DE1258163B - Vorrichtung zur Messung einer Winkelgeschwindigkeitskomponente in einer bestimmten Achsrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIp

GOIc

Deutsche Kl.: 42 ο-13/03

Nummer: 1258 163

Aktenzeichen: C 38285IX b/42 ο

Anmeldetag: 21. Februar 1966

Auslegetag: 4. Januar 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung einer Winkelgeschwindigkeitskomponente in einer bestimmten Achsrichtung, mit einem Gestell, einer in dem Gestell parallel zu der Achsrichtung ausgespannten leitenden schwingenden Saite, auf die ein senkrecht zu ihr verlaufendes magnetisches Gleichfeld und ein senkrecht zu ihr und zu dem Gleichfeld verlaufendes magnetisches Wechselfeld vorbestimmter Frequenz einwirken, mit einer an die Saite angeschlossenen Erregungseinrichtung, welche die mechanische Dämpfung der Saite kompensiert und dadurch die Saite bei ihrer Resonanzfrequenz in Schwingung hält, und mit einer an die Enden der Saite angeschlossenen Meßeinrichtung zur Messung des Amplitudenmodulationsgrades des in der Saite induzierten Signals.

Die Wirkung der bekannten Vorrichtungen dieser Art beruht darauf, daß bei einer Drehung des Gestells um die parallel zur Saite liegende Achse die Saite auf Grund der Corioliskräfte ihre Schwingungsebene beizubehalten sucht. Sie schwingt dann nicht mehr parallel zu der Richtung des magnetischen Wechselfeldes, so daß sie dessen Kraftlinien schneidet. Im Zusammenwirken mit der Eigenschwingung der Saite wird dann in dieser eine amplitudenmodulierte Wechselspannung erzeugt, deren Modulationsgrad ein Maß für die Verdrehung der Schwingungsebene gegen das mit dem Gestell verbundene Bezugskoordinatensystem ist.

Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art sind die parallel zu der Saite geschalteten elektrischen Stromkreise möglichst hochohmig, damit die Schwingung der Saite möglichst wenig gedämpft wird. In der Saite fließen daher nur sehr kleine Ströme mit den Seitenbandfrequenzen der Amplitudenmodulation. Zur Messung des Modulationsgrades verwendet man die an den Klemmen der Saite erscheinenden Spannungen.

Diese bekannten Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß auf die Saite nur sehr kleine Rückstellkräfte ausgeübt werden, welche die Schwingungsebene der Saite dem Gestell nachzuführen suchen. Daher ist die Schwingungsebene der Saite als Funktion der Winkelgeschwindigkeit nur ungenau bestimmt, und die erhaltene Anzeige wandert im Lauf der Zeit aus.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es bereits bekannt, einen niederohmigen Widerstand mit Hilfe eines Schalters kurzzeitig parallel zu der Saite zu schalten, damit deren Schwingungsebene wieder schnell in eine definierte Lage zurückgestellt wird. Diese Lösung ist aber ungünstig, weil eine besondere Vorrichtung zur Messung einer
Winkelgeschwindigkeitskomponente in einer
bestimmten Achsrichtung

Anmelder:

CSF-Compagnie Generale de Telegraphie

Sans FiI, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. G. Hauser

und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,

8000 München-Pasing, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:
Raymond Mathey,
Bernard Picardat,
Robert Lecocq, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 22. Februar 1965 (6483)

Betätigung des Schalters erforderlich ist und weil während der Rückstellung keine Messung möglich ist.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art, bei welcher die Schwingungsebene der Saite stets in einer in Abhängigkeit von der zu messenden Winkelgeschwindigkeitskomponente genau definierten Lage gehalten wird und damit die Stabilität und Genauigkeit der Vorrichtung wesentlich verbessert wird.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß ein Stromkreis, der bei der Resonanzfrequenz der Saite den Scheinleitwert Null und bei den Modulationsseitenbandfrequenzen einen unendlich großen Scheinleitwert hat, derart parallel zu der Saite geschaltet ist, daß Ströme mit den Modulationsseitenbandfrequenzen durch die Saite fließen können.
Bei der nach der Erfindung ausgeführten Vorrichtung sind die Verhältnisse für den Erregungsstrom mit der Eigenresonanzfrequenz der Saite die gleichen wie bei den bekannten Vorrichtungen, so daß die Eigenschwingung der Saite nicht gedämpft wird. Dagegen ist die Saite für die Ströme mit den Modulationsseitenbandfrequenzen praktisch kurzgeschlossen, so daß sehr kräftige Ströme mit diesen Frequenzen in der Saite fließen können. Diese Ströme erzeugen

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nach der Lenzschen Regel eine Rückstellkraft, welche ner ist parallel zu der Saite 1 ein selektiver Stromdie Corioliskraft aufhebt und die Schwingungsebene kreis geschaltet, welcher in Serie einen Reaktanzder Saite in einer als Funktion der zu messenden zweipol 6 und einen Wechselstrommesser 7 enthält. Winkelgeschwindigkeitskomponente genau definier- Wenn sich das mit dem Gestell 2 verbundene Beten Lage hält. Ferner trägt diese Kraft dazu bei, bei 5 zugskoordinatensystem nicht dreht, wird auf die fehlender Winkelgeschwindigkeit die Schwingungs- Saite 1 durch das Zusammenwirken des Erregungsebene schnell in eine genau definierte Lage parallel Stroms i, mit dem Gleichfeld B₀ eine vertikale Anzu dem Wechselfeld zurückzustellen. Insgesamt er- triebskraft F_M ausgeübt, so daß die Saite in der gibt sich dadurch eine wesentliche Verbesserung der xz-Ebene schwingt. Die aus der Saite 1 und dem Instabilität und der Genauigkeit der Vorrichtung. io duktor 3 bestehende Anordnung verhält sich wie ein

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung be- Motor, der zwischen den Klemmen Z und Z' eine steht darin, daß in den Stromkreis ein Wechselstrom- elektrische Gesamtimpedanz Zc aufweist. In der Ermesser eingefügt ist. regungsschaltung 5 ist eine elektrische Anordnung

Diese Weiferbildung ermöglicht es, die in der Saite vorgesehen, die künstlich eine negative Impedanz fließenden Ströme mit den Modulationsseitenband- 15 —Ze erzeugt, damit die Bedingung für die Selbstfrequenzen direkt zur Messung und Anzeige der erregung von Schwingungen in der schwingenden Winkelgeschwindigkeitskomponente auszunutzen. Saite erfüllt ist. Zu dieser Anordnung kann ein rück-

Es ist jedoch auch möglich, den Modulationsgrad gekoppelter Verstärker gehören. Da die Saite 1 in

der Spannung zu messen, die in der auf diese Weise dieser Ruhelage parallel zu der magnetischen Wech-

stabilisierten Saite induziert wird. Dies geschieht 20 selinduktion B₂ schwingt, werden in ihr keine Wech-

gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- seiströme mit der Frequenz /₂ induziert,

dung dadurch, daß die Meßeinrichtung einen Detek- Wenn nun das Gestell 2 und das damit verbundene

tor zur Messung des Amplitudenmodulationsgrades Bezugskoordinatensystem in eine Drehung versetzt

sowie einen Synchrondemodulator enthält und daß werden, die eine in der z-Achse liegende Komponente

ein Eingang des Synchrondemodulators an den Aus- 25 der Winkelgeschwindigkeit aufweist, ergibt das Vek-

gang des Detektors und sein anderer Eingang an die torprodukt der Relativgeschwindigkeit der Saite und

das magnetische Wechselfeld erzeugende Anordnung der Winkelgeschwindigkeitskomponente eine Coriolis-

angeschlossen sind. beschleunigung, die sich darin ausdrückt, daß zu der

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der KraftF_M eine Kräftig addiert wird.

Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigt 30 Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß die auf die Saite

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten einwirkende resultierende Kraft F_R um den Winkel Θ

Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vor- gegen die x-Achse geneigt ist. Somit sucht sich also

richtung, entweder die Schwingungsebene der Saite unter der

Fig. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung der Wir- Wirkung der Winkelgeschwindigkeit gegen die

kungsweise, 35 x-Achse zu neigen, oder die Saite sucht eine ellipr

F i g. 4 ein Oszillogramm der in der schwingenden tische Kurve zu beschreiben. In beiden Fällen schnei-

Saite induzierten Spannung und det die Saite dann Kraftlinien der Wechselinduktion

Fig. 5 das elektrische Schaltbild einer anderen B₂ (Fig. 3), so daß in der Saite 1 eine Spannung mit

Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich- der Frequenz /₂ induziert wird,

rung. 40 In Fig. 3 ist angenommen, daß die Schwingungs-

Fi g. 1 zeigt eine leitende schwingende Saite 1, die ebene der Saite 1 um den Winkel Θ gegen die^-Achse

zwischen den beiden Endteilen Z und Z' eines Ge- geneigt ist. Die Saite schneidet die Kraftlinien der

stelle 2 parallel zu der z-Achse des Bezugskoordina- magnetischen Induktionen B₂ mit der Frequenz f_v

tensystems ausgespannt ist. Diese mechanische An- und die in der Saite induzierte elektromotorische

Ordnung bildet das wesentliche Bestandteil einer Vor- 45 Kraft entspricht daher dem folgenden Ausdruck:

richtung zur Messung einer in Richtung der z-Achse _ , ₀ , ₀ ,

liegenden Winkelgeschwindigkeitskomponente. Durch. "2 ~ **'^{cos z π 7}^' ^{cos l π 7}^'.

die leitende schwingende Saite fließt ein Strom Z₁ mit worin Ic₂ eine Funktion von sin Θ ist.

der Frequenz f_v der in der Saite eine Schwingung der '■ In gleicher Weise hat die durch die Einwirkung

gleichen Frequenz hervorruft. Als Beispiel ist ge- 50 des Induktors 3 induzierte elektromotorische Kraft

strichelt die Verformung der Saite 1 dargestellt, wenn die Form:

man die Schwingungsform aufrechterhält, die einer _g _ /_c ._co&2nft

vollständigen Wellenlänge entspricht; man könnte * ¹ * '

aber auch eine halbe Wellenlänge oder jede andere worin Ic₁ ein konstanter Faktor ist. Die insgesamt in Verteilung der Bäuche und Knoten wählen. An einem 55 der Saite induzierte elektromotorische Kraft e_t wird der Schwingungsbäuche ist ein Induktor 3 angeord- durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
net, der eine magnetische Gleichinduktion B₀ in der / ^ \ .
Richtung der y-Achse erzeugt. Dieser Induktor ist e_t = Ic₁[I -f ~ •co$2nj<₂t\·ς,
beispielsweise ein Permanentmagnet, der am ersten ' . \ «ά /
Schwingungsbauch angeordnet ist. Ein zweiter, mit 60 Die Spannung e_t ist ein amplitudenmoduliertes einer Wechselspannung E₂ der Frequenz/₂ erregter Signal, dessen Modulationsgrad von dem Neigungs-Induktor 4 erzeugt eine magnetische Wechselinduk- winkel Θ der Schwingungsebene abhängt. Ein solches tionB₂ in der Richtung der *-Achse; er liegt bei- Signal ist in Fig. 4 dargestellt. Als Beispiel können spielsweise am zweiten Schwingungsbauch der Saite 1. eine Schwingungsfrequenz J₁ in der Größenordnung Der durch die Saite fließende Strom Z₁ wird von einer 65 von 2000 Hz und eine Frequenz f₂ von 200 Hz ge-Erregungsschaltung 5 geliefert, weiche die zur Auf- wählt werden. . . .
rechferhaltung der Schwingung bei der Resonanz- Bekanntlich besteht, ein solches amplitudenmodufrequenz der Saite erforderliche Energie liefert. Fer- Iiertes Signal aus drei Komponenten mit der Träger-

frequenz Z₁ und den beiden Seitenbandfrequenzen Z₁+Z₂ und Z₁-Z₂.

Der Reaktanzzweipol 6 des im Nebenschluß zu der Saite 1 geschalteten selektiven Stromkreises ist so ausgeführt, daß er bei den Frequenzen I₁-J₂ und Z₁+Z₂ einen unendlich großen Scheinleitwert und bei der Frequenz Z₂ den Scheinleitwert Null aufweist. Die elektromotorische Kraft e₂ läßt daher in diesem Stromkreis zwei Ströme Z₁₂ und Z₂₁ fließen, die den Seitenbandkomponenten mit den Frequenzen Zi+/2 bzw. Zi~~Z₂ des amplitudenmodulierten Signals entsprechen. Somit läßt der durch das Meßgerät 7 fließende Gesamtstrom dieses entsprechend der Neigung der Schwingungsebene der schwingenden Saite ausschlagen.

Die Corioliskräfte, welche die Schwingungsebene von der xz-Ebene abzulenken suchen, werden durch Rückstellkräfte aufgehoben, die sich aus der unveränderlichen Richtung der Kraft F_M und hauptsächlich aus der elektrodynamischen Reaktion ergeben, welche nach der Lenzschen Regel von den Strömen i₁₂ und Z₂₁ auf die Saite ausgeübt wird. Wenn keine Drehung vorhanden ist, suchen diese Kräfte die Schwingung in einer genau definierten Ebene parallel zu dem Wechselfeld B₂ zu halten.

Zusätzlich ist es möglich, den Modulationsgrad der Gesamtspannung e_t zu messen. In F i g. 5 ist eine entsprechend ausgeführte Anordnung schematisch gezeigt, wobei der den Reaktanzzweipol 6 enthaltende Nebenschlußstromkreis zur Vereinfachung nicht dargestellt ist. Ein Generator 8 speist den Induktor 4 mit der Frequenz Z₂. Die schwingende Saite 1 bildet mit den Impedanzen Z₁, Z₂ und Z₃ eine abgeglichene Brücke, welche von einem selektiven Verstärker 10 über eine nichtlineare Schaltung 9 gespeist wird. Zwisehen der Masseklemme M und der Ausgangsklemme S erscheint die in der schwingenden Saite 1 induzierte Gesamtspannung e_t. Diese Spannung wird in den auf die Erregungsfrequenz Z₁ abgestimmten Verstärker 10 eingegeben. Sie wird ferner einem Verstärker 11 zugeführt, der das in F i g. 4 dargestellte amplitudenmodulierte Signal verstärkt. Nach der Verstärkung wird das Hüllkurvensignal von dem Detektor 12 demoduliert und mit der Spannung E₂ des Generators 8 in einem Synchrondemodulator 13 verglichen, dessen Ausgangssignal den Modulationsgrad des Signals e_t mit dessen Vorzeichen angibt. In F i g. 5 ist zu erkennen, welche Elemente die Erregungsschaltung 5 von F i g. 1 bilden. Sobald die Saite schwingt, erscheint eine Komponente e_t mit der Frequenz Z₁ in der induzierten Spannung e_t. Sie wird von dem Verstärker 10 selektiv verstärkt und dann durch die nichtlineare Schaltung 9 begrenzt, welche die Schwingungsamplitude der Saite stabilisiert. Dann fließt ein Antriebsstrom Z₁ durch die schwingende Saite mit einer solchen Stärke und Phase, daß die Schwingung aufrechterhalten wird. Die andere Komponente der Spannung e_t ist die Spannung e₂, die von dem Induktor 4 induziert wird, der vom Generator 8 mit der Frequenz Z₂ erregt wird. Die Spannung e_t ist eine amplitudenmodulierte Schwingung, deren Träger die Frequenz Z₁ und deren Hüllkurve die Frequenz Z₂ haben. Der Modulationsgrad hängt von dem Sinus des Neigungswinkels Θ der Schwingungsebene ab; er wird nach Größe und Vorzeichen von der Meßschaltung gemessen, die aus dem Verstärker 11, dem Detektor 12 und dem Synchrondemodulator 13 besteht.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung einer Winkelgeschwindigkeitskomponente in einer bestimmten Achsrichtung, mit einem Gestell, einer in dem Gestell parallel zu der Achsrichtung ausgespannten leitenden schwingenden Saite, auf die ein senkrecht zu ihr verlaufendes magnetisches Gleichfeld und ein senkrecht zu ihr und zu dem Gleichfeld verlaufendes magnetisches Wechselfeld vorbestimmter Frequenz einwirken, mit einer an die Saite angeschlossenen Erregungseinrichtung, welche die mechanische Dämpfung der Saite kompensiert und dadurch die Saite bei ihrer Resonanzfrequenz in Schwingung hält, und mit einer an die Enden der Saite angeschlossenen Meßeinrichtung zur Messung des Amplitudenmodulationsgrades des in der Saite induzierten Signals, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromkreis, der bei der Resonanzfrequenz der Saite den Scheinleitwert Null und bei den Modulationsseitenbandfrequenzen einen unendlich großen Scheinleitwert hat, derart parallel zu der Saite geschaltet ist, daß Ströme mit den Modulationsseitenbandfrequenzen durch die Saite fließen können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stromkreis ein Wechselstrommesser eingefügt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Detektor zur Messung des Amplitudenmodulationsgrades sowie einen Synchrondemodulator enthält und daß ein Eingang des Synchrondemodulators an den Ausgang des Detektors und sein anderer Eingang an die das magnetische Wechselfeld erzeugende Anordnung angeschlossen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 955 301,
871, 1380 612.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 717/136 12.67 © Bundesdruckerei Berlin