w6 d '(3).
Wd2
The required attenuation D is based essentially on the requirements for the fidelity of the angular velocity meter in terms of amplitude and phase position and on the bandwidth (wmjn or wmax). For determination
W W of the required damping D is best based on FIGS. 4a and 4b.
With the above equation, the strong damping D is achieved exclusively through the laminar pipe friction of the liquid 3 in the pipe loop 2. However, it is also possible to ensure the damping partially by a fixed or variable throttle at any point on the pipe loop 2. The advantage of such an arrangement would be the adjustability of the damping. The difficult production of linear chokes would be disadvantageous.
In most applications, the flow of the liquid 3 in the pipe loop 2 is laminar. The sensitivity of the angular velocity meter is then for w = W according to equation 4.
p = W n R2 k (4).
G D
The required sensitivity is determined according to the application. Equation 5 applies to them: p - pax
G G "E", ()
Here G ,,, ax is the upper limit value of the angular velocity G with pmax that of the differential pressure p. In order to avoid possible overloading of the differential pressure sensor, a correspondingly lower sensitivity can be selected.
With the specified equations 1 to 5, the angular speed meter can be dimensioned according to the application.
For the more general case of the non-circular pipe loop, equations 6 to 8 apply to the dimensioning of the angular velocity meter.
d2 - 4 k (wmin wmax) (6) nu :: c v = 116 D (winwmax) 112 to man) 1/2 d2 (7)
16
G k (wmjn wma 2 (8)
It follows from equations 3 and 4 or 7 and 8 that the sensitivity p / G of the angular velocity meter is inversely proportional to the kinematic viscosity v of the liquid 3 used, which is known to be temperature-dependent. Without countermeasures, the sensitivity p / G of the angular velocity meter would therefore depend on the temperature of the liquid 3. In order to compensate for this influence, a temperature sensor 9 is provided in FIG. 1, which changes the gain of an amplifier 10 connected downstream of the differential pressure transducer 1 in a known manner in percentage terms equal to the same percentage as the kinematic viscosity v of the liquid 3 changes with temperature.
The temperature compensation described is unnecessary if the angular speed meter is installed in a location with only slightly fluctuating temperatures, or if the temperature in the angular speed meter is kept constant (temperature control).
In order to compensate for the change in volume of the liquid with the temperature, a compensating vessel 4 of a known type is provided in FIG. 1, which is connected to any point on the pipe loop 2 or to one of the two pressure chambers of the differential pressure transducer 1.
In FIG. 1, the two ends of the pipe loop 2 are additionally connected to one another via a 2-way valve 11. This cock 11 is opened for the transport of the device, so that little or no pressure differences can build up over the pipe loop 2, even if angular velocities considerably greater than Gmax are transmitted to the measuring device during transport. The cock 11 therefore serves to protect the differential pressure transmitter 1.
Fig. 3 shows schematically a longitudinal section through a differential pressure transducer. A transmitter with inductive electrical tap is shown. The type of tap is however arbitrary.
Strain gauges or pneumatic taps, for example, are just as suitable.
The two opposite pressure chambers 14 and 15 with the connections 6 and 7 each have an elastic membrane 12 and 13. A core 17 connects the two diaphragms 12 and 13. The coil former 18 fixed to the housing allows the conversion of the displacement of the core 17 into a proportional electrical signal on the conductors symbolized by output 5 of the differential pressure transmitter.
So that the angular velocity meter is insensitive to linear accelerations in the direction of the axis of the differential pressure transmitter, the movable mass m of the differential pressure transmitter (core 17 and membranes 12, 13 and additional mass 16) must be divided by the effective area f and the distance L between the two membranes 12 and 13 equal to the density k of the liquid 3. Equation 9 therefore applies: m = k. (9) fL
If this condition applies, which can be achieved by appropriate dimensioning of the additional mass 16, the angular velocity meter is insensitive to translational vibrations, accelerations and shocks.
Differential pressure transducers with only one membrane can also be used if either their movable mass is small enough or if a float is attached to the movable mass, which is dimensioned so that the specific weight of the movable mass is equal to the specific weight of the liquid 3 .
4 shows typical frequency responses of the angular velocity meter described. Are shown on the ordinate in
Fig. 4a: Amplitude ratio A of the output signal and the angular velocity of the device based on the amplitude ratio for the frequency w = W and
Fig. 4b: Phase shift B of the output signal versus the angular velocity of the device.
Both quantities have been plotted against the frequency ratio Ww indicated on the abscissa.
As can be seen from FIG. 4, the closer the excitation frequency w to the natural frequency W of the device and the higher the attenuation D, the more precisely the amplitude and phase faithful to the angular velocity to be measured, the more accurate the output signal.
The angular speed meter is unsuitable for measuring angular speeds at very low frequencies (w ¯ O). For example, it could not be used to measure the speed of rotating parts. Use in such a case would only be possible if only short-term deviations from the mean speed are to be determined (e.g. vibration measurements). The main area of application for the angular speed meter described is the measurement of the angular speed of vehicles at higher frequencies.
In particular for the stabilization of ships, aircraft, fire control systems, gun turrets, etc., the angular speed is often meaningless at very low frequencies, so that gyroscopes usually used in these cases can be replaced by the angular speed meter described. This results in particular advantages in terms of robustness, operational safety, service life and low maintenance costs.
example
An angular speed meter with the following data is suitable for stabilizing a hydrofoil: Maximum angular speed: Gmax = 0.25 rad / sec Frequency range: wmin = 0.05 Hz w ,,, ax = 3 Hz Natural frequency: W = 0.4 Hz damping : D = 8 differential pressure transducers: Pmax = 2 104 dyn-cm2 vibrometer DD / 200 c = 5.7 105 dyn / cm5 Dimensions of the pipe loop (rectangular shape): Average length: 60.5 cm Average width: 49 cm n = 27 d = 0.28 cm liquid (silicone oil): k = 0.94 g / cm3 v = 0.1 cm2 / sec change in viscosity: 2% / o C sensitivity: P = 2.5 104 dynes / cm2
Degree / sec
For safety reasons, only about a third of the pressure range of the differential pressure sensor was used here.
The output signal of the differential pressure transmitter is 25r mV rad / sec. Amplification of the amplifier: 800 - 16 oc
Temperature sensor: thermal resistor.
Meaning of the symbols
A. Amplitude ratio between the output of the angular velocity meter and angular velocity G based on the amplitude ratio for the frequency w = W,
B phase shift between the output of the angular velocity meter and angular velocity G, c rigidity of the differential pressure transducer 1 (c = -e), D damping of the angular velocity meter, d inner diameter of the pipe of pipe loop 2, F area enclosed by pipe loop 2, f effective area of membranes 12 , 13 of the differential pressure transmitter 1, G angular velocity, k density of the liquid 3, L distance between the two membranes 12, 13 of the
Differential pressure transmitter 1, m movable mass of the differential pressure transmitter 1, n number of turns of the pipe loop 2, p pressure difference between the two connections 6, 7 of the
Differential pressure sensor 1, R radius of pipe loop 2,
u circumference of pipe loop 2, V change in volume of measuring chambers 14, 15 of differential pressure transmitter 1, v kinematic viscosity of liquid 3, W natural frequency of the angular velocity meter, w frequency.