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Winkelgeschwindigkeitsmesser Die Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitsmesser
mit mindestens zwei über Torsionsstäbe miteinander verkoppelten Schwingkörpern.
die Schwingungen mit gleicher Eigenfrequenz aber entgegengesetzter Phase ausführen
und von denen einer mit einer äußeren Anregungsquelle verbunden und ein anderer
mit Abnehmern für die aus der Kopplung mit dem angeregten Schwingkörper und einer
Rotation der Gesamtanordnung resultierende Schwingungen versehen ist.
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Ein Winkelgeschwindigkeitsmesser dieses Typs ist in der britischen
Patentschrift 611011 beschrieben; dabei ist einer der Torsionsstäbe einseitig eingespannt
und trägt an seinem freien Ende einen Querbalken, der seinerseits zur Halterung
zweier Stimmgabelzinken dient. In Verlängerung über den Querbalken hinaus ist an
dem ersten Torsionsstab ein zweiter Torsionsstab angesetzt, der wiederum einen querliegenden
Stab trägt, an dessen Enden schwingende Massen sitzen.
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Eine derartige Bauweise aus vielen einzelnen Teilen ist einerseits
durch die Vielzahl der erforderlichen Montage- und Justierarbeiten teuer in der
Herstellung und andererseits durch die notwendigerweise weite Ausladung des unteren
Querbalkens sehr 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 eine unmittelbare Berührung zwischen den schwingenden Teilen zu vermeiden.
Der Aufbau des bekannten Winkelgeschwindigkeitsmessers ist außerdem weitgehend unsymmetrisch,
es besteht lediglich eine ebene Symmetrie zu der gemeinsamen Achse der beiden Torsionsstäbe.
Dies bringt die Gefahr mit sich, daß auch Rotationsbewegungen des Winkelgeschwindigkeitsmessers
um andere Achsen als die vorbestimmte Drehachse zu der Anzeige beitragen und deren
Ergebnis verfälschen. Schließlich ist es noch äußerst ungünstig, daß bei dem bekannten
Winkelgeschwindigkeitsmesser eine Umsetzung von Biegeschwingungen zu Torsionsschwingungen
stattfindet, wenn die Schwingungen von dem angeregten Schwingkörper auf den gekoppelten
Schwingkörper übertragen werden. Eine derartige Umsetzung der Schwingungsform ist
stets mit der Gefahr verbunden, daß störende Nebenwellenerscheinungen anderer Schwingungsmode
auftreten und sich ebenfalls negativ auf das Meßergebnis und dessen Genauigkeit
auswirken.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Winkelgeschwindigkeitsmesser
anzugeben, bei dem alle zu der Anzeige beitragenden Teile der gleichen Schwingungsform
unterliegen und der als Ganzes einen kompakten und in sich stabilen Aufbau aufweist,
der sich weitgehend aus einem Stück fertigen läßt und damit eine möglichst große
Homogenität im Schwingverhalten gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sowohl der
angeregte Schwingkörper als auch der bzw. die mit ihm verkoppelten Schwingkörper
Torsionsschwinger sind, die Schwingungen um zueinander und zu der Rotationsachse
der Gesamtanordnung senkrechte Achsen der Torsionsstäbe ausführen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitsmessers
gemäß der Erfindung ist in der Weise aufgebaut, daß zwei über einen Torsionsstab
miteinander verkoppelte, zu gegenphasigen Torsionsschwingungen gleicher Eigenfrequenz
um die Achse des Torsionsstabes befähigte Schwingkörper an Knotenpunkten der Torsionsschwingung
des Torsionsstabes mit einem Rahmen verbunden und über diesen und einen zu dem ersten
Torsionsstab senkrecht stehenden zweiten Torsionsstab mit einem dritten Schwingkörper
verkoppelt sind, so daß die aus der äußeren Anregung eines der Schwingkörper und
einer Rotation der Gesamtanordnung um eine zu den Achsen beider Torsionsstäbe senkrecht
stehende Achse
resultierende Schwingung eines der nicht angeregten
Schwingkörper ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit der Rotation liefert.
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Die Konstruktion wird dabei am besten so getroffen, daß der erste
Schwingkörper ein Rahmen ist, der an den Enden des ersten Torsionsstabes befestigt
ist, daß der zweite Schwingkörper innerhalb des Rahmens in der Mitte des ersten
Torsionsstabes angebracht ist und daß der mit dem zweiten Torsionsstab verbundene
Rahmen an dem ersten Torsionsstab an Schwingungsknoten zwischen den Befestigungsstellen
der Schwingkörper angreift.
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Für die Mittel zur Anregung und zur Abnahme der Schwingungen der
beiden Schwingkörpersysteme des erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsmessers,
nämlich für die Anregungsquelle und für die Abnehmer für die resultierende Schwingung
bestehen an sich keine besonderen Vorschriften. Beide Einrichtungen können vielmehr
beliebig aufgebaut sein.
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Nun zeigt es sich jedoch, daß die Torsionskräfte, die bei einer Winkelauslenkung
der auf dem zweiten Torsionsstab sitzenden Schwingkörperanordnung auftreten und
das Ausgangssignal liefern. proportional zu der Größe der Auslenkung sind. Daraus
folgt, daß die Zunahme der Amplitude des Ausgangssignals der Auslenkung um so genauer
entspricht, je kleiner die Dämpfung der Schwingkörper auf dem zweiten Torsionsstab
ist. Es empfiehlt sich daher, die Schwingkörper und die Torsionsstäbe nur schwad
zu dämpfen.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht; die Darstellungen
der Zeichnung sind nur schematisch und nicht maßstäblich. Es zeigen F i g. 1, 2
und 3 ein Beispiel der Ausführung eines Winkelgeschwindigkeitsmessers mit zwei Torsionsstabanordnungen
und auf diesen sitzenden Schwingkörpern in teilweise geschnittener Vorderansicht,
Seitenansicht und Grundriß, Fig. 4, 5 und 6 ein zweites Ausführungsbeispiel, ebenfalls
in teilweise geschnittener Vorderansicht, Seitenansicht und Grundriß.
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Beide Ausbildungsformen des erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsmessers
sind speziell dafür geeignet, daß sie durch entsprechende Bearbeitung aus einem
einzigen Metallstück hergestellt werden können.
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Der in den Fig. 1, 2 und 3 veranschaulichte Winkelgeschwindigkeitsmesser
hat eine erste Torsionsstabanordnung mit einem Rahmen F, der einen Torsionsstab
T1 trägt, auf dem außerhalb des Rahmens F ein diesen Rahmen außen umgebender rahmenartiger
Schwingkörper A und innerhalb des Rahmens F ein balkenartiger Schwingkörper B sitzen.
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Wenn diese Teile nicht einstückig ausgeführt sind, so sind die Körper
A und B sowie der Rahmen F starr mit dem Torsionsstab T 1 verbunden. Die Körper
A und B sind einzeln in bezug auf die Achse Z-Z des Torsionsstabes T 1 ausgewuchtet
und ihre Eigenschwingungsfrequenzen um die Achse Z-75 sind einander gleich. Diejenigen
Stellen des Torsionsstabes T1, an denen dieser mit dem Rahmen F verbunden ist. entsprechen
Schwingungsknoten des Torsionsstabes1. wenn die Körper A und B mit ihrer Eigenfrequenz
Drehschwingungen in Gegenphase ausführen.
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Eine zweite Torsionsstabanordnung umfaßt einen Hauptrahmen, von dem
zwei einander gegenüberliegende Teile mit MF-MF bezeichnet sind. Dieser
Hauptrahmen
trägt einen Torsionsstab T2, in den der Rahmen F des ersten Torsionsstabes eingefügt
ist, und zwar in einem bestimmten Teil der Länge des Torsionsstabes T2, der sich
demnach aus zwei ungleich langen Stücken zusammensetzt. Der Rahmen F und die an
ihm sitzenden Teile A, B und T1 stellen einen (zusammengesetzten) Körper dar, der
von dem Torsionsstab T2 getragen wird. Ein zweiter massiver rechtwinkliger Körper
C sitzt ebenfalls auf dem Torsionsstab T2. Auch bei dieser Anordnung sind der Rahmen
F und der Körper C sowie zumindest die in der Zeichnung dargestellten Teile des
Hauptrahmens MF starr mit dem Torsionsstab T2 verbunden, wenn diese Teile nicht
insgesamt einstückig ausgeführt sein sollten. Die Körper F, A, B, T 1 und C sind
in bezug auf die Achse Y-Y des Torsionsstabes T2 einzeln ausgewuchtet und ihre Eigenschwingungsfrequenzen
um die Achse Y-Y sind einander und auch den Eigenschwingungsfrequenzen der Körper
A und B um die Achse Z-Z des Torsionsstabes T1 gleich.
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Auch hier sind diejenigen Stellen des Torsionsstabes T2, in denen
dieser mit dem HauptrahmenMF in Verbindung steht, Schwingungsknotenpunkte des Torsionsstabes,
wenn die Körper F, A, B, T1 und C gegenphasige Drehschwingungen ausführen.
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Die Achsen Y-Y und Z-Z schneiden einander rechtwinklig, im vorliegenden
Falle im Schwerpunkt des zusammengesetzten Körpers F, A, B, T1. Wenn der eine der
beiden Körper A und B in bezug auf den Rahmen F in Drehschwingungen um die Achse
Z-Z versetzt wird, schwingt der andere Körper B und A infolge der elastischen Kopplung
durch den Torsionsstab mit; da die Eigendrehschwingungsfrequenzen beider Körper
gleich sind, ist die gekoppelte Drehschwingung um 1800 phasenversetzt gegenüber
der Antriebsdrehschwingung, so daß die erstere ausbalanciert wird. In gleicher Weise
führt eine entweder dem Rahmen F (d. h. dem zusammengesetzten Körper F, A, B, T1)
oder dem Körper C erteilte Drehschwingung relativ zu dem Hauptrahmen MF zu einer
gekoppelten Drehschwingung des anderen dieser Körper, die ebenfalls um 1800 gegenüber
der Antriebsschwingung phasenversetzt ist und diese ausbalanciert.
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Jede Winkelverschwenkung oder -auslenkung des Hauptrahmens MF um
eine Ansprechachse X-X, die senkrecht zu der Ebene liegt, die durch die Drehschwingungsachsen
Y-Y und Z-Z gegeben ist, führt bei einer Schwingung der Körper A und B zum Auftreten
von Corioliskräften, die als Folge der Auslenkung Schwingungen der Körper F, A,
B, T 1 und C auf dem Torsionsstab T2 auslösen. In gleicher Weise führt eine solche
Auslenkung oder Winkeldrehung zum Schwingen der Körper A und B auf dem Torsionsstab
T 1 auf Grund der Auslenkbewegung, wenn die Körper F, A, B, T 1 und C schwingen.
Infolgedessen können bei der Benutzung des Winkelgeschwindigkeitsmessers entweder
die Körper F, A, B, T 1 und C in dauerndem Schwingungszustand gehalten werden, und
ein Ansprechsignal wird von einem oder beiden Körpern A und B erhalten, oder umgekehrt.
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In dem Winkelgeschwindigkeitsmesser, wie er in den Fig.4, 5 und 6
veranschaulicht ist, sind wirkungsmäßig gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen wie in den F i g. 1, 2 und 3. Ein in sich starres Tragglied F, das dem
Rahmen F der Vorrichtung nach den F i g. 1, 2 und 3 entspricht, hat die
Form
einer zweizinkigen Gabel, deren Zinken sich nur um eine kurze Strecke über den ersten
Torsionsstab T1 hinaus erstrecken. Die flachen Schwingkörper A und B sind derart
diametral relativ zur ersten Torsionsstabachse Z-Z angeordnet, daß die Achse Y-Y
des zweiten Torsionsstabes T2 zumindest angenähert den Winkel zwischen ihnen halbiert,
so daß diese Körper die Form eines Multiplikationszeichens ergeben, wenn man sie
in Richtung der AchseZ-Z betrachtet (F i g. 4) und nicht die Form eines Pluszeichens,
wie im Fall der Fig. 1. Der Torsionsstab T2 erstreckt sich nur zwischen dem Trag-
oder Stützglied F und dem Körper C und die Anordnung wird wie aus den Fig.4 und
5 ersichtlich - einzig und allein an einem Schwingungknotenpunkt im mittleren Bereich
des Torsionsstabes T2 gehalten.
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Das Ausbalancieren und die Wirkungsweise dieser zweiten Ausführungsform
des Winkelgeschwindigkeitsmessers sind im wesentlichen die gleichen wie bei der
Ausführungsform nach den Fig. 1, 2 und 3; in diesem Falle tritt jedoch, wenn entweder
die KörperA und B oder die KörperF, A, B, Tl und C schwingen, bei irgendeiner Schwenkung
oder Winkelauslenkung um die Achse X-X ein Schwingen der anderen KörperF, A, B,
T1 und C bzw. der KörperA und B auf. Auch bei dieser Vorrichtung können - wie bei
der Vorrichtung nach den Fig. 1, 2 und 3 - entweder die Körper F, A, B, T 1 und
C in dauerndem Schwingungszustand gehalten werden, so daß ein Ansprechsignal von
einem oder den beiden Körpern A und B erhalten wird oder umgekehrt.
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Im allgemeinen erweist es sich als zweckmäßig, eine elektrostatische
Antriebsvorrichtung für das Übertragen eines Antriebsdrehmomentes auf einen oder
beide Körper zu verwenden, die während des Gebrauchs der Vorrichtung in ständiger
Schwingbewegung gehalten werden müssen; für die Abnahme des Ansprechsignals empfiehlt
sich die Verwendung einer elektromagnetischen Aufnahmevorrichtung, die das Schwingen
zumindest eines der anderen beiden Körper erfaßt, wenn diese auf Grund einer Winkeldrehung
der zweiten Torsionsstabanordnung in Schwingungen geraten.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, für den dauernden Schwingungsantrieb
eine regenerative oder positive Rückkopplungsanordnung vorzusehen, bei der eine
vorzugsweise elektrostatische Antriebsvorrichtung mit der Eigendrehschwingungsfrequenz
des anzutreibenden Körpers gespeist wird, unter Unterstützung durch die Ausgangsschwingung
eines Verstärkers, dessen Eingang ein Signal zugeführt wird, welches von einem vorzugsweise
elektromagnetisch wirkenden Aufnahmeorgan von dem angetriebenen Körper abgenommen
wird.
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Schließlich ist es meist günstig, beispielsweise in den dargestellten
Systemen, die Körper auf dem zweiten Torsionsstab durch eine (nicht dargestellte)
elektrostatische Vorrichtung in dauernder Drehschwingung zu halten, deren Erregerteil
an dem Hauptrahmen A1F angebaut ist und deren Antriebsplatte entweder einen Teil
des Körpers C bildet oder mit diesem verbunden ist und das Ansprechsignal entweder
von einem oder den beiden Körpern auf der ersten Torsionsstabanordnung abzunehmen.
Auf diese Weise erhalten die »Ansprech«-Körper A und B Energie nur über den Torsionsstab
T 2 und werden nicht durch irgendwelche störenden Kräfte beeinflußt; das Ansprechsignal
wird mittels einer elektromagne-
tischen Aufnahmevorrichtung abgenommen, die mit
einem oder beiden der beiden Körper zusammenwirkt.
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Dennoch ist es auch möglich, die Körper A und B in dauerndem Schwingungszustand
zu halten und das Ansprechsignal entweder von einem oder von beiden der Körper C
und F, A, B, T1 abzunehmen. Beispeilsweise kann bei den dargestellten Ausführungsformen
der Erregerteil einer Antriebsvorrichtung einen Teil des Schwingkörpers B bilden,
während das Antriebselement ein Teil des Schwingkörpers A ist.
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Eine elektromagnetische Abnahmevorrichtung wirkt dann beispielsweise
mit dem Körper C zusammen.
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Wahlweise kann der Erreger- oder Antriebsteil an den Hauptrahmen MF
angebaut sein und das Antriebselement sich an dem Körper A befinden oder mit diesem
verbunden sein.
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Man ersieht hieraus ohne weiteres, daß zahlreiche Abwandlungen möglich
sind, insbesondere, daß die X-Form-Anordnung der Körper A und B gemäß den Fig.4,
5 und 6 in einem System benutzt werden kann, das im übrigen dem System gemäß den
F i g. 1, 2 und 3 gleicht, und daß auch die kreuzförmige Anordnung dieser Körper
A und B, wie sie in den F i g. 1, 2 und 3 dargestellt ist, in einem System benutzt
werden kann, das im übrigen dem System nach den F i g. 4, 5 und 6 gleicht. Bei einer
möglichen Abwandlung, die entweder die eine oder die andere Anordnung der beiden
Körper A und B aufweist und in der ein Rahmen F benutzt wird, wie er in den Fig.
1, 2 und 3 gezeigt ist (und der sich von der Gabel F gemäß F i g. 4, 5 und 6 unterscheidet),
kann der Körper C durch einen anderen Körper in der Form eines offenen Rahmens ersetzt
werden, der den zusammengesetzten Körper F, A, B, T1 umgibt und mit einem aus zwei
Abschnitten bestehenden Torsionsstab T 2 verbunden ist, der an einem Hauptrahmen
in zwei Schwingungsknotenpunkten seiner Länge gehalten wird, die auf einander gegenüberliegenden
Seiten des zusammengesetzten Körpers liegen, im wesentlichen in gleicher Weise wie
die Körper B an dem Torsionsstab T 1 sitzt, der in zwei Schwingungsknotenpunkten
gehalten wird.
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Die Ursachen für ein ungenaues Arbeiten von Schwingungswinkelgeschwindigkeitsmessern,
auf die sich die Erfindung bezieht, liegen im wesentlichen in 1. den Mitteln zum
Aufrechterhalten der stetigen Schwingbewegung der Körper auf einer der Torsionsstabanordnungen;
2. Asymmetrien um die Achsen der zwei Torsionsstäbe; auf diese beiden Ursachen zurückzuführende
Fehler werden erheblich verringert, wenn die auf dem zweiten Torsionsstab sitzenden
Körper in dauernder Schwingbewegung gehalten werden; 3. eine Ungleichheit der Drehschwingungseigenfrequenz,
d. h. ungenügende Resonanzabstimmung der Schwingkörper auf beiden Torsionsstabanordnungen
und 4. ungenügendes Fluchten der Achsen, beispielsweise der Achsen der vier Abschnitte
(vgl.
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Fig.2 und 5) des Torsionsstabes T 1 oder der Achsen der drei Abschnitte
des Torsionsstabes T2 (Fig. 2).
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Auf die beiden zuletzt genannten Ursachen zurückzuführende Fehler
hängen von der Fabrikationsgenauigkeit, der Stabilität des verwendeten Materials
und
der Starrheit der Konstruktion ab, die beispielsweise dann ideal ist, wenn nur die
Torsionsstäbe während der Benutzung der Systeme irgendwelchen Beanspruchungen oder
elastischen Verformungen unterliegen.
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Die Drehschwingungsamplitude der angetriebenen Schwingungskörper
ist im allgemeinen klein, sie beträgt beispielsweise nur wenige Winkelminuten bei
500 Schwingungen je Sekunde. Wesentliche Unterschiede in den Resonanzfrequenzen
der beiden Systeme, die aus den beiden Torsionsstabanordnungen mit den entsprechenden
Schwingkörpern bestehen, müssen vermieden werden, weil ein ungenügendes Übereinstimmen
der Resonanzfrequenzen es unmöglich macht, die Phasenbeziehung zwischen dem Ansprechsignal
der Antriebsschwingung oder dem Antriebsdrehmoment zu benutzen, um auf verbleibende
Massenunwucht zurückzuführende Fehler zu eliminieren. Die Verwendung ausgewuchteter
Torsionssysteme, wie sie in den Vorrichtungen gemäß der Erfindung benutzt wird,
stellt sicher, daß Anderunge der Schwingfrequenz bei änderungen der Richtung des
Gravitations- oder Beschleunigungsfeldes, denen die Vorrichtung unterworfen wird,
nur sehr klein sind. Die Wirkung von Temperaturänderungen ist nur von geringer Bedeutung,
vorausgesetzt, daß diese Temperaturänderungen gleichmäßig an sämtlichen wesentlichen
Teilen der Vorrichtung auftreten.