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Winkelgeschwindigkeitsmesser Die Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitsmesser
mit zwei über einen Torsionsstab verkoppelten Schwingkörpern, von denen der eine
zwei beiderseits des Torsionsstabes parallel dazu verlaufende, durch eine äußere
Energiequelle zu Schwingungen in der gemeinsamen Ebene angeregte Stimmgabelzinken
trägt und beide gegenphasige Schwingungen um die Achse des Torsionsstabes mit jeweils
zu der Eigenfrequenz der Stimmgabelzinken gleicher Eigenfrequenz ausführen, bei
dem ein von der bei einer Rotation der Gesamtanordnung um die Achse des Torsionsstabes
resultierenden Schwingung des zweiten Schwingkörpers abgeleitetes Signal als Maß
für die Geschwindigkeit der Rotation nach außen übertragbar ist.
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Ein Winkelgeschwindigkeitsmesser der obigen Art ist in der britischen
Patentschrift 611011 beschrieben, dabei ist der Torsionsstab einseitig eingespannt
und trägt an seinem freien Ende einen Querbalken, der seinerseits zur Halterung
der Stimmgabelzinken dient. In Verlängerung über den Querbalken hinaus ist an dem
Torsionsstab ein zweiter Stab angesetzt, der wiederum einen querliegenden Stab trägt,
an dessen Enden schwingende Massen sitzen.
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Eine derartige Zusammenstellung von einzelnen Teilen ist einerseits
durch die Vielzahl von Montage-und Justierarbeiten teuer in der Herstellung und
andererseits durch die notwendigerweise weite Ausladung des unteren Querbalkens
sperrig. Die Ausladung des unteren Querbalkens ist dabei durch die Notwendigkeit
bestimmt, daß dieser Querbalken die Stimmgabelzinken einschließlich der daran angebauten
Anregungsmittel über die Lage der Massen an dem oberen Querbalken hinaus von dem
Torsionsstab weghalten muß, um unerwünschte gegenseitige Verkopplungen durch unmittelbare
Berührung zwischen den schwingenden Teilen zu vermeiden. Außerdem ist der Abstand
der beiden Querbalken auf dem Torsionsstab sehr klein; sollen daher im Interesse
ausreichender Endausschläge größere Torsionsauslenkungen erzielt werden, so wird
die Torsionsbeanspruchung in dem kurzen, zwischen den Querbalken liegenden Stabstück
sehr groß, wodurch die Lebensdauer seines Materials sehr leidet. Weiterhin ist der
Aufbau des bekannten Winkelgeschwindigkeitsmessers weitgehend unsymmetrisch, es
besteht nur eine ebene Symmetrie zu der Achse des Torsionsstabes. Dies bringt die
Gefahr mit sich, daß auch Rotationsbewegungen um andere Achsen als die vorbestimmte
Drehachse des Geräts zu der Anzeige beitragen und deren Ergebnis verfälschen.
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Ein nach dem gleichen Prinzip aufgebauter Win-
kelgeschwindigkeitsmesser
ist auch auf den Seiten 24 bis 36 und 106 der Zeitschrift »Aeronautical Engineering
Review« vom Nov. 1953 beschrieben. Bei diesem Winkelgeschwindigkeitsmesser ist jedoch
mit dem Torsionsstab nur ein einziger Schwingkörper verbunden, und zwar sitzt auf
dem oberen Ende des Torsionsstabes eine Stimmgabel mit zwei zur Achse des Torsionsstabes
parallelen Zinken, die Schwingungen in einer die Achse des Torsionsstabes enthaltenden
Ebene ausführen können. Zur Abnahme der bei einer mit dem Schwingen der Stimmgabelzinken
gleichzeitigen Rotation des gesamten Geräts um die Achse des Torsionsstabes auftretenden
Torsionsschwingungen in dem Torsionsstab ist dieser mit einem senkrecht zur Schwingungsebene
der Stimmgabelzinken stehenden Ansatzstück versehen, das bei diesen Schwingungen
zwischen zwei Abnahmespulen hin- und herpendelt. Der Nachteil dieses Gerätes liegt
in den relativ geringen Spannungen, die unmittelbar durch die Schwingungen des Torsionsstabes
erzeugt werden und die Verwendung sehr hochwertiger Verstärker erforderlich machen.
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Außerdem ist auch dieser Winkelgeschwindigkeitsmesser in seinem Aufbau
sehr unsymmetrisch, er besitzt praktisch überhaupt keine Symmetrieachse oder Symmetrieebene,
auch bei ihm besteht also die Gefahr, daß Rotationsbewegungen um andere Achsen als
die Achse des Torsionsstabes zu der Anzeige
beitragen und deren
Ergebnis verfälschen. Schließlich ist auch eine Herstellung des gesamten Geräts
aus einem Stück, die wegen des günstigen Einflusses einer Materialhomogenität auf
die Anzeigegenauigkeit sehr erwünscht wäre, nicht möglich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Winkelgeschwindigkeitsmesser
anzugeben, der sich durch einen kompakten Aufbau und kleine Abmessungen auszeichnet
und dennoch ein Ausgangssignal gut verwertbarer Größe liefert und dessen Anzeigegenauigkeit
durch größtmögliche Symmetrie und Homogenität im Aufbau wesentlich gegenüber den
bisher bekannten Geräten gleicher Art gesteigert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der eine Schwingkörper
ein offener, an den Enden des Torsionsstabes befestigter Rahmen und der andere innerhalb
des Rahmens angeordnet ist und daß der Messer an an dem Torsionsstab oder an zwischen
dem Rahmen und dem inneren Schwingkörper liegenden Schwingungsknoten angreifenden
Stützen befestigt ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsmessers
besteht der Torsionsstab aus zwei auf gegenüberliegenden Seiten von dem inneren
Schwingkörper ausgehenden und mit diesem ein einheitliches Ganzes bildenden Teilen.
Auch ist es weiterhin möglich, die Stimmgabelzinken, die Schwingkörper, den Torsionsstab
und die Stützen aus einem einheitlichen Stück herzustellen. Von Vorteil erweist
es sich schließlich, die Stimmgabelzinken und die Schwingkörper aus einem Material
mit geringer Dämpfung herzustellen.
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Zwei beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung
schematisch dargestellt; es zeigt F i g. 1 eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform,
F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, F i g. 3 einen Schnitt nach
der Linie III-III der Fig. 1, F i g. 4 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform
der Erfindung, F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4, F i g. 6 einen
Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 4.
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Beide in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen eignen sich
besonders für die einstückige Herstellung aus einem Materialteil.
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Gemäß den Fig. 1, 2 und 3 besteht die Torsionsstabanordnung aus zwei
Torsionsstäben 11, 11, einem Stab 12 mit hoher Torsionsfestigkeit und zwei Abstützteilen
13, 13, die im Schwingungsknotenbereich der beiden Torsionsstäbe 11, 11 befestigt
sind. Mit dem Stab 12 ist eine Stimmgabel 14 an ihrer Wurzel verbunden, deren Zinken
15, 15 sich parallel zum Stab 12 im gleichen Abstand und auf gegenüberliegenden
Seiten erstrecken. Ferner ist an den äußeren Enden der Torsionsstäbe 11, 11 ein
fester, rechteckig geformter Rahmen 16 im Bereich der Mitten der kürzeren Seiten
derart befestigt, daß die längeren Seiten symmetrisch zur Achse der Torsionsstäbe
befestigt sind.
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Die Anordnung ist so getroffen, daß die Stimmgabel 14 mit dem torsionssteifen
Teil 12 einerseits und
der feste Rahmen 16 andererseits als Schwingkörper mit gleicher
Eigenfrequenz in bezug auf die Achsen der Torsionsstabanordnung 11, 12 im Gleichgewicht
gehalten werden. Die Eigenfrequenz der Schwingkörper ist andererseits von derselben
Größe wie die Eigenfrequenz der Zinken der Stimmgabel 14. Auf diese Weise bildet
der Stab 12 mit der Stimmgabel 14 und der feste Rahmen 16 jeweils einen Schwingkörper,
der mit dem anderen federnd über die Torsionsstäbe 11, 11 gekoppelt ist, so daß
die Schwingung des einen von der gegenphasigen Schwingung des anderen und die eine
Zinke 15 der Abstimmgabel 14 von der gegenphasigen Schwingung der anderen Zinke
begleitet ist.
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Für den Fall, daß die Zinken der Abstimmgabel bereits schwingen,
ist das gesamte System gegen Auslenkungen um die Achse der Torsionsstabanordnung
empfindlich. So werden durch Auslenkung wechselwirkende oder oszillierende Reaktionskräfte
in dem Aufbau hervorgebracht, die ein Anschwingen der Schwingkörper 16 und 12, 14
auf der Torsionsstabanordnung in Gegenphase bewirken. Ähnliches wird bewerkstelligt,
wenn diese Schwingkörper 16 und 12, 14 bereits schwingen und durch eine Auslenkung
des gesamten Systems eine entsprechende Oszillation der Zinken 15, 15 der Stimmgabel
hervorgerufen wird.
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In der praktischen Anwendung ist es vorzuziehen, die Zinken der Stimmgabel
schwingen zu lassen. Dies kann dadurch erzielt werden, daß z. B. rückkoppelnde Einrichtungen
Verwendung finden, die, wie in Fig. 1 dargestellt, als antreibende Anordnung aus
vorzugsweise kapazitiven Bauteilen mit dem Ausgang eines Verstärkers AMP verbunden
sind, dessen Eingang an Abnehmeranordnungen M aus vorzugsweise induktiven Bauteilen
angeschlossen ist. Außerdem sind phasenempfindliche Abnehmeranordnungen P, P aus
vorzugsweise induktiven Bauteilen zusätzlich an der Stimmgabel 14 und dem Rahmen
16 angebracht, die ein von der Auslenkung um die Torsionsachse phasenabhängiges
Ausgangssignal liefern.
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Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig.4, 5 und 6 ist der Winkelgeschwindigkeitsmesser
aus zwei Torsionsstäben 21, 21 aufgebaut, die von zwei Stützteilen 23, 23, die im
Schwingungsknotenbereich der Stäbe angeordnet sind, getragen werden und an den äußeren
Enden der Torsionsstäbe 21 mit den Mitten der kürzeren Kante eines festen rechteckigen
Rahmens 26 verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch die Stimmgabel
24 mit den Zinken 25, 25 an dem einen Ende des Rahmens 26 befestigt und an den inneren
Enden der Torsionsstäbe 21 ein fester rechteckiger Körper 22 mit einer größeren
Querabmessung als der feste Stab 12 der F i g. 1, 2 und 3 zwischen den Zinken 25
angebracht.
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Bei der Anordnung nach den F i g. 4, 5 und 6 ist die Stimmgabel 24
zusammen mit dem festen Rahmen 26 einerseits und der rechteckige Körper 22 andererseits
in bezug auf die Achse der Torsionsstabanordnung 21, 21 im Gleichgewicht gehalten,
wobei beide Schwingkörper gleiche Eigenfrequenzen besitzen. Die Eigenfrequenz der
Schwingkörper ist dieselbe wie die der Zinken 25, 25 der Stimmgabel.
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Hierdurch wird bewirkt, daß der Rahmen 26 mit der Stimmgabel 24 und
der rechteckige Körper 22 durch die Torsionsstäbe 21 gekoppelte Schwingsysteme bilden,
so daß beim Anschwingen des einen Körpers
der andere in Gegenphase
mitschwingt, ebenso wie die Schwingung der einen Zinke 25 der Stimmgabel von einer
gegenphasigen Schwingung der anderen Zinke 25 der Stimmgabel begleitet ist.
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Wie im Fall der F i g. 1, 2 und 3 bewirkt eine Auslenkung des gesamten
Systems um die Torsionsachse, wenn die Zinken25, 25 der Abstimmgabel bereits schwingen,
ein Anschwingen der beiden Schwingkörper 22 und 24, 26 um die Torsionsachse in Gegenphase;
und für den Fall, daß die beiden Schwingkörper 22 und 24, 26 bereits schwingen,
ein Anschwingen der Zinke 25 der Stimmgabel auf Grund einer Auslenkung des gesamten
Systems um die Torsionsachse.
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Gemäß den Fig. 4, 5 und 6 ist vorgesehen, vorzugsweise die Stimmgabel
24 anzutreiben und ein Ausgangssignal vom Rahmen 26 und/oder Körper 22, z. B. mittels
einer vorzugsweise induktiven Abnehmeranordnung M eines Verstärkers AMP und einer
vorzugsweise kapazitiven Antriebsanordnung E, die mit den Zinken der Abstimmgabel
und dem Rahmen verbunden sind, abzunehmen. Entsprechend F i g. 4 kann ein phasenempfindliches
Ausgangssignal über vorzugsweise induktive Abnahmeeinrichtungen P, P, die mit dem
Schwingkörper 22 oder dem Rahmen 26 verbunden sind, abgegriffen werden.
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Obwohl in den beiden dargestellten Winkelgeschwindigkeitsmessern
die beiden Schwingkörper 16 und 14, 12 oder 22 und 26, 24 auf der Torsionsstabanordnung
in derselben durch den Torsionsstab gehenden Ebene angeordnet sind, ist dies nicht
notwendig, und es können daher, wenn es vorteilhaft oder erwünscht ist, die beiden
Schwingkörper in jeder beliebigen Winkelposition in bezug auf die gemeinsame Torsionsachse
bis zu einem Winkel von 990 gegeneinander angeordnet werden.
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In dem erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsmesser sind die Torsionsschwingkräfte,
welche durch die Auslenkung der Zinken der Stimmgabel (oder der schwingenden Körper
auf der Torsionsstabanordnung) um die Achse der Torsionsstabanordnung hervorgerufen
sind und ein entsprechendes Anschwingen der auf der Torsionsstabanordnung befestigten
Schwingkörper (oder der Zinken der Stimmgabel) bewirken, direkt proportional der
Größe der Auslenkung. Daher wird, je geringer die Dämpfung der Schwingkörper auf
der Torsionsstabanordnung oder, wenn für die Gewinnung des Ausgangssignals die Zinken
der Stimmgabel verwendet werden, die Dämpfung der Zinken der Stimmgabel ist, das
Verhältnis der Änderung der Amplitude des Ausgangs- oder entsprechenden Schwingsignals
um so mehr dem Verhältnis der Auslenkung entsprechen und, je stärker die Dämpfung
ist, die Amplitude des erhaltenen Schwingsignals um so mehr dem Verhältnis der Auslenkung
entsprechen.
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Im allgemeinen wird gewünscht, daß beide, sowohl die Zinken der Abstimmgabel
als auch die um die Torsionsstabanordnung schwingenden Schwingkörper, sehr leicht
gedämpft sind.
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Aus dem Vorhergehenden ist zu entnehmen, daß der Winkelgeschwindigkeitsmesser
gemäß der Erfindung ein Schwingsignal liefert, das von der Auslenkung des gesamten
Aufbaues um die Torsionsachse abhängt und dessen Phase vorzeichenrichtig von der
Phase der Ablenkung abhängt und das entweder ein Maß für die Anderung der Amplitude
bei leichter Dämpfung oder ein Maß für die Amplitude selbst bei starker Dämpfung
in Abhängigkeit von der Änderung der Auslenkung darstellt.