DE1229763B - Beschleunigungsmessgeraet - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIp

Deutsche KL: 42 ο -17

Nummer: 1229 763

Aktenzeichen: G41363IXb/42o

Anmeldetag: 20. August 1964

Auslegetag: !.Dezember 1966

Die Erfindung betrifft ein Beschleunigungsmeßgerät mit einer als träge Masse dienenden Flüssigkeit in einer Kammer und mindestens einem Druckwandler zur Gewinnung eines beschleunigungsproportionalen Signals.

. Bei Systemen mit einer Trägheitsnavigation, beispielsweise bei Weltraumraketen, ist eine sehr genaue Kenntnis der Linearbeschleunigung erforderlich, um mit davon abgeleiteten Daten eine Steuerung zum Zielort vornehmen zu können. Da bei derartigen Systemen im allgemeinen keine Fernsteuerung notwendig sein soll, müssen diese sehr genau und zuverlässig arbeiten. Zur Zeit rinden vor allem zwei Arten von Beschleunigungsmeßgeräten Verwendung, das pendelartig integrierende Kreisel-Beschleunigungsmeßgerät und das Schwimmerpendel-Beschleunigungsmeßgerät. Das zuerst genannte Gerät ist sehr genau, besitzt jedoch die mechanische Kompliziertheit einer einachsigen Kardanaufhängung. Deshalb ist es groß, verhältnismäßig empfindlich und weist viele sich bewegende oder drehende Teile auf. Es besteht jedoch ein Bedürfnis für kleinere und zuverlässigere Geräte dieser Art. Dies führte zu der Verwendung des Schwimmerpendels. Obwohl dabei die sich ständig drehenden Teile, das Kreiselrad und die empfindliche Achsenaufhängung mit Motor vermieden wurden, ist das Pendel noch verhältnismäßig kompliziert, da es einen Signalgenerator, einen Drehmomentgenerator, Drehlager, eine magnetische Aufhängung zur Verringerung der Reibung in der Lagerung und in manchen Fällen eine Flüssigkeit zum Dämpfen und zur Flotation sowie eine pendelartige Schwimmereinrichtung benötigt. Bei der Ausbildung des Schwimmers ist es wünschenswert, das Zentrum des Auftriebs mit dem Drehzentrum auszurichten, so daß die effektive Pendelgeschwindigkeit nicht eine Funktion der Temperatur oder des spezifischen Gewichts der Flüssigkeit ist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Beschleunigungsmeßgerät anzugeben, das genauer und betriebssicherer als bekannte derartige Geräte ist, so daß es insbesondere zur Trägheitsnavigation, beispielsweise von ballistischen Raketen, verwendet werden kann.

Ein Beschleunigungsmeßgerät mit einer als träge Masse dienenden Flüssigkeit in einer Kammer und mindestens einem Druckwandler zur Gewinnung eines beschleunigungsproportionalen Signals ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine elektrisch leitende Flüssigkeit in der Kammer, durch Elektroden zum Durchleiten eines Stroms durch die Flüssigkeit entlang einer ersten Achse, durch eine Einrichtung zur Er-Beschleunigungsmeßgerät

Anmelder:

General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Phys. F. Endlich, Patentanwalt,

Unterpfaffenhof en, Blumenstr. 5

Als Erfinder benannt:

Eugene Beach Canfield, Pittsfield, Mass.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 20. August 1963 (303 246)

zeugung eines magnetischen Flusses in der Flüssigkeit entlang einer zweiten Achse, welche im wesentlichen rechtwinklig zu der ersten Achse verläuft, so daß eine Wechselwirkung dieses Flusses und des durch einen Strom zwischen den Elektroden bewirkten Flusses eine Kraft auf die Flüssigkeit entlang einer dritten Achse ausübt, durch mindestens einen entlang der dritten Achse in Druckkontakt mit der Flüssigkeit angeordneten Druckwandler und durch eine auf dessen Signal ansprechende Einrichtung zur Steuerung des den Elektroden zugeführten Stroms, um die Bewegung der Flüssigkeit auf einem Minimum zu halten, wenn diese einer Beschleunigungskraft entlang der dritten Achse ausgesetzt wird.

Ein genauerer und zuverlässigerer Betrieb wird deshalb vor allem dadurch ermöglicht, daß dieses Beschleunigungsmeßgerät keine sich bewegenden Teile aufweist und gleichzeitig im Gegensatz zu einer anderen bekannten Einrichtung in ihm eine Rückkopplung vorgenommen wird, indem die Bewegung der Flüssigkeit gebremst und dadurch das Ausgangssignal des Umwandlers linear gehalten wird. Die sonst bei pendelartigen Beschleunigungsmeßgeräten üblichen Querkopplungsfehler treten nicht mehr auf, außerdem wird durch eine geeignete Temperaturkompensation die Unempfindlichkeit der Messungen

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gegenüber Temperaturschwankungen bedeutend verbessert.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Beschleunigungsmeßgerät so ausgebildet sein, daß das Verhältnis der Federkonstanten des oder der Umwandler zu der äquivalenten Federkonstanten des durch die Elektroden, die Steuereinrichtung und die einen magnetischen Fluß erzeugende Einrichtung gebildeten Kraftgenerators so gewählt ist, daß die Beziehung zwischen der beschleunigenden Kraft und der daraus resultierenden Stärke des den Elektroden zugeführten Stroms innerhalb eines vorherbestimmten Bereichs der Beschleunigungskräfte linear ist. Weiter kann das Beschleunigungsmeßgerät so ausgebildet sein, daß die Kammer ein Rohr mit vergrößerten Abschnitten an seinen gegenüberliegenden Enden ist, und daß in jedem vergrößerten Endabschnitt ein Druckwandler angeordnet ist, von denen jeder ein Fenner-Fenster auf einer Siliziummembran aufweist.

Bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein Toroid zum Nachweis von Winkelbeschleunigung Verwendung finden, oder es kann ein vielachsiges Beschleunigungsmeßgerät so ausgebildet werden, daß es Druckwandler und Elektroden auf mehr als einer Achse aufweist und in mehr als einer Richtung empfindlich ist.

Da die Flüssigkeit ihr Volumen in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, wird eine Kompensation, beispielsweise mit Hilfe eines Balgs, benötigt. Ein Standrohr oder eine andere Kompensationskammer an der Seite des Rohres würde ermöglichen, daß sich die Masse in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Ein Balg öder eine Druckdose können an jedem Ende des Rohres vorgesehen werden, oder vorzugsweise können die Druckwandler selbst als Balg dienen.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können zwei Flüssigkeiten vorgesehen sein, wobei die leitende Flüssigkeit entlang der empfindlichen Achse vorhanden ist und die zweite Flüssigkeit mit einer anderen Dichte die Enden des Elektrolyten zu gegenüberliegenden Stirnflächen eines einzigen Druckwandlers verbindet.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt ·

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Geräts gemäß der Erfindung,

F i g. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 eine schematische Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels,

F i g. 4 und 5 Blockdiagramme, die zur Erläuterung der Übertragungsfunktionen, Ströme, Beschleunigungen und Kräfte dienen, die beispielsweise in einem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 auftreten,

F i g. 6 einen Schnitt durch das Rohr eines Beschleunigungsmeßgeräts und der zugeordneten Magnetstruktur entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel,

F i g. 7 einen Querschnitt entlang der Linie 7-7 in Fig. 6, ■

Fig. 8 eine Endansicht entsprechend Fig. 6,

F i g. 9 eine graphische Darstellung des Verhältnisses von Ausgangsstrom zu Beschleunigung in Abhängigkeit von der Frequenz für vorgegebene Werte von Parametern in dem Blockdiagramm der Fig. 4, \ '

Fig. 10 eine der Fi g. 9 ähnliche Darstellung, bei welcher der elektrische Dämpfungsstrom nicht im Ausgangsstrom enthalten ist,
Fig. 11 eine Darstellung des Verhältnisses der Siliziummembranablenkung zu der Beschleunigung in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig. 12 eine Schnittansicht der Hälfte eines symmetrischen Rohres eines Beschleunigungsmeßgeräts, die zur Erläuterung der Änderung des Flüssigkeitsvolumens mit der Temperatur dient,

Fig. 13 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Beschleunigungsmeßgeräts zum Messen einer Winkelbeschleunigung,

Fig. 14 eine Ausbildung eines Beschleunigungsmeßgeräts mit zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte zur Messung einer Linearbeschleunigung.

In F i g. 1 ist ein nichtleitendes Rohr 20 dargestellt, das zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft Elektroden 22 aufweist, die auf diametral gegenüberliegenden Seiten vorgesehen sind.

Senkrecht dazu und ebenfalls diametral gegenüberliegend sind die Magnetpole 24 angeordnet, von denen einer dargestellt ist. Druckumwandler 26 sind an jedem Ende des Rohres 20 vorgesehen, das mit leitender Flüssigkeit 28 gefüllt ist. Ein Verstärker 30 ist vorgesehen. Die Umwandler 26 sind durch einen Leiter 32 in Reihe geschaltet. Das am Ausgang auftretende Differenzsignal wird dem Verstärker 30 über einen Leiter 34 zugeführt, der über den Leiter 36 geerdet ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 30 wird über einen Leiter 38 einer der Elektroden 22 zugeführt, während die andere Elektrode über einen Leiter 4G geerdet ist. Die andere Seite des Ausgangs des Verstärkers 30 ist ebenfalls über den Leiter 36 geerdet.

Die Flüssigkeit 28 findet als die träge Masse des Beschleunigungsmeßgeräts Verwendung. Der zwischen den Magnetpolen 24 durchtretende Fluß bildet das Magnetfeld für einen elektro-hydrodynamischen Kraftantrieb, so daß bei Durchleitung eines Gleichstroms zwischen den Elektroden 22 eine Kraft auf die Flüssigkeit28 ausgeübt wird, durch welche diese in der einen oder in der anderen Richtung entlang der Linie zwischen den Umwandlern 26 entsprechend der Stromrichtung gepumpt wird. Durch Verbindung der Umwandler 26 in der dargestellten Weise wird ein Fehlersignal erzeugt, das proportional dem Druckunterschied ist. Dieses Signal wird über den Leiter 34 dem Verstärker 30 zugeführt, wo es verstärkt wird und den Elektroden 22 über die Leiter 38 zugeführt wird. Wenn das Rohr 20 nun entlang seiner empfindlichen Achse, also entlang der Linie zwischen den Umwandlern 26 beschleunigt wird, bewirkt ein ungleicher Druck auf die Umwandler 26 ein Fehlersignal, so daß ein Strom zwischen den Elektroden 22 des Kraftmotors fließt. Dieser Strom ist direkt proportional der Linearbeschleunigung, wenn die Umwandler 26 und der Verstärker 30 in ihrem Linearbereich arbeiten und in einer später noch zu erläuternden Weise eingestellt sind, wobei der Strom eine Kraftwirkung erzeugt, welche der Bewegung der Flüssigkeit28 entgegenwirkt und das Ausgangssignal des Umwandlers26linear hält.

In F i g. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Rohres 20 mit rechteckigem Querschnitt dargestellt, welche Figur eine Endansicht des Rohres in F i g. 1 darstellt. Auch hier sind die Elektroden 22 auf gegenüberliegenden Seiten, und die Magnete24'

5 6

ebenfalls auf gegenüberliegenden Seiten rechtwinklig kömmlichen und zur Zeit verwendeten angewandt

zu den Elektroden 22 angeordnet. Das Rohr 20 ist werden kann.

mit der Flüssigkeit 28 gefüllt. Zur Bestimmung der Konstruktionsmerkmale einer

Ein spezielles Ausführungsbeispiel eines Beschleu- beispielsweise in F i g. 3 dargestellten Einrichtung

nigungsmeßgeräts gemäß der Erfindung ist in F i g. 3 5 können die folgenden Gleichungen verwendet werden:

dargestellt, bei dem zum Zweck der Erläuterung Ein Druckumwandler, welcher das erforderliche

der Komponenten gewisse Teile relativ größer dar- Signal in Abhängigkeit von einer Ablenkung erzeugt

gestellt sind. Die Bezugszeichen entsprechen den in und welcher eine Federkonstante Null aufweist,

F i g. 1 verwendeten. Das Rohr 20 kann aus Silizium weist die folgende Beziehung zwischen Stromstärke

bestehen und hat zwei Elektroden 22, die aus Platin io und Beschleunigung unter stationären Bedingungen

bestehen können und auf gegenüberliegenden Seiten auf:

angeordnet sind, sowie ebenfalls auf gegenüber- .

liegenden Seiten rechtwinklig zu den Elektroden L jti (i)

angeordnete Magnetpole 24. Das Rohr 20 ist eben- ^a

falls mit einer Flüssigkeit 28 gefüllt. Diese kann 15 wobei

z.B. Quecksilber (Hg), Gallium (Ga) oder NaK

sein. Eine Einrichtung mit NaK kann eine kürzere ^l ~ Ausgangsstrom,

Lebensdauer besitzen oder schwieriger herzustellen »^ *f ^ *S»^g'· 1 ·

sein, weil NaK eine hohe Aktivität besitzt. Der ^ = Masse der Flüssigkeit,

Unterschied des Widerstands zwischen dem Platin *o ^K™ = Kraftkonstante des Kraftgenerators.

(Pt) der Elektroden 22 und einer Ga-Flüssigkeit 28

soll dazu beitragen, die Stromverteilung in dem Dies ist analog zu der Situation bei pendelartigeii

Rohr 20 gleichmäßiger zu machen. Beschleunigungsmeßgeräten, bei denen es erforderlich

In diesem Ausführungsbeispiel besitzen die End- ist, nur das Massenungleichgewicht und die Verstücke 42 einen größeren Durchmesser als das Rohr 20 25 Stärkung des Drehmomentgenerators konstant zu und enthalten Umwandler 44 mit einem Fenner- halten. Bei den hier beschriebenen Beschleunigungs-Fenster. Das Fenner-Fenster 44 wird auf einer SiIi- meßgeräten muß die träge Masse und die Verstärkung ziummembran 46 gezüchtet, welche das gesamte des Kraftgenerators konstant gehalten werden, um äußere Ende des Endstücks 42 darstellt. Diese Mem- eine genaue Linearität zwischen Ausgangssignal und bran 46 wird mit einem Elektronenstrahl mit dem 30 Beschleunigung zu erzielen. Die Flußdichte des Rest des Endstücks 42 verschweißt, das seinerseits Kraftgenerators kann beispielsweise mit Hilfe von mit einem Elektronenstrahl mit den Enden des Einrichtungen für eine magnetische Kernresonanz Rohres 20 verschweißt sein kann. Neben der Ver- konstant gehalten werden. Ein Permanentmagnet Wendung von Silizium-Silizium-Dichtungen zur Be- kann ebenfalls Verwendung finden, aber selbst dies festigung der Endstücke 42 an dem Rohr 20 können 35 kann eine gewisse Korrektur für einen gewünschten beispielsweise Dichtungen zu Aluminium, Kovar Genauigkeitsbereich innerhalb einer speziellen Zeit- und Molybdän verwendet werden. Eine Temperatur- spanne erforderlich machen.

regelung ist erforderlich, um ein Instrument mit Viele verfügbare Druckabnehmer, wie piezoelektrihoher Genauigkeit zu erhalten. Diese kann durch sehe Umwandler, erzeugen nicht nur ein Signal, das irgendeine bekannte Einrichtung zur Regelung der 40 proportional deren Ablenkung ist, sondern benötigen Außentemperatur erfolgen. Bei einigen Verwendungs- auch eine Kraft zur Erzeugung einer Ablenkung, die zwecken in Verbindung mit Kreiseln, wo bereits eine Federkonstante bewirkt. Wenn sie auch eine Vorkehrungen getroffen sind, um die Temperatur Hysteresis aufweisen, würde dies für das Beschleunides Kreisels auf 0,5⁰C (I⁰F) konstant zu halten, gungsmeßgerät beträchtliche Fehler zur Folge haben kann dieser Mechanismus ebenfalls dazu dienen, 45 können, da wegen der Hysteresis Strom fließen muß, eine Stabilisierung des Beschleunigungsmeßgeräts zu um die Auslenkung des Druckumwandlers in die gewährleisten. Auch in diesem Fall werden die Um- Nullage zurückzuführen. Das Fenner-Fenster 44 der wandler 44 mit Hilfe eines Leiters 32 in Reihe ge- obenerwähnten Art, das direkt auf einem Trägerschaltet, obwohl eine Parallelschaltung ebenfalls plättchen aus Silizium gezüchtet wird, besitzt keine Verwendung finden kann, und über den Leiter 34 50 Hysteresis. Es stellt eine piezoelektrische Widerstandsmit einem Verstärker 30 verbunden, dessen Ausgangs- brücke mit einer gemessenen Genauigkeit dar, die signal über einen Leiter 38 den Elektroden zugeführt besser als 10 ppm (Teile pro Million) ist, woraus das wird, während der Leiter 40 zur Erdung dient. Die Fehlen einer Hysteresis ersichtlich ist. Da der Druckandere Seite des Eingangs und des Ausgangs des umwandler eine mechanische Federkonstante aufVerstärkers 30 ist wiederum über den Leiter 36 ge- 55 weist, lautet die Beziehung zwischen der Stromstärke erdet. und der Beschleunigung:

Der resultierende Strom zwischen den Elektroden 22

und in dem Leiter 38 ist direkt proportional der _ζ· μ

Linearbeschleunigung und kann in verschiedener ^

Weise angezeigt werden. Dies kann einfach dadurch 60 -KtgII -\—=

erfolgen, daß die Spannung über einem Widerstand \

in dem Leiter 38 gemessen wird. Impulse erzeugende Dabei ist

Einrichtungen können ebenfalls verwendet werden, lf_m = mechanische Federkonstante des Druck-

wobei Impulse hoher Frequenz Verwendung finden, umwandlers

deren Polarität richtungsabhängig ist, wobei kleine 65 '

Impulsflächen wegen einer hohen Genauigkeit ver- JST₈ = elektrische Federkonstante = KsoÄ Ktg wendet werden. Die magnetische Kernresonanz ist = das Verstärkungsprodukt von Druckferner eine weitere Methode, die neben den her- umwandler, Verstärker und Kraftgenerator.

Deshalb ist es erforderlich,

K_n

neben

M und Ktg konstant zu halten. Glücklicherweise ist dies möglich und ohne weiteres durchführbar. Die mechanische Federkonstante des Trägerplatte chens46 aus Silizium ist linear und bestimmt. In erster Linie muß der elektronische Verstärker 30 berücksichtigt werden. Wenn das Verhältnis der elektrischen Federkonstante K_e lOOOmal größer als die mechanische Federkonstante K_m gemacht wird, dann verursacht eine Änderung von K_e von 1 % ^nur 10 ppm Änderung von (l + -^A. Es ist zweckmäßig, K_e = 1000 Km zu wählen, und die Verstärkung des Transistor-Stromverstärkers kann gewünschtenfalls nicht nur auf 1%> sondern auf 0,1% genau gehalten werden.

Da Verzögerungsfilter-Zeitkonstanten von 10 bis 20 Sekunden wünschenswert sind und bei dem elektronischen Verstärker 30 ohne wesentliche Beeinflussung des Ansprechens hinsichtlich der Frequenz des Beschleunigungsmeßgeräts vorgesehen werden können» werden Schwierigkeiten hinsichtlich des Verhältnisses von Signal zu Geräuschuntergrund auf einem Minimum gehalten. Es können genauso gute oder gar bessere Bandbreiten erhalten werden, als dies bei anderen Arten von Beschleunigungsmeßgeräten der Fall ist.

Für die Blockdiagramme eines Beschleunigungsmeßgeräts in den F i g. 4 und 5 sind die folgenden Bezeichnungen verwendet:

Aus dem Blockdiagramm von F i g. 4 kann die Beziehung zwischen dem gesamten Ausgangsstrom ζ und der Beschleunigung α in folgender Weise abgeleitet werden:

a ■
M--Fd-

Y-

Ta

K_m =

: Eingangsgröße der Beschleunigung,

: Masse der Flüssigkeit,

■■ Kraft auf Grund der Linearbeschleunigung,

Ablenkung des Fenner-Fensters aus einer Siliziummembran,

■■ Verstärkung des Fenner-Fensters,

elektrische Federkonstantenverstärkerverstärkung,

elektrische Federkonstantenverstärker-Zeitkonstante,

Flüssigkeits-Kraftgenerator-Verstärkung,

mechanische Federkonstante (Siliziummembran,

Dämpfungsverstärkerverstärkung,

Dämpfungs-Differenzierungs-Zeitkonstante, Ksα Λ Ktg — elektrische Federkonstante, elektrische Dämpfung = Ksg A Ktg wenn -=

35

40

45

55

I₁ = Strom vom elektrischen Federkonstantenverstärker,

z"₂ = Dämpfungsstrom,

i = z'i+4 = gesamter Kraftgeneratorstrom, -F₁ = Kraft vom Dämpfen,
F₂, = Kraft der mechanischen Federung,

F₃ = Kraft der elektrischen Federung und des Filters,

F₁ = F_z+F₃.

9 10

Das Blockdiagramm der F i g. 5 kann dazu ver- tionen entsprechende Seitenansicht einer Kammer wendet werden, den Einfluß der Zeitkonstanten T_a eines Teils eines Beschleunigungsmeßgeräts mit einem des elektrischen Federkonstantenverstärkers näher zu Rohr 20 und Endstücken 42, die beispielsweise in erläutern. Wenn die elektrische Federkonstante Fig. 3 dargestellt sind, wobei zwei Teile48 von Ke = KseAK.TG ist, besteht der Einfluß der Zeit- 5 Permanentmagneten und ein Abschnitt 50 aus weichem konstanten T_a darin, die insgesamt wirksame Feder- Eisen vorgesehen sind, um Stirnflächen 24 der Magnetkonstante als eine Funktion der Frequenz zu ändern. pole auf gegenüberliegenden Seiten des Rohres 20 zu

In dem niedrigen Frequenzbereich unter w = \ ^bll*f_{g η} ^ ^ Schnittansicht entlang der

beträgt die gesamte FederkonstanteK_e+K_m. Ober- io Linie7-7 in Fig. 6, woraus der rechteckige Quer-

. ,, 1 , . , j. ^ cc ι j.· r-- j schnitt des Rohres 20 und der kreisförmige Quer-

halb W^₁T beginnt die gesamte effektive Feder- _{schnitt der Endstücke 42} ersichtlich ist. ^

konstante abzufallen, bis sie einen Wert von K_m in Fig. 8 zeigt eine Endansicht entsprechend Fig. 6,

dem Bereich hoher Frequenzen erreicht. Die Mög- woraus der Permanentmagnet 48 und der Abschnitt 50

lichkeit des Zufügens des Verzögerungsfilters zu dem 15 aus weichem Eisen ersichtlich sind,

elektrischen Federkonstantenverstärker trägt viel dazu Die folgenden Parameter sollen zur Erläuterung

bei, ein für die Praxis geeignetes System auszubilden, eines Ausführungsbeispiels eines Beschleunigungs-

in dem das elektrische Signal gefiltert wird, meßgeräts gemäß der Erfindung dienen, wobei zu

ohne daß die Bandbreite nachteilig beeinflußt berücksichtigen ist, daß bei Verwendung von Gallium

wird. Die Bandbreite kann gewünschtenfalls durch 20 Wärme zugeführt werden muß, da dieses sich in der

die mechanische Federkonstante beeinflußt wer- Nähe der Zimmertemperatur verfestigt und ferner

den. die Besonderheit aufweist, daß es sich beim Ver-

F i g. 6 zeigt eine besser den wirklichen Propor- festigen ausdehnt.

Art der Flüssigkeit Gallium

M = Masse der Flüssigkeit 0,51 g

Ktg = Flüssigkeits-Kraftmotor-Verstärkung 500 Dyn/A

K_n = mechanische Federkonstante 1,915 · 10⁵ Dyn/cm

Ke = elektrische Federkonstante 1,915 · 10⁸ Dyn/cm

Ksg = Fenner-Fensterverstärkung 300 V/cm

A = Verstärkung des Verstärkers 1275 A/V

A₁ = Dämpfungsverstärkung 13,6 A/V

Ta = Zeitkonstante des Verstärkers 10 Sekunden

Tb — Dämpfungs-Differenzierungs-Zeitkonstante V4000 Sekunde

Länge zwischen den Elektroden des Flüssigkeitsmotors [L] 0,5 cm

Aktive Länge des Flüssigkeitsmotors [/] 1,725 cm

Dicke der Flüssigkeit zwischen den Magnetpolen [h] 0,1 cm

Gehäusewanddicke unter den Polen 0,025 cm

Gesamte Spaltlänge zwischen den Magnetpolen 0,15 cm

Flußdichte im Luftspalt 10 Kilogauß

Magnetmaterial Alnico V

Flußdichte des Magnets B_m 10,5 Kilogauß

Feldstärke des Magnets H_m 0,52 · 10³ Oersted

Länge des Magnets 3,9 cm

Fläche des Magnets 4,11 cm²

Gewicht des Magnets 130,4 g

Durchmesser der Siliziummembran 1,27 cm

Dicke der Siliziummembran 0,00465 cm

Fläche der Siliziummembran 1,265 cm²

Querschnittsfläche des Flüssigkeitsgenerators 0,05 cm²

Resultierender Druckverstärkungsfaktor 25,3

Federkonstante für sich 48,5 · 10^s Dyn/cm

: Federkonstante bezogen auf Generator 1,915 · 10⁵ Dyn/cm

Ablenkung zum Bruch 0,117 cm

Angenommene Bruchspannung 633 kg/cm²

Anschlag eingestellt auf 0,0075 bis 0,01 cm

Ablenkung pro Gramm (Verstärker abgeschaltet) 2,6 · 10~³ cm/g

Widerstand des Kraftgenerators 155 · 10~^e Ohm

Leistungsaufnahme des Motors bei 20 g 0,062 Watt

Eigendämpfung durch Wirbelströme (nicht berücksichtigt bei der Verstärkung des

Dämpfungsverstärkers) 162 Dyn/cm/sec

Elektrische Dämpfung ' '. 510 Dyn/cm/sec

Charakteristische Zeitkonstante -=- 0,001 Sekunde

Bd

Änderung des Flüssigkeitsvolumens 113 ppm/°C

(1 ppm = 1 Teil pro 10⁶ Teile)

Gradient der Ausgangsgröße 1 A/g

Maximaler Beschleunigungsbereich 20 g

11 12

Die Verwendung der obigen Parameter in dem die relative Anordnung der Fenner-Fenster 44 auf

Blockdiagramm der F i g. 4 ergibt die Beziehung den Siliziummembranen 46 an jedem Ende die Emp-

— in Fi₂ 9 Wenn der elektrische Dämnfungs- ßndlichkeit quer zur Achse, und es ist von Bedeutung,

_a in *ig.y. wenn der elektrische Damptungs- daß die Fenner-Fenster 44 spiegelbildlich angeordnet

strom Z₂- von der Ausgangsgröße abgezogen wird, 5 werden. Wenn eine weitere strukturelle Festigkeit

würde die Beziehung A _{iü F} i g. 10 dann die Band- £^nöt/^gt ™^rd' ^um &*. Membranen 46 zu schützen, ^B α ^& konnten diese mechanisch verbunden werden, beibreite zeigen. Es besteht jedoch kein Grund, das spielsweise mit Hilfe eines dünnen Drahtes zwischen System komplizierter zu machen, indem der.Dämp- den Zentren der Membranen.

fungs- und der elektrische Zeitkonstantenstrom ab- io Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform eines .Begetrennt werden. Die Konstruktionsbandbreite des schleunigungsmeßgeräts gemäß einem weiteren bevor-Beschleunigungsmeßgerätes beträgt lOOrad/sec und zugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit dem

, +j 1 j h -^ ij. j eine Winkelbeschleunigung gemessen werden kann.

kann entweder von ■— oder — ermittelt werden. _π . ,· . ,,.., ⁶ , . . , ,.,, . , „ , „_n

α α Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel bildet das Rohr 20

Bei dem Flüssigkeits-Beschleunigungsmeßgerät ist 15 einen geschlossenen Weg, der in diesem Fall recht-

die Auslenkung der. Siliziummembran analog der eckig ist. Die Elektroden 22 und die Polflächen 24

Rotation eines PIG-Kreisels um seine Ausgangs- sind auch in diesem Fall rechtwinklig zueinander

achse oder der Rotation eines Pendels um seine entlang eines Teils des Weges angeordnet, welcher

c-r- u- τ\· -ο · u ^ · * · τ? · π durch das Rohr 20 definiert ist, um den obenerwähnten

öchwingungsachse. Die Beziehung— jst m Fig. 11 " „ _r; ^ 1 -u _T j· τ-- n · ^ · · ·

... ^& g - 20 Kraftmotor zu bilden. In diesem Fall ist eine einzige

dargestellt. *, Siliziummembran 46 mit einem Umwandler 44 in Für Gallium betragt der Volumen-Temperatur- dem Rohr 20 in der dargestellten Weise angeordnet. Koeffizient 113 ppm/⁰ C. Dieser Koeffizient ist für Das Rohr 20 ist mit einer Flüssigkeit 28 gefüllt, Quecksilber sogar noch höher. Die Temperatur- deren Strömung durch. die Membran 46 unterregelung und . Kompensation wird benötigt, um 25 brochen wird. Weil das Rohr 20 einen geschlossenen Änderungen des Flüssigkeitsvolumens zu berück- Weg bildet, ist die Flüssigkeitsmasse 28 gegen eine sichtigen und die Flüssigkeitsmasse konstant zu Winkelbeschleunigung in der Zeichenebene empfindhalten. Die zweite Bedingung kann unter Bezugnahme lieh. Die resultierende Bewegung wird von dem auf die Fig. 12 näher erläutert werden. Wenn die Umwandler44 nachgewiesen und kann in ein Signal Einrichtung überall denselben Querschnitt aufweisen 30 umgewandelt, verstärkt und zu den Elektroden 22 in würde, könnte sich die effektive Flüssigkeitsmasse der oben beschriebenen Weise gebracht werden, um nicht ändern, selbst wenn eine Volumenänderung eine Bewegung der Flüssigkeit 28 zu verhindern, so erfolgt. Da jedoch die Einrichtung H-förmig aus- daß das verstärkte Signal des Umwandlers 44 der gebildet ist, kann'eine Temperaturänderung eine Winkelbeschleunigung proportional ist.
Änderung der effektiven Flüssigkeitsmasse verur- 35 Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, Sachen. In F i g. 12, welche die Hälfte des Beschleuni- bei dem -zwei Flüssigkeiten verschiedener Dichte gungsmeßgeräts darstellt (da der Grundkörper des _Verwendung finden, ist in Fig. 14 dargestellt. Beschleunigungsmeßgeräts symmetrisch um sein Zen- Auch in diesem Fäll bildet das Rohr 20 einen getrum ist), zeigt die ausgezogene Linie gcdh aip^ schlossenen rechteckigen Weg. Eine erste Flüssigkeit 52 Siliziummembran 46 in ihrer Normallage. Eine Tem- 4° mit der einen Dichte ist in dem unteren Teil des peraturerhöhung verursacht,' daß die Membran 46 Rohres 20 und eine zweite Flüssigkeit 28, die auch in entlang der gestrichelten Linie ge fh gewölbt wird. diesem Fall leitend ist und eine andere Dichte als die Das Volumen der durch den Generator beschleunigten Flüssigkeit 52 besitzt, in dem oberen Teil zwischen Flüssigkeit 28 kann bei Normaltemperatur durch die den Trennstücken 54 vorhanden. Die Elektroden 22 Fläche A = ab cd gekennzeichnet werden. Bei Nor- 45 und die Magnetpole24 s.ind auch in diesem Fall maltemperatur ist das Flüssigkeitsvolumen im Bereich rechtwinklig zueinander um den Teil des Rohres 20 A=V. Bei erhöhter Temperatur erhöht sich das angeordnet, welcher die leitende Flüssigkeit 28 ent-Flüssigkeitsvolumen V um Δ V. Bei der erhöhten hält. Ansätze 56 und 58 finden Verwendung, um die Temperatur, wenn. V.+A V= A+AA, wird dann die Druckverteilung über den Membranen 54 gleichgesamte von dem Generator beschleunigte Masse in 50 mäßiger zu rnachen. Die Länge der Ansätze 56 und 58 gewünschter Weise konstant bleiben. Dies bedeutet hängt von der Dichte der beiden Flüssigkeiten 28 und auch, daß das Flüssigkeitsvolumen in B in Β+ΔΒ 52 ab. Wenn die Flüssigkeit 28 eine größere Dichte enthalten sein muß,, wenn die Temperatur erhöht besitzt, dann ist der Ansatz 56 kürzer als der Ansatz58, wird. In Abhängigkeit von den Konstruktions- und zwar entsprechend dem Verhältnis der Dichten. Parametern ist es /möglich, daß die Flüssigkeitsmasse 55 Ferner ist der Abstand von der Oberseite des Ansatzes sich ' vergrößert, Verkleinert oder konstant bleibt, 58 zu der Achse A-A' gleich dem Abstand der Achse wenn die Temperatur erhöht wird. Es ist ferner A-A' von der Unterseite des vergrößerten Teils 60 ersichtlich, daß bei geeigneter Berücksichtigung der des Rohres 20, welcher die Membran 46 und den verschiedenen Konstruktionsparameter die Flüssig- Umwandler 44 enthält. Das in F i g. 14 dargestellte keitsmasse innerhalb , gewisser Temperaturgrenzen 60 Ausführungsbeispiel ist für die Messung einer Linearkonstant gehalten werden kann. Im allgemei- beschleunigung entlang der Achse A-A' bestimmt, nen ist jedoch eine Temperaturregelung zweck- Wegen des Dichteunterschieds der Flüssigkeiten 28

mäßig i und 52 wird die dichtere Flüssigkeit 28 nach rechts

Eine senkrecht, ,zu der empfindlichen Achse er- bewegt, wenn die Beschleunigung nach links entlang

folgende Beschleunigung übt einen gleichen Druck 65 der Achse A-A' erfolgt, wodurch ein resultierender

auf jede Membran 46'äus. Deshalb ist die Einrichtung Druck auf die rechte Seite der Membran 46 erzeugt

auf Grund ihrer Eigenschaften nicht empfindlich bei wird. Der Umwandler 44 kann auch in diesem Fall

Beschleunigungen quer zur Achse. Jedoch beeinflußt über einen Verstärker mit den Elektroden 22 ver-

bunden sein, um eine Kraft in der oben beschriebenen Weise auszuüben.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ergibt sich durch die Entfernung der Membranen 54 und die Ausfüllung des gesamten oberen Teils des Rohres 20 mit einer leitenden Flüssigkeit 28, die eine niedrigere Dichte als die Flüssigkeit 52 besitzt. Das Beschleunigungsmeßgerät könnte dann um die Achse A-A' gedreht werden, um die beiden Flüssigkeiten getrennt zu halten. Die übrige Arbeitsweise würde ebenfalls der oben beschriebenen entsprechen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Beschleunigungsmeßgerät mit einer als träge Masse dienenden Flüssigkeit in einer Kammer und mindestens einem Druckwandler zur Gewinnung eines beschleunigungsproportionalen Signals, gekennzeichnet durch eine elektrisch leitende Flüssigkeit in der Kammer, durch Elektroden zum Durchleiten eines Stroms durch die Flüssigkeit entlang einer ersten Achse, durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in der Flüssigkeit entlang einer zweiten Achse, welche im wesentlichen rechtwinklig zu der ersten Achse verläuft, so daß eine Wechselwirkung dieses Flusses und des durch einen Strom zwischen den Elektroden bewirkten Flusses eine Kraft auf die Flüssigkeit entlang einer dritten Achse ausübt, durch mindestens einen entlang der dritten Achse in Druckkontakt mit der Flüssigkeit angeordneten Druckwandler und durch eine auf dessen Signal ansprechende Einrichtung zur Steuerung des den Elektroden zugeführten Stroms, um die Bewegung der Flüssigkeit auf einem Minimum zu halten, wenn diese einer Beschleunigungskraft entlang der dritten Achse ausgesetzt wird.

2. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Federkonstanten (K_m) des oder der Umwandler zu der äquivalenten Federkonstanten (K_e) des durch die Elektroden, die Steuereinrichtung und die einen magnetischen Fluß erzeugende Einrichtung gebildeten Kraftgenerators so gewählt ist, daß die Beziehung zwischen der beschleunigenden Kraft und der daraus resultierenden Stärke des den Elektroden zugeführten Stroms innerhalb eines vorherbestimmten Bereichs der Beschleunigungskräfte linear ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer ein Rohr mit veigrößerten Abschnitten an seinen gegenüberliegenden Enden ist und daß in jedem vergrößerten Endabschnitt ein Druckumwandler angeordnet ist, von denen jeder ein Fenner-Fenster auf einer Siliziummembran aufweist.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer ringförmig ausgebildet ist und mindestens einen geradlinig verlaufenden Teil aufweist, entlang dem die dritte Achse verläuft.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckumwandler in der Kammer außerhalb deren geradlinigem Teil angeordnet ist und mit der leitenden Flüssigkeit über Membranen durch eine Flüssigkeit mit einer anderen Dichte als die der leitenden Flüssigkeit in Druckkontakt steht.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der geradlinige Teil vergrößerte Endabschnitte aufweist, daß die Membranen auf der von dem geradlinigen Teil abgewandten Seite der vergrößerten Endabschnitte angeordnet sind und daß der Druckumwandler in einem einen vergrößerten Querschnitt aufweisenden Abschnitt der Kammer angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 650 991.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

609 729/109 11.66 © Bundesdruckerei BerUn