DE1473489A1

DE1473489A1 - Hoehenmessgeraet

Info

Publication number: DE1473489A1
Application number: DE19631473489
Authority: DE
Inventors: Nelson William M
Original assignee: Kollsman Instrument Corp
Current assignee: Kollsman Instrument Corp
Priority date: 1962-10-29
Filing date: 1963-10-29
Publication date: 1968-11-07
Also published as: US3206980A; GB1060647A

Description

Höhenmeßgerät Die Erfindung betrifft ein Höhenmeßgerät für Flugzeuge und ein insbesonderq/Höhenmeßgerät, in dem ein piezoelektrischer Übertrager zur Verbesserung der Betriebseigenschaften verwendet wird.
In der Plugzeuginstrumentenkunde ist es bekannt, Höhen mit einem Instrument zu messen, welches eine druckempfindliche Einrichtung, wie z.B. eine Aneroidzelle aufweist0 Unter dem Einfluß von Höhenänderungen dehnt sich die Zellenmembran aus, bzw. zieht sich um einen Betrag zusammen, der der entsprechenden atmosphärischen Änderung proportional ist0 Die Bewegung der Membran wird dann in bekannter Weise auf einen sichtbaren Zeiger übertragen, wie beispielsweise durch mechanische Bindeglieder, um dadurch eine der Höhe entsprechende Anzeige wiederzugeben. Derartige Höhenmeßgeräte sind jedoch z. B. in bezug auf ihren Meßbereich,-genauigkeit, Ansprechzeit und -linearität begrenzt, woduroh ihre Verwendbarkeit in vielen Fällen eingeschränkt wird.
Die Erfindung schafft ein verbessertes Höhenmeßgeräts das gegenüber bekannten Geräten vorzuziehende Betriebseigenschaften aufweist. Grundsätzlich schafft die Erfindung ein Höhenmeßgerät bei dem die Aneroidzellen-Membran in vereinfachter Weise mechanisch mit einem geeigneten nbertrager, wie z.B. einer piezoelektrischen Silizium-Paser verbunden ist. Die piezoelektrische Übertrager-Faser weist einen geeigneten »otierungsgrad und eine geeignete kristallographische Orientierung auf, so daß das Verhältnis von Widerstandsänderung zu Dimensionsänderung groß ist. Die Membran kann über eine äußere Verbindung mit dem piezoelektrischen übertrager verbunden sein, um ihn Kompressions- oder Biegebeanspruchungen zu unterwerfen; die Faser kann aber auch unmittelbar mit der Membran verbunden werden, um den verschiedenen Kompressionsbeanspruchungen unterworfen zu werden, wenn die Membran sich ausdehnt oder zusammenzieht. Ein beispielsweise in Serie mit dem piezoelektrischen Übertrager verbundener elektrischer Schaltkreis mißt dann dessen Widerstand, der unmittelbar der Höhe entspricht. Die Änderung des Widerstandes der Faser als Ergebnis der Tatsache, daß sie Verformungen unterworfen wird, gestattet eine unmittelbare, sofortige elektrische Ablesung, die eine Funktion der Höhe ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Silizium- Faser-Ubertrager unmittelbar mit der Membran der Dosenaneroidzelle durch eine einfache Verbindung derart verbunden, daß die Bewegung der Membran die Faser unter Druakbelastung setzt. Bei einer weiteren AusfUhrungsform ist das mechanische Bindeglied zwischen der Membran und der piezoelektrischen Faser derart ausgebildet, daß in der Faser eine Biegebeanspruchung erzeugt wird, welche der Bewegung der Membran proportional ist. Obwohl diese Ausftlhrungsformen für viele Anwendungen geeignet sind, haben sie gewisse Grenzen. Bei diesen Ausführungsformen ist die Faser nicht verstärkt. Wegen der typischen geringen Abmessungen solcher Fasern (10 5cm2 Querschnitt) treten Schwierigkeiten dabei auf, die Tendenz der Faser, sich unter den einwirkenden Kräften zu verbiegen, zu vermeiden. Obwohl dies teilweise durch Vorspannen der Faser überwunden werden kann, hat ein solcher Höhenmesser für viele Anwendungsarten keine ausreichende Stoßfestigkeit.
Außerdem ist die Faser Umgebungseinflüssen ausgesetzt.
Wegen der chemischen Aktivität von Silizium ist es notwendig, die Faser zu umhüllen, um Wechselwirkungen mit der Luft zu verhinded andernfalls muß das Innere des Höhenmessers evakuiert sein. Das Umhüllen der nackten Faser hat eine mechanische Wirkung auf die Verformung des Vbertragers. Eine weitere Beschränkung ist dadurch gegeben, daß das mechanische Verbindungsglied zwischen der Faser und der Membran unendlich starr sein sollte, um die wahre Auslenkung der Membran genau auf die Faser zu übertragen.
Jede Abweichung von einer solchen theoretisch erwünschten Kopplung beeinflußt die Genauigkeit der resultierenden Anzeige.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die oben beschriebenen Beschränkungen dadurch vermieden, daß die Übertragerfaser unmittelbar mit dem Mittelteil der Membran der Dosenaneroidzelle verbunden ist. Obwohl es immer noch notwendig ist, die Faser gegen Luft zu schützen, muß in diesem Fall die Umhüllung keine große mechanische Wirkung haben, da die Faser vollständig mittels ihrer Verbindung mit der Membran gehalten wird. Ein derart aufgebautes Höhenmeßgerät ist auch erheblich kompakter als andere Anordnungen. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Faser die Belastungen in den Membranwänden selbst mißt, anstatt der Bewegung der Membran.
Die von der Menbranwand ausgeübten Dehnungakräfte sind viel größer als Verschiebungskräfte; es wird somit ein empfindlicheres Instrument geschaffen. Die Faser weist vorzugsweise wesentlich kleinere Abmessungen auf, als die Membranwand, wodurch sie eine vernachlässigbare Wirkung auf die druckabhängigen Dehnungen der Membranwand hat.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Meßbereich und die Empfindlichkeit des Instrumentes durch geeignete Regelung des Dotierungsniveaus der piezoelektrischen Übertragerfaser verändert werden oder durch Veränderung des Radius und der Dicke der Membranwand. Die ganze Einheit ksnn in einem einzigen Gehäuse kompakt angeordnet sein, welches zwei den Ausgangsanschlfissen des pieoelektrischen Ubcrtrsgors entsprechende elektrische Kontakte aufweist. Wie ersichtlich, beruht die Grundidee der Erfindung auf der Verwendung eines piezoelektrischen übertragers, der in bevorzugter Weise in Wirkverbindung mit einer auf Druok ansprechenden Dosenaneroidzelle steht. Der Ausgang des veränderlichen Widerstandes des Ubertragers ist mit einer geeigneten Elektronik verbunden, die einen in Höheneinheiten geeichten Meßausgang aufweist, um dadurch eine unmittelbara elektrische Höhenanzeige zu schaffen.
Es ist somit das Hauptziel der Erfindung, ein Festkörper-Höhenmeßgerät mit erhöhter Empfindliohkeit und Genauigkeit zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Flugzeughöhenmeßgerät zu schaffen, bei dem ein druckempfindliches Teil mechanisch mit einem piezoelektrischen Ubertrager verbunden ist, um Widerstandsausgangssignale zu erzeugen, die der Höhe entsprethen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Beschleunigungsmeßgerät für Flugzeuge zu messen, bei welchem der piezoelektrische übertrager aus einer kleinen Faser besteht, die mit dem Mittelteil der Membran einer Dosenaneroidzelle verbunden ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Festkörperhöhenmesser für Flugzeuge zu schaffen, bei welchem die piezoelektrische Faser wesentlich kleinere Abmessungen aufweist, als die Membran, mit der sie verbunden ist, so daß die Gegenwart des Ubertragers nur eine vernachlässigbare Wirkung auf die in der Membran erzeugten, auf Druck ansprechenden, Kräfte hat.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von AusfUhrungebeispielen anhand der Zeichnung. In dieser zeigens Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Höhenmessers gemäß der Grundidee der Erfindung.
Fig. 2 einen Querschnitt, der das mit der Membranoberfläohe verbundene Ubertragerelement zeigt.
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungebeispieles der Erfindung, bei dem ein meohanisohes Verbindungsglied zwischen der Membran und der piezoelektrischen Ubertrager-Paser die Faser auf Druck beansprucht.
Fig. 4 eine ähnliche schematische Ansioht eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung, bei dem eine unmittelbare meohanische Verbindung zwischen der Membran und der piezoelektrischen Übertrager-Faser, die in dem Ubertrager eine Biegebeanspruohung hervorruft.
Die in den Fig. dargestellte Dosenaneroid-Zelle 10 ist in herkömmlicher Weise derart aufgebaut, daß sie sich enteprechend der Veränderungen des atmosphärischen Druckes ausdehnt und zusammenzieht. Die Membran 12 der Dosenaneroid-Zelle 10 ist verformenden Kräften unterworfen, welche der Druokwirkung der Aneroidzelle 10 proportional ist. Geaäß der Erfindung wird der dem Druck entsprechende Effekt der Membran 12 auf die piezoelektrisohe Faser 20 übertragen, die mit der Membran 12 mechanisch verbunden ist.
Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten bevorzugten AusfUhrungsform der Erfindung ist die Paser 20 unmittelbar an dem Mittelteil der Membran 12 befestigt, so daß sie Zugepannungskräften F2 unterworfen wird, die den Kräften proportional sind. die entsprechend der Zusammenziehung oder Ausdehnung der Aneroidselle in der Membranwand auftreten.
Die Halbleiterfaser 20 hat ein großes Verhältnis von Widerstandsänderung zu Dimensionsänderung. Vorzugsweise ist das Element 20 eine piezoelektrische Faser aus Silizium, die in geeigneter Weise so behandelt worden ist, daß die Dbtierungsgrade und die kristallographische Orientierung so kontrolliert werden, daß sie die erwünschten Eigenschaften flir den besonderen Verwendungszweck haben, wobei Dehnungsmeßfaktoren von 80 erreichbar sind. Die Abmessungen der Faser 20 sind wesentlich geringer als die der Membran 12, so daß sie eine vernachlässigbare Wirkung auf die in der Membran erzeugten Kräfte hat. Unter diesen Bedingungen hat sich herausgestellt, daß die Wandkräfte F2 dazu dienen, auf die Faeer 20, die ihren Widerstand proportional ändert, eine in Längsrichtung wirkende Spannung auszuüben. Die Anschlußdrähte 22 und 24 des Übertragerelementes 20 gehören zu einer herkömmlichen elektronischen Meßanordnung, die vorzugsweise in Reihe mit dem piezcelektrischen Übertrager liegt, eo daß der von der Änderung des piezoelektrisohen Widerstandes verursachte differentielle Spannungsabfall in linearer Beziehung zu der auf Druck ansprechenden Kraft F2 in den Membranwänden 12 steht. Das von der Widerstan ~ derung im obertrager 20 erzeugte Signal kann dann in geeigneter Weise gewicht werden, um eine sichtbare Höhenanzeige 35 zu ergeben. So kann beispielsweise mit einem Vollausschlag von 105 dyn/cm2 (etwa 0,1 ata) mit einer Anregungsspunnung von 10 Volt etwa ein Spannungsabfall von einem halben Volt erreicht werden. Um somit die 8kala in 100stel Teile zu unterteilen muß die Elektronik nur auf 5 Millivolt ansprechen, was die im Handel erhältlichen Geräte ohne weiteres leisten. Der Meßbereich des Höhenmeßgerätes kann durch Verkleinern der Empfindlichkeit vergrößert werden. Dies kann durch Verkleinern des Radius und Vergrößern der Dicke der Membran erreicht werden. Im Gegensatz dazu wird der Radiue vergrößert und die Membran verkleinert um ein (begrenzt) empfindlicheres Gerät zu erhalten.
In den Fig. 3 und 4 sind weitere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, bei denen die Membran 12 der Aneroidzelle mittels mechanischer Verbindungen 40 bzw. 45 mit der Ubertragerfaser 20 verbunden ist. Obwohl diese Ausführungeformen für viele Anwendungsarten geeignet sind, weisen sie Beschränkungen auf, die durch das oben besprochene Ausführungebeispiel nach Fig. 1 und 2 vermieden werden. Die äußerst geringe Abmessungen aufweisende Faser 20 ist nicht mechanisch verstärkt; dadurch entstehen praktische I'robleme bei der.Anbringung von Befestigungseinrichtungen, welche die Tendenz der Faser 20, sich unter Wirkung der von der Membran 12 übertragenen Kräfte zu verbiegen, vermeien. Da die Faeer 20 freiliegt, ist sie der chemischen Aktivität des Siliziums unterworfen-und muß aus diesem runde überzogen werden, um Verwechselwirkungen zu vermeiden, oder das Innere dsu Höhenmessergehäuses muß evakuiert werden. Weiterhin erfordert eine hohe Genauigkeit des Gerätes, daß die Verbindungsstangen 40 bzw. 45 unendlioh starr sind Jede Abweiohung von dieser Forderung wirkt sich auf die Genauigkeit der piezoelektrischen Veränderungen aus, die inrolge der Bewegung der Membran 12 entstehen und komplizieren dio Analyse des Systems. Da die Ausführungsform nach den Fig.
1 und 2 auf die in den Membranwänden selbst erzeugten Verzerrungskräfte F2 aneprioht, wird dort eine wesentlich höhere Empfindlichkeit erreicht, als bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 und 4, die auf die durch F1 gezeigte Belastung ansprechen.
Die Erfindung schafft somit ein empfindliches und genaues Festkörper-Höhenmeßgerät, das eine unmittelbare elektrisoh übertragene Ablesung der Höhe gestattet.
Patentansprüche:

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h @ @ Höhenmeßgerät für Flugzeuge, g e k e n n s e i c h n e t durch eine zum Teil evakuierte Balgdo@@ die sich gemäß den Sohwankungen des atmosphärischen D@uckes ausdehnen und zusammenziehen kann, einen Übertrager, derderatrig mit der Balgdeas in Wirkverbindung sitent, daß in dem Übertrager eine dem Druckeffekt der Balgdose entavrechende mechanische Spannung auftritt, wobei aich der elekarische Widerstand des Übertragerm antsprechend der mechanischea Spannung ändert, und durch mit dem Übertrager verbunder@ Leiter, um ein Widerstandsausgangssignal zur Höhenanseige su erhalten.
Höhenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n n fl s O 1 c h n e t , daß der Übertrager piezoelektrische Halbleiter-Fasern aufweist Höhenmeßgerät nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch Be k e a n 5 e i c h n e t , daß die piezoelektrische Faser mit einer ersten Fläche der Balgdose @est verbunden ist, wobei die erst.
Fläche durch Wirkung von Druckschwankungen verformt wird und die Verformung der ersten Oberfläche auf die Faser wirkt, um ein dem Luftdruok entsprechendes Widerstandsausgangssignal su erzeugen.
Höhenmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch g e k e n L-s e i o h n e t, daß die piezoelektrische Faser eine Querschnittsfläche aufweist, die wesentlich geringer ist als dio Dicke der ersten Oberfläche.
Höhemeßgerät nach Anspruch 3, dadurch g e k e n fl n -z e i c h n e t , daß die piesoelektrische Faser in Mittelbereich der ersten Oberfläche angeordnet jot, und daß die an Umfang liegenden Teile der ersten Fläche gegen Bewegung gesichert sind, wodurch in der ersten Flpche auftretende Spannungen mechanische Spannungen in der piesoelektrischen Faser verursachen.
6. Höhenme@gerät nach Anspruch 5, dadurch g e k en n n -z e i o h n e t , daß die piezoelektrische Faser wesentlich kleinere Abmessungen aufweist als die erste Oberfläche, wodurch sie eine vernachlässigbare Rückwirkung auf die bei Druck entsprechende Bewegung der ersten Oberfläche hat.
7. Höhemeßgerät flir Flugzeuge nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche dadurch g e k e n a s o i c hn e t e daß eine auf Druck ansprechende Einrichtung eine Membran aufweist, die proportional den Druckschwankungen verformbar ist, daß die Membran von vorherbestimmtem Durchmesser und ton vorherbestimmter Dicke ist, daß ein Übertrager vorgesehen ist, der mittels mechanischer Koppeleinrichtungen mit der Membran verbunden ist, daß der Übertrager seinen elektrischen Widerstand mit der mechanischen Belastung ändert, daß die mechanische topplungseinrichtung eine mechanische Beanspruchung der Kembran in eine Zugepannung in flbertrager übersetzt, wodurch der Widerstand des Übertragers verändert wird, und daß Leiter mit dem Übertrager verbunden sind, um ein Widerstandsausgangssignal zur Hähenanzeige zu erzeugen.

Höhenmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -s e i c h n e t , daß der Übertrager eine piezoelektrische Halbleiterfaser aufweist.

Hahenießgerät nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch g e k e n n s e i c h n e t , daß die piezoelektrische Faser des Übertragers ihrer länge nach auf dem Kittelteil der Membran befestigt ist, wodurch die auf die Faer ubertragene Zugspannung von der mechanischen Belaetung der Membran abhängt.

Höhenmeßgerät nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n -8 e i c h n e t, daß die Faser wesentlich ktirzer ist als der Membrandurchmesser und daß sie eine wesentlich kleinere Querschnittfläche als die Membrandicke hat, wodurch sie eine vernachlässigbare Wirkung auf die auf Druck ansprechenden mechanischen Belastungen in der Membran hat.

Hahenmeßgerät nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n -s e i c h n e t , daß sein Meßbereich und eeine Empfindlichkeit durch Verändern der Dicke und des Durchmessers der auf Druck ansprechenden Membran verändert werden können.