DE1089574B

DE1089574B - Winkelbeschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE1089574B
Application number: DES59585A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Gert Zoege Manteuffel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1958-08-27
Filing date: 1958-08-27
Publication date: 1960-09-22
Also published as: GB900551A; US3085443A

Description

DEUTSCHES

Zur Stabilisierung von Körpern, insbesondere von Flugkörpern und Fahrzeugen oder von Teilen derselben, wurden früher die Winkelabweichung, die Winkelgeschwindigkeit und ergänzend dazu die Winkelbeschleunigung gemessen und die so erhaltenen Größen zur Steuerung bzw. Regelung ausgenutzt. In Vereinfachung dieser Methode hat man auch nur noch eine Größe direkt gemessen, die anderen aber aus ihr, beispielsweise durch elektrische Umwertung, gewonnen. Die direkte Messung der Winkelbeschleunigung erfolgte bisher durch ein Gerät mit gefesseltem Kreisel oder durch zwei lineare Beschleunigungsmesser, die in dem zu überwachenden Körper in größerem Abstand voneinander getrennt angeordnet sein müssen und deren Meßwerte gegeneinandergeschaltet werden.

Es ist bereits eine Anordnung zur Messung von Winkelbeschleunigungen bekanntgeworden, bei der ein schwingendes System angeordnet ist, das an seinen äußeren Enden mit zwei in einer Brückenschaltung angeordneten Kondensatoren in der Weise zusammenarbeitet, daß es eine bewegliche mittlere zwischen zwei äußeren feststehenden Kondensatorbelegungen bildet. Bei den Schwingungen werden die Teilkapazitäten verändert und diese Änderung zur Ermittlung der Beschleunigung ausgenutzt. Bei einer anderen bekannten Anordnung sind zwei mit Dreifingereisen ausgerüstete Drosselspulensysteme unmittelbar gegenüberliegend mit einem zwischen diesen angeordneten Schwinger vorgesehen, wobei der Schwinger ein gemeinsames Joch für diese Teile darstellt. Dadurch, daß er sich bei seinen Schwingungen um eine zentrale Achse jeweils von dem Eisen der einen Drossel etwas entfernt und dementsprechend dem der anderen nähert, werden Änderungen der induktiven Widerstände herbeigeführt, die zur Messung der Beschleunigung ausgenutzt werden.

Bei Anordnungen dieser Art, insbesondere bei größeren Ausführungen, wo eine völlig starre Konstruktion schwer erreicht werden kann, können Verfälschungen der Meßergebnisse insofern auftreten, als infolge des großen Abstandes Raumschwingungen fälschlicherweise als Richtungsänderungen angezeigt werden können.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Winkelbeschleunigungen, bei der mit Hilfe von kontaktlos und damit reibungsfrei herbeigeführten Widerstandsänderungen gearbeitet wird. Hierbei wird eine wesentliche Verbesserung dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß ein in an sich bekannter Weise im Schwerpunkt gelagerter Massenschwinger mit zwei an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Schlußteilen ausgeführt wird, die mit elektrisch ortsfesten oder an einem, mit dem ersten gekoppelten, gesonder-Winkelbeschleunigungsmesser

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktienges ells chaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Gert Zoege von Manteuffel, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt worden

ten Massenschwinger angeordneten Abgriffsteilen zusammenarbeiten, wobei die zusammengehörigen Schluß- und Abgriffsteile radial angeordnet sind, so daß die Meßrichtung mit der Umfangsbewegungsrichtung des Schwingers übereinstimmt.

Dadurch, daß die zusammengehörigen Anschlußteile radial angeordnet sind, sich bei den Bewegungen in zueinander paralleler Richtung, also praktisch in Umfangsrichtung um den Schwerpunkt bewegen, ist eine gegenseitige Berührung zwischen Schlußteilen und Abgriffsteilen ausgeschlossen. Dadurch wird die Möglichkeit gegeben, mit sehr geringen Abständen zu arbeiten und auf diese Weise eine sehr hohe Empfindlichkeit zu erreichen. Es werden also auf diese Weise Messungen mit großer Empfindlichkeit unter Vermeidung von Fälschungen ermöglicht.

Zum besseren Verständnis der neuen Einrichtung sind nachfolgend die für eine Schwingungsmessung maßgebenden, an sich bekannten Kriterien angegeben.

Bei der Beurteilung einer Schwingungsmessung ist die Phasentreue und Amplitudentreue von Wichtigkeit. Sie werden einerseits durch die Abstimmung λ als Verhältnis der Meßfrequenz (Störfrequenz) zur Eigenfrequenz und andererseits durch die Dämpfung δ, das ist das logarithmische Dekrement zweier gleichsinnig aufeinanderfolgender Amplituden, bestimmt.

In Fig. 1 ist die Abhängigkeit des Vergrößerungsfaktors V von der Abstimmung ! bei verschiedener Dämpfung δ und in Fig. 2 die Abhängigkeit der Phasenschleppungφ von der Abstimmung! bei verschiedener Dämpfung δ dargestellt. In beiden Figuren ist der sogenannte Klotter-Maßstab verwendet.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, zeichnet sich eine Dämpfung δ = 0,75 durch eine Gewährleistung der

009 608/102

Amplitudentreue etwa bis zur Abstimmung λ — 0,6 aus. Die Phasentreue ist dabei durch eine mit der Abstimmung /. linear zunehmende Schleppung gekennzeichnet. Im allgemeinen wird deshalb ein Wert um ö = 0,7 angestrebt, der möglichst im ganzen Temperaturbereich konstant bleiben soll.

Bei einem federgefesselten Schwinger ergibt sich die Eigenfrequenz /₀ zu

fO = ¹

mit der spezifischen Fesselung C und dem Massenträgheitsmoment /.

Daraus ergibt sich ohne Berücksichtigung des Vergrößerungsfaktors V das den zu messenden Ausschlag bewirkende Moment zu

M = J · ä = C ■ ε (2)

Darin bedeutet ά die Winkelbeschleunigung und ε den Ausschlag des Schwingers. Aus beiden Gleichungen ergibt sich der Meßwinkel

e=ät{2nf₀f (3)

Der Weg, der bei einem bestimmten Meßwinkel vom Schwinger zurückgelegt wird, beträgt dabei

s^e-r_L (4) ²S

Unter r_L ist hierbei der Meß radius zu verstehen, der bei einem induktiven Abgriff von der Schwingungsachse bis zum Luftspalt gemessen wird.

Aus den Gleichungen (3) und (4) folgt, daß die Empfindlichkeit am Abgriff bei einer bestimmten Eigenfrequenz des Schwingungssystems nur vom Meßradius abhängig ist.

Je härter der Schwinger gefesselt ist, desto kleiner wird aber der Meßwinkel und damit der Meßweg. Daher ist es notwendig, den Schwinger reibungs- und spielfrei in an sich bekannter Weise in Blattfedern oder Kreuz-Blattfedergelenken zu lagern und eventuell erforderliche kraftübertragende Verbindungen ebenso auszuführen. Gleichzeitig ist es erforderlich, die Abgriffe so auszubilden, daß bei solchen kleinen Wegen ausreichend starke Meßwerte verfügbar sind. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß zwei induktive Abgriffe verwendet werden, die jeweils aus einem E- und einem I-förmigen Teil bestehen, wobei die E-förmigen Teile beispielsweise eine primäre und zwei sekundäre Induktionswicklungen tragen, deren' Spanungen einzeln gegeneinander, für beide Abgriffe aber in Serie geschaltet sind. Bei einer Relativbewegung der E- und I-förmigen Teile gegeneinander werden durch die gegenläufige Änderung der magnetischen Leitwerte Spannungen erzeugt, wobei entweder die E-förmigen oder die I-förmigen oder beide Teile schwingbar angeordnet sein können. Durch die Verwendung von zwei genau symmetrisch angeordneten Abgriffen, bei denen die Symmetrie für die bewegten Teile streng erfüllt ist, kann eine Wanderung des Schwerpunktes bei Temperaturänderungen vermieden werden.

Gemäß Fig. 3 sind zwei Abgriffteile 3 und 4 durch einen bei 6 schwenkbar _ gelagerten Balken 5 miteinander verbunden und durch je zwei starke Federn 7 gefesselt. Die Lagerung erfolgt bei allen im folgenden beschriebenen Ausführungen zweckmäßigerweise in einem Kreuzfedergelenk, das weder Spiel noch Reibung aufweist. Symbolisch ist dafür eine .Schneidenlagerung dargestellt. Jedem der eine entsprechende Masse aufweisenden Abgriffteile 3 und 4 ist ein ortsfest angeordneter E-förmiger mit nicht dargestellten Induktionswicklungen versehener Teil 1 bzw. 2 zugeordnet. Bei einer Richtungsänderung des zu überwachenden Körpers werden diese Teile (1 und 2) mitgenommen, während die Teile 3 und 4 durch ihre Trägheit an der Drehung zunächst nicht teilnehmen, wobei sich ein der Drehbeschleunigung entsprechender Stellungsunterschied einstellt. In den Induktionsspulen werden entsprechende Spannungen erzeugt, die ein Maß für den Stellungsunterschied und damit für die Winkelbeschleunigung ergeben.

In Fig. 4 ist eine Abänderung dieser einfachsten Anordnung dargestellt. Hierbei sind die I-förmigen schwingbaren Abgriffteile leicht ausgebildet, aber mit einem wesentlich schwereren Massenschwinger gekoppelt. 1 und 2 bedeuten wiederum die ortsfest angebrachten E-förmigen Abgriffteile, während 8 und 9 die I-förmigen praktisch masselosen Abgriffteile sind. Die letzteren sind durch einen bei 6 gelagerten Balken 5 miteinander verbunden.

Zwei durch einen bei 11 schwenkbar gelagerten Balken 15 miteinander verbundene Massenteile 12 und 13 sind mit dem schwingenden Abgriffteil durch ein an beiden Balken 15 und 5 befestigtes Verbindungsstück 10 gekuppelt. Der Balken 15 ist durch starke Federn 14 gefesselt. Die E-förmigen Abgriffteile 1 und 2 tragen wiederum nicht dargestellte Induktionswicklungen zur Erzeugung der Meß spannungen.

Zur Vergrößerung der Ausschläge des I-förmigen Abgriffteiles gegenüber den ortsfesten E-förmigen Abgriffteilen kann nach Fig. 5 zwischen dem Massenschwinger und dem eigentlichen Meßschwinger eine mechanische Übersetzung vorgesehen sein, die die Ausschläge des Massenschwingers entsprechend vergrößert und auf den Meßschwinger überträgt. Hierzu ist z. B. der Massenteil 13 durch ein Verbindungsstück 32 mit dem bei 33 schwenkbar gelagerten Hebel 31 verbunden, der seine Bewegung über ein Verbindungsstück 30 auf den Balken des Meßschwingers überträgt. Die Abstände der Verbindungsteile zum Schwenkpunkt 33 und zu den Lagerpunkten 6 und 11 bestimmen dann das Übersetzungsverhältnis der gleichsinnigen Bewegungen beider Schwingungssysteme.

Bei den geschilderten Ausführungsformen besteht die Notwendigkeit, neben den mit großer Masse behafteten (ruhenden) E-förmigen Abgriffteilen noch weitere schwingende Massen vorsehen zu müssen, dii schwingbar gelagert und gegebenenfalls mit getrennten I-förmigen Abgriffteilen verbunden sind. Dadurch wird das Gewicht des Gerätes z. B. für Anwendungen im Flugzeug erheblich erhöht.

Eine Einsparung solcher zusätzlicher Massen ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch möglich, daß die E-förmigen Abgriffteile selbst schwingbar angeordnet und so mit den ebenfalls schwingbaren möglichst massenarmen I-förmigen Abgriffteilen verbunden sind, daß beide Teile stets gegenläufige Bewegungen ausführen. Es ist hierzu eine Kupplung beider schwingenden Teile durch eine Hebelübersetzung vorgesehen und dafür Sorge getragen, daß die auf dem E-förmigen Abgriff angebrachten Induktionswicklungen mechanisch unverrückbar befestigt sind, damit keine Schwerpunktverlagerungen eintreten. Durch das große Eigengewicht der E-förmigen Abgriffteile ergibt sich ein ausreichendes Trägheitsmoment des Hauptschwingers. Da der andere durch die I-förmigen Abgriffteile gebildete Schwinger gegenläufige Bewegungen ausführt, wirkt sein Trägheitsmoment dem Trägheitsmoment des ersten schwingenden Teiles entgegen, und zwar bei einer entsprechenden Übersetzung durch den Hebel mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses multipliziert. Deshalb darf das Trägheitsmoment des Meß schwingers bei dieser Anordnung nur einen

kleinen Bruchteil des Trägheitsmomentes des Hauptschwingers erreichen, wenn die Empfindlichkeit der Meßanordnung nicht beeinträchtigt werden soll. Diese Bedingung läßt sich aber bei sorgfältiger Wahl der Elemente erfüllen.

Ein Ausführungsbeispiel eines solchen gegenläufigen Schwingers ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Der Hauptschwinger mit dem größeren Trägheitsmoment wird durch die beiden E-förmigen Abgriffteile 1 und 2 gebildet, die durch ein bei 26 schwenkbar gelagertes Verbindungsstück 27 starr miteinander verbunden sind. Jeder der Abgriffteile 1 und 2 hat beispielsweise eine Primärwicklung 18 bzw. 19 auf den Mittelschenkeln sowie zwei gegeneinandergeschaltete Sekundärwicklungen 16, 20 bzw. 17, 21 auf den Außenschenkein zur Erzeugung der Meßspannungen bei einer gegenläufigen Änderung der magnetischen Leitwerte durch Relativbewegung beider Schwingungssysteme gegeneinander. Die I-förmigen Abgriffteile 8 und 9 sind wiederum durch den Balken 5 miteinander verbunden und bei 6 schwingbar gelagert, wobei es zweckmäßig ist, die Lagerpunkte 6 und 26 in die Schwerpunkte und in eine Fluchtlinie zu legen. Das Massenträgheitsmoment dieses Systems ist wesentlich kleiner als das erstgenannte. Das Verbindungsstück 27 weist ein Teil 15 auf, an dem beispielsweise beiderseits angeordnete starke Federn 14 angreifen und somit eine starke Fesselung des Schwingers hervorrufen. Die gegenläufige Bewegung beider Schwinger wird durch eine Hebelübertragung erzwungen, die aus einem bei 25 schwenkbar gelagerten Doppelhebel 24 besteht, der über Verbindungsstücke 22 und 23 mit dem Balken 5 und dem Teil 15 des Hauptschwingers formschlüssig verbunden ist. Im vorliegenden Fall sind die Abgriffpunkte der Hebel 22 und 23 so gewählt, daß eine bestimmte mechanische Übersetzung vorliegt, bei der — wie weiter unten noch näher dargelegt ist — ein vom Trägheitsverhältnis abhängiges Optimum der erzielbaren Empfindlichkeit gegeben ist.

Werden zwei Massenschwinger gegenläufig miteinander gekoppelt, so nimmt die Trägheitswirkung mit dem Faktor (l—M²/#) ab, worin« die mechanische Übersetzung'zwischen beiden Schwingernund'·!?=^ : J₂ das Verhältnis der Massenträgheitsmomente beider Schwinger darstellt. Der aus der gegenläufigen Bewegung beider Schwinger gewonnene Weg wächst dagegen nur mit (1+m). Daraus ergibt sich die Tatsache, daß die Empfindlichkeit des Meßsystems eine Funktion/ (1+ü—ü^zld— ü^s/-&) ist, die ihr Maximum bei einer mechanischen Übersetzung

fik--)lh:h (5)

erreicht.

Die Empfindlichkeit nimmt dabei entsprechend der Meßübersetzung mit einem Faktor

Omax = ³U 0- + ^ümax) (6)

zu. Hierbei wird a_maxa.us der Beziehung a=(sg-\-S/)/sg gewonnen, wobei s_E den Schwingungsweg des E-förmigen und s, den Schwingungsweg des I-förmigen Schwingers bedeutet. Der gesamte durch die gegenläufige Bewegung erzielbare Meßweg ist dann

s=e-r_L-%-(l+ü_max) (7)

Aus den obigen Darlegungen ergibt sich somit, daß beispielsweise bei einem Verhältnis der Trägheitsmomente 36:1 die größte Empfindlichkeit bei einer Übersetzung ü=3 erreicht wird. Auch bei einem auf den dritten Teil verkürzten Meß radius kann noch die gleiche Empfindlichkeit erreicht werden wie mit einem einfachen Schwinger, da in diesem Falle auch Gmax = 3 ist.

Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht nur auf die dargestellten Ausführungsbeispiele. An Stelle der Hebelübertragungen können auch andere gleichwertige und entsprechend wirkende mechanische Übersetzungen vorgesehen sein.

An Stelle der dargestellten Federfesselung kann beispielsweise die Federung der für die Lagerung verwendeten, in einer Ebene oder kreuzweise angeordneten Blattfedern für die geschilderte Aufgabe herangezogen werden. Es kann auch von Vorteil sein, eine sogenannte elektrische Fesselung zu verwenden, die beispielsweise aus Tauchspulen bzw. Paaren von Tauchspulen gebildet wird, die vom Abgriff über Verstärker mit Gleichstrom beschickt werden. Auch hierbei ist es zweckmäßig, für die Temperaturfestigkeit des Schwerpunktes alle bewegten Teile paarweise vorzusehen und genau symmetrisch anzuordnen.

Die für den Schwinger zweckmäßige Dämpfung kann in bekannter Weise durch eine geeignete Flüssigkeit erzielt werden, die in einem nicht dargestellten Gehäuse den Schwinger völlig umgibt.

Claims

Patentansprüche:

1. Induktiv wirkender Winkelbeschleunigungsmesser mit an eine Nullstellung elastisch gefesselten Massenschwingern, deren Ausschläge durch reibungsfrei arbeitende Abgriffe gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die in an sich bekannter Weise im Schwerpunkt gelagerten Massenschwinger (S) an zwei gegenüberliegenden Seiten Schlußteile (3, 4 bzw. 8, 9) aufweisen, die mit elektrisch erregbaren ortsfesten oder an einem mildem ersten gekoppelten gesonderten Massenschwinger angeordneten Abgriffsteilen (1, 2) zusammenarbeiten, bei radialer Anordnung der zusammengehörigen Schluß- und Abgriffsteile (1 und 3 bzw. 8; 2 und 4 bzw. 9), so daß die Meßrichtung mit der Umfangsbewegung des Schwingers übereinstimmt.

2. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schlußteile (3, 4 bzw. 8, 9) tragende Schwinger massenarm ausgebildet und mit einem parallelachsigen, mittig gelagerten und elastisch gefesselten eigentlichen Massenschwinger vorzugsweise über eine die Abgriffswege vergrößernde Übersetzung, insbesondere Hebelübersetzung, gekuppelt ist.

3. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Massenschwinger aus den miteinander starr verbundenen Abgriffsteilen gebildet ist und derart mit dem anderen Schwinger gekuppelt ist, daß sich beide gegenläufig verschwenken.

4. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen unverrückbar an ihren Abgriffsteilen befestigt sind.

5. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der gegeneinander beweglichen Elemente als Eisenkörper mit E-förmigem Querschnitt ausgeführt ist, während das korrespondierende Element aus einer magnetischen Brücke besteht, die die Schenkel des E-förmigen Körpers je nach ihrer Lage mehr oder weniger überbrückt.

6. Winkelbeschleunigungsmesser nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur

Erzielung maximaler gegenläufiger Ausschläge das Trägheitsmoment (J₁) des Massenschwingers (27) wesentlich größer als das (J₂) des Meßschwingers (5) gewählt ist und das Übersetzungsverhältnis zu

bestimmt ist.

7. Winkelbeschleunigungsmesser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Fesselung

auf elektrische Weise durch von der abgegriffenen Meßspannung beeinflußte Tauchspulen erfolgt.

8. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchspulen von einem Verstärker mit Gleichstrom erregt sind, der in Steuerabhängigkeit von der Meßspannung gebracht ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 310 213, 2 657 353;
britische Patentschrift Nr. 783 104;
französische Patentschrift Nr. 1 054 646.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

& 009 608/102 9.60