DE1269398B

DE1269398B - Vorrichtung zur Messung von Drehgeschwindigkeiten und Drehrichtungen

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Publication number: DE1269398B
Application number: DE19641269398
Authority: DE
Inventors: Dr Phil August Karolus
Original assignee: PHIL AUGUST KAROLUS DR
Current assignee: PHIL AUGUST KAROLUS DR
Priority date: 1960-12-07
Filing date: 1964-04-23
Publication date: 1968-05-30

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Tnt. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

GOIp

GOIc

Deutsche Kl.: 42 ο-13/03

P 12 69 398.0-52
23. April 1964
30. Mai 1968

Es ist eine auf Drehbewegungen ansprechende Anordnung bekannt, welche einen Oszillator, z. B. eine Stimmgabel, enthält zusammen mit Mitteln, um die Schwingungen dieses Oszillators aufrechtzuerhalten. Sie enthält ferner Hilfsmittel zur Feststellung und Messung von Torsionsschwingungen, die bei Drehung des Gerätes im Stiel der Gabel auftreten.

In einer älteren Ausführung eines solchen Meßgerätes ist der Stiel in einer schweren Grundplatte oder in einem schweren Rahmen oder Gehäuse be- ίο festigt.

Dabei hat der Rahmen oder das Gehäuse ein wesentlich größeres Trägheitsmoment als die innere Torsion. Aber auch falls das Verhältnis der Trägheitsmomente 100:1 ist, sind die Rahmenschwingungen noch so groß, daß es unmöglich ist, den Rahmen oder das Gehäuse starr mit dem Körper (Schiff, Flugzeug, Plattform usw.) zu verbinden, dessen Drehbewegungen gemessen werden sollen. Der Rahmen führt bei drehelastischer Aufhängung die zur inneren Torsion gegenphasigen Schwingungen aus. Oszillator und Rahmen bilden ein in bezug auf die Trägheitsmomente unsymmetrisches Gegentaktsystem.

Ein grundsätzlicher Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß äußere Erschütterungen oder Schwingungen das Torsionssystem bei nicht vollständiger Symmetrie zu Drehschwingungen anregen und so ein Signal erzeugen.

Die Nachteile eines Meßgerätes der eben beschriebenen Art werden zum Teil vermieden, wenn der Torsionsschwinger als symmetrischer Gegentakt ausgebildet ist. Solche Anordnungen werden als bekannt vorausgesetzt.

Es ist aus der französischen Patentschrift 1328 297 eine Anordnung bekannt, bei welcher die beiden Massen der Gegentakttorsion verschieden sind. Das Trägheitsmoment des Rahmens 16 in Fig. 1 dieser Patentschrift ist wesentlich größer als das Trägheitsmoment der inneren Torsion 12, 14, 15. Damit sind aber auch die Amplituden der beiden Massen verschieden, und die Anordnung ist für viele Zwecke nicht brauchbar.—Die Befestigungen des Gegentaktschwingers in den Brücken 13 in Fig. 1 und 2 bzw. in den Teilen 23 in Fig. 3 und 4 liegen ferner nicht in Knotenebenen. Abgesehen davon sind diese Teile nicht drehelastisch und unterbrechen deshalb die unbedingt notwendige Kopplung zwischen den beiden Hälften einer Gegentaktanordnung.

Bei einer weiteren bekannten Anordnung nach der französischen Patentschrift 1338 046 liegt der in Fig. 1 dieser Patentschrift gezeigte Oszillator B symmetrisch in der Torsionsachse Γ 2. Seine Achse fällt Vorrichtung zur Messung von
Drehgeschwindigkeiten und Drehrichtungen

Anmelder:

Dr. phil. August Karolus, Zürich-Zollikon

(Schweiz)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld und Dr. D. v. Bezold,

Patentanwälte, 8000 München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Dr. phil. August Karolus, Zürich-Zollikon

(Schweiz)

im Ruhezustand und beim Nulldurchgang mit der Achse der Torsion zusammen. Bei periodischen Schwingungen des Teils B ändert sich sein Trägheitsmoment bezogen auf die Meßachse zweimal pro Periode, also mit der doppelten Frequenz der Oszillatorschwingung. Dieser Oszillator soll aber gemäß der Beschreibung dieselbe Frequenz wie der Torsionsschwinger, also wie die zweite Masse C der Gegentakttorsion haben.

Der Teil A ändert sein Trägheitsmoment, bezogen auf die Torsionsachse Tl, überhaupt nicht. Das Nutzsignal dieses Meßgerätes bei Drehung um die Meßbzw. Y-Achse ist gleich Null.

Es ist aus der französischen Patentschrift 1338 046 nicht zu ersehen, ob beide gegenphasig schwingenden Massen, nämlich der zusammengesetzte Oszillator A, B, F und die zweite Torsionsmasse C dasselbe Trägheitsmoment in bezug auf die Meßachse haben. Ist dieses Merkmal nicht vorhanden, dann sind die beiden auf den Hauptrahmen übertragenen Drehmomente nicht gleich, und dieser Rahmen kann nicht mit dem Schiff, Flugzeug usw. verbunden sein.

Bei einer zweiten Ausführungsform nach dieser Patentschrift unterbricht die in Fig. 4 und 5 gezeigte Befestigung des Stimmgabelmeßgerätes mit dem »Hauptrahmen« MF die Kopplung zwischen den beiden Torsionsmassen. Eine Torsionsschwingung des

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einen Teils, etwa des oberen aktiven Teils in Fig. 4, sen Schwingungen mit gleicher Amplitude, aber mit wird nicht auf die untere Torsionsmasse C übertra- entgegengesetzter Phase. Die Frequenz der Stimmgen. Der Ausgleich der Amplituden der beiden Mas- gabel und diejenige der gesamten Torsionsschwingung sen ist bei der in Fig. 5 gezeigten Aufhängung der müssen je nach der verlangten Ansprechzeit des GeTorsion unmöglich. 5 rätes innerhalb 1:10⁴ bis 1:10⁵ aufeinander abge-Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mes- stimmt sein, und diese Abstimmung darf sich durch sung von Drehgeschwindigkeiten und Drehrichtun- den Einfluß der Temperatur oder des Luftdruckes gen unter Verwendung eines Oszillators, wie z.B. oder der Lage des Gerätes nur um Beträge ändern, einer Stimmgabel, deren Zinken, durch elektro- die mit der verlangten Meßgenauigkeit verträglich magnetische oder elektrostatische Kräfte in ihrer io sind.

Eigenfrequenz angetrieben, ihr Trägheitsmoment be- Die Grundfrequenz der Stimmgabel liegt zweckzogen auf die Meßachse periodisch ändern und unter mäßigerweise zwischen 500 bis 1500 Hz. Die Schwin-Verwendung eines Torsionssystems, das zwei Massen gungen der Stimmgabel können in an sich bekannter hat, die im Gegentakt Schwingungen um eine Tor- Weise durch elektrostatische oder magnetische Kräfte sionsachse ausführen, sobald bei einer Drehung des 15 aufrechterhalten werden. Die Wechselspannungen Gerätes die Massen durch Corioliskräfte angeregt bzw. die Wechselströme werden erzeugt durch Verwerden. Stärkung der Spannung eines Schwingungsaufneh-Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die mers, der den Zinken der Stimmgabel gegenübersteht. Trägheitsmomente der beiden Torsionsmassen gleich Solche Antriebsverstärker, welche Elektronenröhren groß sind, aber nur eine der beiden Massen einen 20 oder Transistoren enthalten, werden als bekannt vorOszillator trägt, daß die Eigenschwingung der Gegen- ausgesetzt.

takttorsion mit der Frequenz der Modulation des Die Dämpfung der Stimmgabel soll so klein als

Trägheitsmoments übereinstimmt und daß die beiden möglich sein, um mit einer gegebenen Antriebskraft

gegenphasig mit gleicher Amplitude schwingenden ein Maximum an Amplitude zu erhalten. Außerdem Torsionsmassen auf einer gemeinsamen Achse an- 25 ist die Konstanz der Stimmgabelfrequenz propor-

geordnet sind und daß die von den beiden Torsions- tional der Güte Q der Stimmgabel, also dem rezipro-

massen auf den Rahmen übertragenen Drehmomente ken Wert der Dämpfung. Um die durch Luftreibung

gleich groß und gegenphasig sind, so daß sich zwei entstehenden Verluste klein zu halten, kann die

Knotenebenen an den beiden Verbindungsstellen der Stimmgabel in Wasserstoff schwingen oder in Luft Achse mit dem Rahmen ausbilden. 30 von reduziertem Druck.

Ein drehempfindliches Gerät mit diesen Kenn- Es kann notwendig werden, die mechanischen zeichen enthält zwei auf einer gemeinsamen Torsions- Schwingungen des Torsionssystems zu dämpfen. Soachse angeordnete Massen mit gleichem Trägheits- weit zum Nachweis dieser Schwingungen elektromoment. Das Trägheitsmoment der einen der beiden magnetische Schwingungsaufnehmer verwendet wer-Massen wird periodisch um kleine Beträge geändert, 35 den, kann die Dämpfung dadurch erzeugt werden, dadurch, daß diese Masse einen Oszillator, z. B. eine daß die Spulen der Schwingungsaufnehmer durch Stimmgabel, enthält, deren Zinken symmetrisch zur passende Widerstände belastet werden. Auf diese Torsionsachse liegen und die durch elektrostatische Weise wird die Energie der Torsionsschwingung elek- oder magnetische Kräfte in bekannter Weise in ihrer irisch in regelbarer Weise vernichtet. Eigenschwingung angeregt wird. Die zweite Torsions- 40 Die elektrische Dämpfung der Torsionsschwingung masse, eine runde Scheibe oder ein Balken, hat das- erreicht ein Maximum, falls die Selbstinduktion der selbe Trägheitsmoment wie die erste, die den Oszilla- Schwingungsaufnehmer durch eine parallelgeschaltor enthält. tete Kapazität zu einem Schwingungskreis ergänzt Die mit jeder Schwingung einer Masse tordierten wird, der dieselbe Frequenz hat wie der Oszillator Abschnitte der Torsionsachse können symmetrisch 45 und der Gegentaktresonator des Gerätes. zu der betreffenden Masse gleiche Steifigkeit und Um die Eigenfrequenzen aller Teile eines Meßgleiche Länge haben. Die Steifigkeit der äußeren gerätes der eingangs beschriebenen Art konstant zu Stiele kann aber auch kleiner sein als diejenige des halten, muß das Gerät in einen druckdichten Behälzwischen den beiden Massen liegenden Teiles der ter eingebaut werden, dessen Temperatur je nach der Torsionsachse. 50 verlangten Meßgenauigkeit und dem Temperatur-Falls ein Gerät alle oben aufgeführten Merkmale koeffizienten des verwendeten Materials geregelt aufweist, sind die von den beiden Torsionsmassen wird.

ausgeübten Drehmomente gleich groß, aber gegen- Es ist wesentlich, daß die bewegten Massen der phasig, und der Rahmen bleibt in Ruhe. Der Rahmen schwingenden Stimmgabel streng symmetrisch zur kann mit dem Meßobjekt (Schiff, Flugzeug, Platt- 55 Schwingungsebene liegen und daß die Schwingungsform usw.) starr verbunden werden. Äußere Erschüt- ebene durch die Achse des Torsionsstabes geht, terungen oder Schwingungen beeinflussen die Gegen- Außerdem darf der Antrieb der Stimmgabel weder taktschwingung der Torsion nicht. direkt noch indirekt über restliche Massenfehler eine

Vorzugsweise sind gemäß der Erfindung die bei- Torsionsschwingung erzeugen.

den Torsionsmassen mit der Stimmgabel, ferner alle 60 Ein Beispiel eines Gerätes zur Messung von Dreh-Torsionsstäbe und der das Ganze tragende Rahmen bewegungen mit Gegentakttorsion gemäß der voraus einem Block aus Metall gearbeitet. liegenden Erfindung soll nun an Hand der Zeichnun-

Das Metall ist vorzugsweise Stahl oder eine Stahl- gen besprochen werden.

legierung mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten F i g. 1 zeigt die Vorderansicht des aus einem

der Elastizität. Das Gerät kann aber auch aus Glas 65 Stück hergestellten Gerätes, das aus einem Rahmen,

oder Quarz hergestellt werden. einer Stimmgabel, einem Torsionsstab und einer Aus-

Die Trägheitsmomente der beiden Massen müssen gleichstorsionsmasse besteht;

sehr genau gleich sein, nur dann machen beide Mas- Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Gerätes;

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F i g. 3 zeigt die Elektrodenanordnung für elektro- wegungen der beiden Massen, also für das Nutzstatischen Antrieb einer Gabel; signal, addieren, dagegen für alle gleichphasigen Fig. 4 zeigt schematisch den elektrischen Teil zum Schwingungen der Massen aufheben. Da äußere statischen Antrieb einer Stimmgabel. Stöße oder Schwingungen nur gleichphasige Bewe-Der Rahmen 1 in Fig. 1 besteht aus den beiden 5 gungen der beiden Massen erzeugen können, werden senkrecht zur Systemachse 8 liegenden Platten 2 solche nicht angezeigt.

und 3 und den Seitenteilen 4. Die Torsionsstiele 5 α, Die in den Spulen der Torsionsaufnehmer erzeugte

Sb und 5 c und die Stimmgabel 10 mit den Zinken- Spannung ist ein Maß für die Drehgeschwindigkeit

massen 10 α liegen zwischen den Teilen 4 des Rah- und die Drehrichtung des Gerätes. Als Bezugsspan-

mens. Der Torsionsstiel 5 ist unterteilt in die Ab- io nung für die Phasenmessung dient die von den

schnitte5a, Sb und 5c; alle haben die gemeinsame Schwingungsaufnehmern 17 abgegebene Spannung,

Systemachse 8. Die Torsionsstiele können die gleiche welche der Geschwindigkeit der Gabelschwingung

Steifigkeit haben, vorzugsweise bildet man aber die proportional ist. Bei Umkehr der Drehrichtung dreht

äußeren Torsionsstiele 5 α und Sb so aus, daß ihre sich die Phase der Signalspannung um 180° gegen

Steifigkeit kleiner ist als die des mittleren Stieles 5 c. 15 die Bezugsspannung.

Der senkrecht zur Systemachse angeordnete Teil 9 Alternativ zur Messung können die Wechselspan-

trägt die Gabel 10. Die Ausgleichsmasse 7 hat das- nungen der Torsionsaufnehmer zur Steuerung eines

selbe Trägheitsmoment wie die Masse 9 zusammen Servosystems dienen, welches das Gerät so nach

mit der Gabel 10. Mit 11 sind Abgleichschrauben für Größe und Richtung dreht, daß das Torsionssignal

die Ausgleichsmasse 7 bezeichnet. 20 praktisch auf Null gehalten wird. Dazu wird das Ge-

Die Zinken 10 der Stimmgabel 6 liegen symme- rät auf einem Drehtisch od. dgl. befestigt. Die Orien-

trisch zu den beiden Seiten des Torsionsstabes 5. Der tierung des Drehtisches im Raum bleibt dann im

Fuß der Stimmgabel trägt Ansätze 12 zur Aufnahme wesentlichen unverändert, auch wenn sich das Meß-

von Abgleichschrauben zur Messung der Torsions- objekt (Schiff, Flugzeug usw.) dreht,

schwingungen und zwei Ansätze 13 zur Befestigung 25 Die bisherige Beschreibung der Erfindung hat sich

von Ankern u. dgl. Um die Biegeschwingung der Ga- auf eine Anordnung bezogen, bei der nur eine der

bei in ihrer Grundfrequenz elektrostatisch anzuregen, beiden Gegentaktmassen (Teil 9 in F i g. 1) ein Organ

sind Elektroden 14, 15 und 16 vorgesehen, wie dies enthält, dessen Trägheitsmoment periodisch geändert

schematisch aus F i g. 3 zu ersehen ist. wird, und bei der die zweite Torsionsmasse 7 durch

Eine Wechselspannung gleicher Frequenz wie die 30 die Drehschwingung von 9 in Resonanz angeregt

Grundschwingung der Stimmgabel, deren Erzeugung wird. Es wurde vorgeschlagen, daß auch der bisher

später besprochen wird, liegt an den beiden elek- passive Teil 7 ein gleiches Organ mit periodisch ver-

trisch verbundenen Elektroden 14 und 15 eine zweite änderlichem Trägheitsmoment erhält. Das Nutzsignal

gegenphasige Wechselspannung an der inneren Elek- des Meßgerätes würde durch einen zweiten Oszillator

trode 16. Alle Elektroden erhalten zur Polarisierung 35 verdoppelt.

eine Gleichspannung, die größer ist als der doppelte Dieser zweite Oszillator müßte aber streng gegen-

Scheitelwert der Wechselspannung. Alternativ wer- phasig und mit völlig gleicher Amplitude wie der

den nur die äußeren Elektroden 14 und 15 ver- erste schwingen. Auch wenn die beiden durch elek-

wendet. trische Kräfte angetriebenen Oszillatoren im Augen-

Wie in F i g. 3 gezeigt wird, sind zwei Magnet- 4° blick des Abgleiches gleiche Amplituden und ent-

systeme 17 symmetrisch gegenüber den Zinken 10 gegengesetzte Phasen haben, ist es unvermeidbar,

befestigt. Die bei Schwingung der Stimmgabel in die- daß sie sich im Betrieb durch Änderung der Lage

sen Magnetsystemen erzeugten Spannungen liegen oder der Temperatur, durch Beschleunigung usw. in

gemäß Fig. 4 elektrisch in Serie und am Eingang ihren Eigenschwingungen verschieden ändern. Auf

eines an sich bekannten Verstärkers 18. Die Aus- 45 solche, auch sehr kleine Änderungen der beiden

gangswechselspannung des Verstärkers wird an die Eigenfrequenzen reagieren die beiden Massen auch

Elektroden 14 und 15 bzw. um 180° gedreht an die bei gleichen Antriebskräften mit Unterschieden in der

Elektrode 16 geführt. Die Amplitude der Stimmgabel Phase und ihrer Amplitude.

wird durch bekannte Hilfsmittel begrenzt und kon- Die beiden Oszillatoren sitzen auf getrennten Mas-

stant gehalten. 50 sen, die nur durch einen Torsionsstab verbunden

An Stelle des in Fig. 3 gezeichneten elektrostati- sind. Die beiden Oszillatoren sind deshalb weder

sehen Antriebes kann die Stimmgabel auch durch durch elastische noch durch Trägheitskräfte mitein-

magnetische Kräfte in bekannter Weise angeregt wer- ander gekoppelt. Ihre Schwingungsebene liegt in der

den. Ebenso können die Schwingungsaufnehmer 17 Zeichnungsebene der F i g. 1, und über den Torsions-

durch andere Vorrichtungen gleicher Wirkung ersetzt 55 stab 5c (Fig. 1) kann kein Ausgleich der Amplitu-

werden. den stattfinden.

Um die Torsionsschwingungen der Massen 7 und 9 Mit Rücksicht auf diese Schwierigkeit wird gemäß

festzustellen, sind wenigstens zwei Schwingungsauf- der Erfindung ein Gegentakttorsionssystem verwen-

nehmer vorgesehen (nicht gezeichnet). Die Einzel- det, in dem nur eine der beiden Massen einen Oszil-

teile der Schwingungsaufnehmer sind so angeordnet, ⁶° lator enthält und die zweite Masse mit gleicher Am-

daß sie nur auf die gegenseitige Bewegung der beiden plitude, aber entgegengesetzter Phase von der aktiven

Torsionsmassen ansprechen. Das gleiche Ergebnis Masse zu Torsionsschwingungen angeregt wird. Dies

läßt sich dadurch erreichen, daß wenigstens vier geschieht, weil die beiden Massen elastisch gekoppelt

Schwingungsaufnehmer vorgesehen sind, welche auf sind und diese Kopplung durch die Aufhängung des

die Schwingungen zwischen den beiden Torsions- ⁶5 Torsionsschwingers nicht beeinflußt wird. Damit die

massen und dem Rahmen ansprechen. Alle vier beiden Massen gegenphasig und mit gleichen Ampli-

Schwingungsaufnehmer sind so geschaltet, daß sich tuden schwingen, müssen ihre Trägheitsmomente und

die erzeugten Spannungen für die gegenphasigen Be- ihre Dämpfungen gleich sein.

Claims

Patentansprüche:

!.Vorrichtung zur Messung von Drehgeschwindigkeiten und Drehrichtungen unter Verwendung eines Oszillators, wie z.B. einer Stimmgabel, deren Zinken, durch elektromagnetische oder elektrostatische Kräfte in ihrer Eigenfrequenz angetrieben, ihr Trägheitsmoment bezogen auf die Meßachse periodisch ändern, und unter Verwendung eines Torsionssystems, das zwei Massen hat, die im Gegentakt Schwingungen um eine Torsionsachse ausführen, sobald bei einer Drehung des Gerätes die Massen durch Corioliskräfte angeregt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägheitsmomente der beiden Torsionsmassen (7 bzw. 9,10,10 α) gleich groß sind, ts aber nur eine der beiden Massen (9, 10, 10 a) einen Oszillator (10, 10 a) trägt, daß die Eigenschwingung der Gegentakttorsion mit der Frequenz der Modulation des Trägheitsmoments übereinstimmt und daß die beiden gegenphasig mit gleicher Amplitude schwingenden Torsionsmassen auf einer gemeinsamen Achse (5a, Sb, Sc) angeordnet sind und daß die von den beiden Torsionsmassen (7 bzw. 9, 10, 10 a) auf den Rahmen (1) übertragenen Drehmomente gleich groß und gegenphasig sind, so daß sich zwei Knotenebenen an den beiden Verbindungsstellen der Achse mit dem Rahmen (1) ausbilden.
2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionssteifigkeit der beiden äußeren Torsionsstiele kleiner ist als die Steifigkeit des mittleren Torsionsstabes.
3. Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator, die beiden Torsionsmassen, alle Torsionsstiele und der Rahmen aus einem einzigen Metallblock hergestellt sind.
4. Anordnung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweis der Torsionsschwingungen über zwei oder mehr elektromechanische Schwingungsaufnehmer erfolgt, deren abgegebene elektrische Spannungen für die Gegentaktschwingung der beiden Torsionsmassen sich addieren, für jede gleichphasige Schwingung sich aufheben.
5. Anordnung gemäß Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Torsionsschwingungsaufnehmern abgegebene Spannung durch phasenabhängige Stromoder Spannungsmesser angezeigt wird oder zur Steuerung eines Servosystems dient, welches das Gerät mit solcher Geschwindigkeit und in solcher Richtung dreht, daß das Ausgangssignal auf Null kompensiert wird.
6. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Schwingungsaufnehmer durch einen ohmschen Widerstand solcher Größe belastet wird, daß die in dem Widerstand vernichtete Energie die Ansprechzeit in der gewünschten Weise beeinflußt.
7. Anordnung zur Herabsetzung der Ansprechzeit eines Gerätes nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, bei welchem die Torsionsschwingungen durch elektromagnetische Aufnehmer in ein elektrisches Signal verwandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität des elektromagnetischen Torsionsaufnehmers durch eine Kapazität auf die Frequenz der Torsion abgestimmt wird und dadurch die in dem aus der Induktivität und der Kapazität bestehenden Schwingungskreis fließenden Ströme der Torsionsschwingung entgegenwirken.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1328 297,
046.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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