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Trägheits-Beschleunigungsmeßgerät Die Erfindung bezieht sich auf ein
Beschleunigungsmeßgerät mit einem Trägheitskörper, der in einem Gehäuse frei beweglich
elastisch gestützt ist.
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Bei Flugkörpern hoher Geschwindigkeit, insbesondere bei unbemannten
Flugzeugen und Raketen, ist es erforderlich, die auf den Flugkörper wirkenden Beschleunigungskräfte
zu kennen, um die Flugbahn genau zu einem gewünschten Ziel bestimmen zu können.
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Bekannte Beschleunigungsmeßgeräte haben sich als unzureichend erwiesen,
weil Hysterese- und andere Effekte Ungenauigkeiten der erzielten Information verursachen.
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Ziel der Erfindung ist ein Beschleunigungsmeßgerät mit geringen Verlusten
der Rückstellkräfte. Es soll daher der Trägheitskörper keine direkte Berührung mit
dem Gehäuse haben, so daß die Reibung, die sonst Fehlanzeigen verursacht, möglichst
ausgeschaltet ist. Das Gerät soll einfach und stabil im Aufbau sein und nur einen
beweglichen Bauteil haben. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Stützung
des Trägheitskörpers mittels an sich bekannter Gasdrucklager erfolgt, daß mindestens
auf einer Achse eines räumlichen kartesischen Koordinatensystems, das mit seinem
Koordinatenursprung im Schwerpunkt des Trägheitskörpers gedacht ist, zwei derartige
Gasdrucklager vorgesehen sind und daß Mittel zur Messung der Relativbewegung des
Trägheitskörpers und des Gehäuses vorgesehen sind.
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Gasdrucklager an sich und in Verbindung mit Kreiselgeräten sind in
verschiedenen Konstruktionen bekannt. Es sind auch Ausführungsformen von Kreiseln
vorgeschlagen worden, bei denen der Rotationskörper durch als Stifte oder Nocken
ausgebildete Widerlager gestützt werden kann, wenn kein Druckgas zu den eigentlichen
Lagern gelangt. Ahnliche Gasdruck- und Widerlager werden auch bei dem Beschleunigungsmesser
gemäß der Erfindung benutzt. Durch die Gasdrucklager wird der Trägheitskörper derart
gestützt, daß er sich im Gehäuse bewegen kann; die als Widerlager dienenden Stifte
oder Nocken stützen ihn in Ruhestellung gegen das Gehäuse ab.
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Das für Flugkörper bestimmte Gerät besteht aus einem in ein Gehäuse
eingeschlossenen Trägheitskörper, der von einer Vielzahl von Lagern gestützt wird,
so daß der Trägheitskörper gegenüber dem Gehäuse seine Lage verändern kann, wenn
dem Flugkörper irgendeine Beschleunigung erteilt wird. Es sind Mittel zur Bestimmung
einer Abstandsveränderung zwischen Trägheitskörper und Gehäuse vorgesehen, wodurch
mittelbar jede änderung des Bewegungs-
zustandes des Flugkörpers festgestellt werden
kann.
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Auf Grund der Abstandsänderung wird ein Signal erzeugt, das die Bewegungsänderung
hinsichtlich Größe und Richtung anzeigt.
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Die Stützlager für den Trägheitskörper sind als an sich bekannte
Gasdrucklager ausgebildet, und am Trägheitskörper sind Mittel zur Abstandsmessung
angebracht, die mit den Lagern zusammenwirken.
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Zwischen der Trägheitsmasse und den Lagern befinden sich mit Druckgas
gefüllte Zwischenräume, und es wird mittels Druckmeßwandlern jede Sinderung des
Gasdruckes in diesen Zwischenräumen gemessen, die durch die relative Bewegung des
Trägheitskörpers entstehen, wenn Beschleunigungskräfte auf den Flugkörper einwirken.
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Bei einer anderen Ausführungsform zur Messung der Relativbewegung
sind an den sich gegenüberliegenden Oberflächen der Gasdrucklager und des Trägheitskörpers
Kondensatorbeläge angebracht, und es sind Mittel zur Messung der Kapazitätsänderung
zwischen den Belägen vorgesehen, die durch eine Relativbewegung zwischen Trägheitskörper
und Gehäuse hervorgerufen wird.
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Als Kondensatorbeläge sind auf den Lageroberflächen mindestens zwei
konzentrische Ringe aus Metall angebracht, und die Oberfläche des Trägheitskörpers
ist auch metallisch. Es kann auf der Lageroberfläche auch nur ein Ring vorgesehen
sein, er muß jedoch dann in zwei gleiche Segmente unterteilt sein.
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Der Trägheitskörper hat zweckmäßigerweise Kugelform, und die Stützlager
sind wie ein räumliches, rechtwinkliges Koordinatensystem orientiert. An
jedem
der Lagerfüsse sind die obenerwähnten kapazitiven Elemente vorgesehen, so daß Änderungen
in jeder Richtung des Raumes erfaßt werden können.
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Die träge Masse kann auch ein Würfel sein, und die Lager sind dann
jeweils in der Mitte gegenüberliegender Flächen angeordnet. An den Lagern sind in
gleicher Weise Mittel zur Messung des jeweiligen Abstandes zwischen Trägheitskörper
und Gehäuse vorgesehen, wodurch die Beschleunigungskomponenten des Flugkörpers in
den drei Raumkoordinaten gemessen werden können.
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Der Trägheitskörper kann auch zylinderförmig sein, wobei die Lager
an der Zylinderfläche Gasdrucktraglager und die an den ebenen Endflächen angebrachten
Gasdrucklager wie oben beschrieben sind, so daß nur eine in Richtung der Zylinderachse
auftretende Beschleunigung registriert werden kann, was diesen Beschleunigungsmesser
von denen mit kugel- und würfelfönnigem Trägheitskörper unterscheidet, bei denen
die Beschleunigungskomponenten in den drei Koordinatenrichtungen festgestellt werden
können.
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Die Erfindung wird an Hand von Figuren näher erläutert, von denen
Fig. 1 eine Ansicht von einer Seite zeigt; Fig. 2 stellt einen Querschnitt entlang
der LinieA-A der Fig. 1 dar, und Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der LinieB-B
der Fig. 2; Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Lagerfußes, der in Fig. 2
im Querschnitt zu sehen ist; Fig. 5 stellt einen Lagerfuß gemäß Fig. 4 im Aufriß
dar; Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Lagerfußes mit kapazitiven Belägen
auf seiner Oberfläche; Fig. 7 zeigt eine Aufsicht des Lagerfußes gemäß Fig. 6; Fig.
8 ist eine Aufsicht eines Gasdrucklagerfußes ähnlich dem in Fig. 6 gezeigten mit
aus zwei Kreisringsegmenten bestehenden kapazitiven Belägen; in Fig. 9 ist ein Beschleunigungsmesser
mit würfelförmigem Trägheitskörper im Querschnitt gezeichnet, und in Fig. 10 hat
der Trägheitskörper eine Zylinderform; Fig. 11 zeigt schematisch die Anordnung der
kapazitiven Abnehmer und Fig. 12 die Schaltzeichnung dazu; Fig. 13 stellt die Gesamtansicht
des Beschleunigungsmessers von außen dar.
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In den Fig. 1 bis 4 erkennt man das Gehäuse 1, das den hier als Kugel
ausgebildeten Trägheitskörper 2 mit einem geringen Abstand umschließt.
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Sechs Lagerfüße 3 an der Innenwand des Gehäuses 1 stützen die Kugel
ab. Drei davon liegen auf der einen Hälfte 4, die anderen drei auf der anderen Hälfte
5 des Gehäuses 1. In das Gehäusel wird durch im Fuß 7 befindliche Öffnungen 6 Druckgas
eingelassen und gelangt durch Kanäle 8 und 9 in eine innere Kammer 10 der Lagerfüße
3. Das aus den Lagerfüßen 3 austretende, in das Innere des Gehäuses strömende Gas
gelangt an die Oberfläche der Lagerfüße 3 durch einen Kanal 11'. Dieses Gas kehrt
dann durch einen Ausströmkanal 11 zu einer nicht dargestellten Pumpe zurück. Um
den Trägheitskörper 2 während der Ruhezeiten zu unterstützen, sind in der oberen
Hälfte 5 des Gehäuses 1 drei bewegliche Stifte 12 und in der unteren Hälfte 4 drei
Nocken 13 vorgesehen, je ein Stift und je ein Nocken liegen dia-
metral gegenüber.
Durch das einströmende Druckgas werden die Stifte 12 gegen die Kraft einer Feder
14 nach außen gedrückt, so daß die Kugel 2 die Stiftel2 und die Nocken 13 nicht
mehr berührt, sondern frei schwebt. Durch Druckprüfkanäle 15 sind die zwischen Kugel
2 und Lageroberfläche 17 befindlichen Zwischenräume 16 mit Druckmeßwandlernl8 verbunden,
die außen am Gehäuse 1 angebracht sind. In dieser Ausführungsform sind drei Paar
Lagerfüße vorgesehen, die jeweils im rechten Winkel wie drei kartesische Raumkoordinaten
orientiert sind, so daß die Komponenten der Beschleunigungskräfte im Raume bestimmt
werden können. Es können natürlich auch mehr, beispielsweise acht, zwölf oder zwanzig
Lager vorgesehen sein, jedoch wächst dann die Schwierigkeit hinsichtlich der Berechnung
der Beschleunigung mittels eines Computers.
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Mittels eines Drucküberwachungssystems, bestehend aus den Druckprüfkanälen
15 und den Druckmeßwandlern 18, wird laufend der Gasdruck in den Zwischenräumen
16 gemessen. Der Druckmeßwandler ist von bekannter Konstruktion, er formt den in
den Zwischenräumen herrschenden Druck in ein elektrisches Signal um. Die von den
Druckmeßwandlern abgenommenen elektrischen Meßgrößen werden einem Computer bekannter
Bauart eingegeben, der die Rechenoperationen Multiplizieren, Dividieren und Wurzelziehen
ausführen kann. Vorzugsweise werden Differentialdruckmeßwandler benutzt, so daß
man nur einen Meßwandler für eine jede Achse vorzusehen braucht.
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In den Fig. 1 bis 4 sind jedoch für jede Achse zwei Meßwandler vorgesehen.
Es ist aber auch angängig, nur an einem von den beiden Lagerfüßen einer Achse einen
gewöhnlichen Druckmeßwandler vorzusehen, da mit der Erhöhung des Druckes an dem
einen Lagerfuß eine Erniedrigung des Druckes an dem anderen, zugehörigen Lagerfuß
verbunden ist.
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In den Fig. 6 bis 8 sind die kapazitiven Abnehmer zur indirekten
Messung des Druckes gezeichnet. Auf der Oberfläche des Gasdrucklagers sind kapazitive
Beläge, z. B. in Form von zwei konzentrischen Ringen 19 und 20, angebracht. Das
Gehäuse 1 kann aus nichtleitendem Material, z. B. Glas oder Quarz, bestehen, und
die Ringe 19 und 20 sind aus leitendem Material, beispielsweise auf die Oberfläche21,
aufgestrichen. Die Oberfläche kann aber auch mit eingefrästen Nuten versehen sein,
in die Metallringe eingelegt werden, so daß ihre Oberfläche mit der des Gehäuses
bündig ist. Der kugelförmige Trägheitskörper kann ebenfalls aus Glas oder Quarz
bestehen und mit einem dünnen Überzug aus Aluminium versehen sein. Es kann auch
eine metallische Voll- oder Hohlkugel Verwendung finden. Für jede Achse sind je
zwei solcher Ringpaare 19-20 nötig. Für die Ausführung mit drei Achsen werden also
sechs Belägepaare mit den noch zu beschreibenden elektrischen Meßeinrichtungen benötigt,
für jeden Lagerfuß ein Paar.
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In Fig. 11 ist eines von diesen kapazitiven Abnehmersystemen hinsichtlich
ihrer Anordnung und Verdrahtung dargestellt. Fig. 12 zeigt den daraus sich ergebenden,
resultierenden Stromlauf mit den Kapazitäten C3 bzw. C4 bzw. C5 bzw. C6, die von
den entsprechenden Belägen gegen die Kugel gebildet werden. Dabei sind unter Ca
und C6 diejenigen Kapazitäten zu verstehen, die die Ringe 19 bzw. 20 einer bestimmten
Lagerfläche gegen die Kugel 2 bilden,
und C4 und C5 sind die Kapazitäten,
die die Ringe 19 bzw. 20 der jener ersten Lagerfläche diametral gegenüberliegenden
Lagerfläche mit der Kugel 2 bilden. Eine Messung kann mit dieser Anordnung erfolgen,
ohne daß eine galvanische Verbindung mit der Kugel 2 besteht.
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Die resultierende Schaltung (Fig. 12) stellt, durch Festkondensatoren
C und C2 vervollständigt, eine Brückenanordnung für Wechselstrom dar, die aus dem
Gleichgewicht kommt, wenn sich die Kugel 2 nach der einen oder der anderen Seite
bewegt. Dadurch entsteht an einem im Querzweig der Brücke liegenden Widerstand R
eine Spannung, die einen Meßwert für den jeweiligen Abstand der Kugel 2 vom Gehäuse
1 in den verschiedenen Richtungen darstellt, also auch einen Meßwert für die Beschleunigungskomponenten.
Aus den von den für die drei Raumkoordinaten vorgesehenen Brückenanordnungen abgenommenen
Meßspannungen kann dann die Beschleunigung in bekannter Weise mittels eines Computers
berechnet werden. Wenn die Beschleunigung nicht in Richtung einer Achse wirkt, wird
diese automatisch in die einzelnen Komponenten im rechtwinkligen Raumkoordinatensystem
zerlegt.
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In Fig. 9 ist der Trägheitskörper 2' ein Würfel, der sich im Gehäusel'
befindet. Das Gerät arbeitet in ähnlicher Weise wie das bisher beschriebene mit
der Kugel, weil die Lagerfüße mit der zugehörigen elektrischen Meßeinrichtung auch
an zueinander senkrechten Achsen angeordnet sind, die mit den Verbindungslinien
der Mittelpunkte gegenüberliegender Flächen zusammenfallen. Auch mit diesem Gerät
kann die Beschleunigung, die in Richtung irgendeiner der drei Achsen wirkt, gemessen
werden. Wirkt die Beschleunigung nicht genau in Richtung einer der Achsen, dann
wird die Beschleunigung in ihre drei Komponenten aufgelöst.
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In Fig. 9 sind keine beweglichen Stifte zur Stützung des Trägheitskörpers
im Ruhezustand eingezeichnet, es ist jedoch zweckmäßig, diese auch hier vorzusehen.
Ebenso sind die kapazitiven Abnehmer, wie sie im Zusammenhang mit der Ausführungsform
mit dem kugelförmigen Trägheitskörper beschrieben worden sind, und die dazugehörigen
Meßanordnungen auch hier verwendbar.
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In Fig. 10 ist eine Ausführungsform mit einem zylinderförmigen Trägheitskörper
23 gezeigt, bei dem die Beschleunigung nur in Richtung einer Achse, nämlich der
Zylinderachse, bestimmt werden kann.
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Der Trägheitskörper 2" wird im Gehäuse 1" an seiner gekrümmten Zylinderfläche
mittels Gaspolsterwiderlagern22 abgestützt. An den Endflächen24 und 25 des Zylinders
sind Gasdrucklager 3' vorgesehen. In Fig. 1.0 ist, wie bei den anderen Ausführungsformen,
der
Druckprüfkanal 15 zu erkennen, der das Loch 16 an der Oberfläche des Gasdrucklagers
mit den Druckmeßwandlern 18 verbindet.
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Anstatt der Druckmeßwandler können zur Messung auch bei dieser Ausführungsform
die oben beschriebenen kapazitiven Abnehmer mit der zugehörigen Meßanordnung verwendet
werden.