DE1498103A1

DE1498103A1 - Flottiertes Fuehlerinstrument

Info

Publication number: DE1498103A1
Application number: DE19651498103
Authority: DE
Inventors: Frykman Oscar G; Romani Mario R; Kopp Robert W
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1964-06-24
Filing date: 1965-06-24
Publication date: 1969-11-13
Also published as: DE1498103B2; US3368409A; DE1498103C3; GB1035419A

Description

Die Erfindung betrifft Fühlergeräte und insbesondere flottierte Fühlergeräte, also Geräte, deren beweglichen Teile wenigstens teilweise von einer Flüssigkeit umgeben sind, so daß die Lager durch den Auftrieb entlastet und/oder die Bewegung durch die Flüssigkeit gedämpft wird. Die Erfindung ist auf alle flottierte Fühlergeräte anwendbar, wird aber hier beispielsweise an einem flottierten Pendelbeschleunigungsmesser beschrieben.

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Ein typisches flottiertes Pendelbeschleunigungsmesser enthält ein zylindrisches seismisches Hassenelemenb, das für die Drehung um eine Ausgangsachse montiert ist. Um die geforderte Genauigkeit und Empfindlichkeib zu erzielen, isb es nötig, daß die die seismische Masse haltende Vorrichtung möglichst reibungslos ist bzw. wirkt. Eine äußerst geringe Reibung wird durch Verwendung von Edelstein-Spitzonlagerung in Verbindung mit einez¹ Flottierflüssigkeit erreicht. Das die seismische Hasse bildende Element ist in eine Flüssigkeit hoher Dichte eingetaucht, so daß sie das Massenelement im wesentlichen "gewichtslos" macht. Die Flüssigkeit hat auch die Aufgabe, die Drehung des Massenelementes zu dämpfen.

Eines der größten Probleme ist die Unbestimmtheit des Nullpunkts eines solchen flottierten Beschleunigungsmessers, wenn die Ausgangsachse senkrecht orientiert ist. Das bedeutet, daß das Signal, das gewonnen wird, wenn dem Beschleunigungsmesser keine Beschleunigungseingabe erteilt wird (Nullzustand oder Ifullbedingung), nicht innerhalb der geforderten Grenzen wiederholbar ist. Demnach wird in das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers ein Fehler eingeführt und die Genauigkeit ernstlich vermindert. Dieses Problem bestand in einem flottierten Beschleunigungsmesser, mit dem die Anmelderin vertraut ist, sieben Jahre lang ohne Lösung.

Es i3t daher eine Aufgabe der Erfindung, dieses ernste Problem der Nullpunktsunbestimmtheit der Ausgangsachse bei vertikaler Orientierung derselben zu lösen.

Die Erfindung sieht ein flottiertes empfindliches Gerät vor, das ein Gehäuse mit einer darin befindlichen Kammer, einen in der Kammer befindlichen drehbaren Körper, zwischen dessen Umfangsteil und der Kammerwand ein Dämpfungsspalt vorhanden ist, Lager für die Drehlagerung des Körpers innerhalb der Kammer für die Drehung um eine Ausgangsachse, wobei die Lager eine begrenzte axiale Bewegung des Körpers längs der Ausgangsachse zulassen, eine die Kammer ausfüllende und den

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Köx^per umtobende Flüssigkeit und einen Nebenlcanal- oder Durchlaß innerhalb des Gehäuses aufweist, und zwar derart, daß die Flüssigkeit in axialer Richtung an dem Umfangsteil des drehbaren Körpers fließen kann, ohne durch den Dämpfungsspalt zu fließen.

Diese Ausbildung führt zu einer ganz bemerkenswerten Steigerung der Genauigkeit des flottierben Gerätes. Allein auf Grund der Erfindung konnte der Fertigungsausstoß von etwa 10# auf etwa G0/& gesteigert v/erden. Die Erfindung beruht auf der neuen Erkenntnis, die sich nach umfangreichen Versuchen einstellte, daß die Ubergangsbewegung des schwimmenden Körpers, die sich infolge des Auf-den-Kopfstellens der Ausgangsachce einstellt, eine unvorhergesehene Drehmomentveränderung an der Seitenmasse entsteht. Beschleunigungsmessungen, die während dieser "Einstellzeil;" (der Übergangsbewegung) vorgenommen werden, sind diesen unbestimmten Fehlereinflüssen unterworfen. Die Fehler traten am häufigsten während der Prüfung der Nullpunkts-Unbestimmtheit auf und erschienen daher selbst als Nullpunkts-Unbestimmtheiten und wurden auch als solche klassifiziert· Durch die jetzt, innerhalb des Gehäuses vorgesehenen Nebenkanälc oder-wege wurde die Einstellzeit wesentlich verringert und daher die sich über lange Zeit erstreckende Nullpunkts-Unbestimmtheit eliminiert, ohne daß das richtige Arbeiten der anderen entscheidenden Bauteile des flottierten Instrumentes beeinträchtigt wurde.

Die Erfindung wird nachstehend noch an Hand eines Ausführungsbeispieles, unter Bezugnahme auf die Zeichnung, erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt in der Ebene 1-1 der Fig. durch einen flottierten Pendelbeschleunigungsmesser und

Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene 2-2 der Fig.

Hit 10 ist allgemein ein flottierter Pendelbeschleunigungsmesser

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bezeichnet. Einige seiner Bauteile, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, sind der Klarheit wegen aus Fig. 1 weggelassen. Hit 11 ist allgemein ein zylinderförmiges Gehäuse bezeichnet, das zwei topiförmige Teile 12 und 13 aufweist. Diese sind bei 14- so miteinander verbunden, daß sie innerhalb des Gehäuses 11 eine Kammer 15 umschließen. Die Kammer 15 liegt symmetrisch zu einer Achse 16, die eine Ausgangsachse des Beschleunigungsmessers. 10 darstellt. Die auf Beschleunigung ansprechende Achse 19 des Beschleunigungsmessers steht rechtwinklig auf der Achse 16. Die Kammer 15 weist eine Dämpfungsflache 17 auf, die an der Innenfläche des Gehäuseteils 12 gebildet ist. Die Fläche 17 hat Zylinderform und längs der Achse 16 eine kurze axiale Erstreckung. Hehrere ringförmige Nebenkanäle 18 (siehe Fig. 2) sind im Gehäuse 11 vorgesehen.

Eine hohle, allgemein zylindrische seismische Hasse 20, die um die Ausgangsachse 16 pendelnd gelagert ist, befindet sich in der Kammer 15· An der Hasse 20 befindet sich eine zylindrische Dämpfungsfläche 21, die axial auf die Fläche 17 ausgerichtet und mit ihr konzentrisch ist (koaxial). Der Durchmesser der Dämpfungsfläche 21 ist etwas kleiner als der Durchmesser der Dämpfungsfläche 17· Die Dämpfungsflächen 17 und 21 arbeiten in der Weise zusammen, daß sie zwischen sich einen Dämpfungsspalt bilden, dessen Stärke etwa 125 Hikrometer beträgt. Ein Ende der seismischen Hasse 20 weist einen im Durchmesser verringerten Abschnitt 22 auf, der ein Hotorelement 23 hat, das um den Umfang des Abschnittes 22 montiert ist. Das andere Ende der Hasse 20 besteht aus einem kappenförmigen Teil 24- aus Epoxyharz, das starr mit der seismischen Hasse 20 verbunden ist. In dem kappenförmigen Teil 24- ist eine Drehmomentwicklung oder Spule eingelagert, deren Wirkungsweise weiter unten erläutert wird. Durch den Teil 24- erstrecken sich, auf dem Umfange verteilt, also mit Winkelabstand, mehrere Durchbrüche 25. Die seismische Hasse 20 ist innerhalb der Kammer 15 um die Achse 16 durch Lager 30 und 31 drehbar gelagert. Das Lager 30 besteht aus einem Zapfen 32, der starr mit· der seismischen Hasse 20 befestigt ist und sich längs der Achse 16 erstreckt. Das Lager 30

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enthält außerdem einen Lageredelstein 33, der in einer Vertiefung 34 innerhalb einer Halterung 35 so angeordnet ist, daß er in Bezug auf die Achse 16 symmetrisch liegt. Die Halterung 35 ist stan· mit dem Teil 13 des Gehäuses 11 verbunden. Das Lager 30 enthält außerdem mehrere La^eredelsteine 3v>» die in der Vertiefung 34 angeordnet sind. Sie liegen auf dem Umfange verteilt, also in Winkelabstand und Radialabstand zur Achse IG. Der Stein 33 nimmt axiale Lagerkräfte auf, während die Steine 3& radiale Kräfte aufzunehmen in der Lage sind. Der Zapfen 32 reicht in die Ausnehmung oder Vertiefung 34 hinein, ist von den drehbaren Steinen 3^ umgeben und ist auf den Axiallagerstein 33 ausgerichtet. Die Lager 30 sind also Lager mit geringer Reibung. Die einzige Reibung kommt zustande durch die Berührung zwischen dem Zapfen 32 und den Lagersteinen 33 und 36· Es ist hervorzuheben, daß der Axiallagerstein 33 nicht jederzeit mit dem Zapfen 32 in Berührung steht, sondern normalerweise einen kleinen Abstand dazu hat (etwa 25 Mikrometer).Das Lagei* 31 hat im wesentlichen denselben Aufbau wie das Lager und bedarf keiner Erläuterung.

Eine Flüssigkeit 40 füllt die Kammern 15 im Gehäuse 11 aus, so daß das Gewicht der seismischen Masse 20 weitgehend aufgehoben wird. Die Dichte der Flüssigkeit 4-0 ist in der Praxis so gewählt, daß 99,2% der seismischen Masse flottiert ist. Die Lager 30 und 31 haben deshalb also nur ein sehr geringes Gewicht zu tragen und die Reibungskräfte sind daher nur klein. Die Flüssigkeit 40 ist eine Newtonsche Flüssigkeit und bewirkt die Dämpfung der Drehung der Masse 20 um die Achse 1G zufolge der Scherv/irkung der Flüssigkeit in dem Dämpfungsspalt 26.

St at orwi CkI¹¹¹¹S^en 43 sind starr am Gehäuse 11 befestigt und umgeben den Rotor 23j der sich auf der Masse 20 befindet. Die Statorwicklung 43 und das Rotorelement 23 bilden zusammen einen Signalgenerator 44, der ein Ausgangssignal zu erzeugen vermag, das eine Anzeige der Drehung der seismischen Masse 20 um die Ausgangsachse 16 darstellt.

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Das Element 24 der Masse 20 paßt in eine ringförmige Öffnung innerhalb einer Permanentmagnet anordnung 4-6, die starr am Gehäuseteil 12 befestigt ist. Das kappenförmige Element 24.mit seiner imprägnierten Spule wirkt mit der Permanentmagnetanordnung 46 so zusammen, daß sie zusammen einen aus bewegbarer Spule und Permanentmagnet bestehenden Drehmomentgenerator 47 bilden. Das Signal aus dem Signalgenerator 44 wird von außen verstärkt und dem Drehmomentgenerator 47 zugeführt. Das vom Generator 47 erzeugte Drehmoment wird auf die seismische Masse 20 ausgeübt, so daß sie in ihre Nullage zurückgeführt wird.

In der Kammer 15 ist ein Faltenbalg 49 für den Ausgleichvolumetrischer Änderungen der Flüssigkeit 40 mit Temperaturänderungen vorgesehen.

Wenn sich die Masse 20 in der Kammer 15 befindet, steht ein Ende des Nebenwegkanals 18 in Verbindung mit der Kammer 15 auf der einen Seite des Dämpfungsspaltes 26. Das andere Ende jedes der ringförmigen Nebenkanäle 18 steht in Verbindung mit der Kammer 15 auf der anderen Seite des Spaltes 26. Die Flüssig-r keit kann also von der einen Seite der seismischen Masse 20 zur anderen durch einen Nebenkanal 18 gelangen, ohne durch den Dämpfungsspalt 26 fließen zu müssen.

Im Betrieb sitzt der Beschleunigungsmesser 10 in oder an einem Fahrzeug, dessen Beschleunigung gemessen werden soll. Die auf Beschleunigung ansprechende Achse 19 ist auf die Sichtung ausgerichtet, längs der die Beschleunigung gemessen werden soll. Da die Masse 20 ihrer Natur nach eine Pendelmasse ist und für die Drehung um die Achse 16 durch eine reibungsarme Lagerung gelagert ist, bewirkt eine Beschleunigung längs der Achse 19 eine Drehung der seismischen Masse 20. Der Betrag der Drehung der Masse 20 wird vom Signalgenerator 44 erfaßt. Die Flüssigkeit 40 dämpft die Drehung der Masse 20. Der Generator 44 erzeugt ein Signal, das die Größe der Drehung der Masse anzeigt, das (durch nicht gezeigte Mittel) verstärkt und dem Drehmomentgenerator 47 zugeführt wird. Der Generator 47 erteilt

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der Masse 20 eine Kraft, die bestrebt ist, die Hasse in ihre Nullage zurückzubringen. Die Größe des vom Generator 44- an den Generator 4-7 gegebenen Signals ist ein Maß für die dem Beschleunigungsmesser 10 erteilte Beschleunigung. Es ist also klar, daß jeder Veränderung (Hullunbestimmtheit) im Ausgangssignal zufolge von Kräften, die nicht auf der zugeführten Beschleunigung beruhen, die Genauigkeit des Beschleunigungsmessers 10 herabsetzt.

Dia Nullunbestimmtheit für vertikale Ausgangsachsen wird zuerst durch Stabilisierung des Beschleunigungsmessers mit seiner Ausgangsachse in vertikaler Lage und Bestimmung des Ausgangssignals geprüft. Dann wird der Beschleunigungsmesser körperlich versetzt oder verschoben, so daß die Ausgangsachse für eine kurze Zeit ungefähr waagerecht liegt. Dies unterwirft den Beschleunigungsmesser einer Beschleunigung längs seiner Eingangsachse. Dann wird die Ausgangsachse des Beschleunigungsmessers wieder in die senkrechte Lage zurückgeführt. Das Ausgangssignal, das in vertikaler Stellung gewonnen wird, sollte eine Abweichung von ΊΟ χ 10"^g des vorherigen Ausgangssignales nicht übersteigen.

Wie oben angegeben, erlauben die Lager 30 und 31 eine begrenzte axiale Bewegung der Masse 20 längs der Achse 16 zufolge des axialen Lagerspieles· Wenn der Beschleunigungsmesser 10 umgekehrt wird, werden auf die Masse 20 eine Reihe von Kräften ausgeübt. Die axialen Kräfte schließen ein: 1.) Bescnleunigungs- (Schwer-) kräfte zufolge des nicht flottierten Teiles der seismischen Hasse 20 j 2.) magnetische axiale Zentrierkräfte aus dem Signalgenerator und dem Drehmomentgenerator; und 3·) Flüssigkeitskräfte zufolge der Konvektionsströme zufolge der inversion (umkehr) des "heißen Endes".

Die Beschleunigungskraft ist temperaturabhängig, da die Dichte der Flottationsflüssigkeit 40 sich mit Temperaturänderungen ändert. Venn die Temperatur der Flüssigkeit so ist, daß die

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Masse 20 nicht voll flottiert wird, wird die Beschleunigungskraft längs des Lotes nach unten gerichtet sein. Wenn die Dichte eier Flüssigkeit 4-0 sich so ändert, daß die Masse 20 voll flottiert ist, wird keine Beschleunigungskraft auf die Masse 20 wirken. Wenn die Dichte der flüssigkeit 40 so zunimmt, daß die seismische Masse 20 mehr als voll flottiert wird, wird die Beschleunigungskraft längs des Lotes aufwärts gerichtet sein. Da eine vollständige Flottation praktisch nicht erreichbar ist, wird die seismische Masse bei normalen Arbeitstemperaturen mit Absicht überflottiert sein, so daß die Beschleunigungskraft auf die Masse 20 längs des örtlichen Lotes nach oben wirkt. Die magnetischen axialen Zentriekräfte aus Signal- und Drehmomentgenerator hängt nur von der Orientierung des Beschleunigungsmessers ab. D. h., daß sich diese Kraft bzw. diese Kräfte, mit der Umkehr des Beschleunigungsmessers umkehren. Die Flüssigkeitskonvektionskräfte sind in Bezug auf die .Schwerkraft in ihrer Richtung konstant. D. h., daß die Flüssigkeitskonvektionsströ'me das Bestreben haben, unabhängig von der Arbeitstemperatur die seismische Masse nach oben zu treiben.

Die Anmelderin hat gefunden, daß die Kombination aller dieser Kräfte, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Beschleunigungsmessers nachteilig beeinflußt. Insbesondere hat sich gezeigt, daß bei Umkehr der Ausgangsachse des Beschleunigungsmessers die Zeit, die die seismische Masse 20 für die Bewegung aus dem Eingriff mit dem einen Axiallager, beispielsweise 35 zum anderen Axiallager längs der Achse 16 braucht, außerordentlich stark schwankt. Manche Beschleunigungsmesser brauchen beispielsweise von einer Stunde bis zu sechs Stunden, um diese geringe axiale Strecke durch die Bewegung zu überbrücken. Diese ZeitSchwankungen für seismische Massen zur Durchquerung des Ausgangsachsenspieles vom einen Ende zur anderen bilden, wie die Anmelderin festgestellt hat, einen erheblichen Anteil der Ursache für die Nullunbestimmtheit, da nicht voraussagbare Übergangsdrehmomente durch die Bewegung der Aufhängung erzeugt werden. Dies ruft Schwankungen in den Fullablesungen hervor, die während dieses Zeitraumes gemacht werden und führt zu

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- 9 einer Herabwürdigung der Beschleunigungsmesserausführung.

!Die Anmelderin hat dieses kritische Problem gelöst und den Ausstoß ihrer Beschleunigungsmessererzeugung von etwa 10 % auf etwa 60 % vergrößert. Das Problem wurde durch Verwendung eines einzigartigen Beschleunigungsmessergehäuses 11 gelöst. Ein Ende jedes Nebenkanals 18 steht in Verbindung mit der Kammer 1$ auf einer Seite des Dämpfungsspaltes 26, Das andere Ende jedes Kanals 18 steht in Verbindung mit der Kammer auf der anderen Seite des Spaltes 26. Wenn der Beschleunigungsmesser 10 aus der stabilisierten Lage versetzt wird, wobei die Ausgangsachse 16 parallel zum Lot (lotrecht) liegt, ist die Masse 20 bestrebt, sich längs der Achse 16 zu verschieben. | Diese axiale Verschiebung ist am größten, wenn der Beschleunigungsmesser 10 umgekehrt wird. Wenn die Masse 20 innerhalb der Kamin er 15 axial verschoben wird, wird die Flüssigkeit 40 von der einen Seite der seismischen Masse zur anderen gedrückt. Der Dämpfungsspalt 26 und die Nebenkanäle 18 sind die einzigen Durchlässe, durch die die Flüssigkeit 40 von der einen Seite der Masse 20 zu ihrer anderen Seite gelangen kann. Die Flüssigkeit 40, die sich im Inneren des topfförmigen oder napfförmigen Teiles 24· des Drehmoment generators 4-7 befindet, kann in radialer Richtung nach außen durch die Öffnung 25 fließen und so die Kanäle 18 erreichen. Der Dämpfungsspalt 26 gibt einen sehr viel höheren Strömungswiderstand für die Flüssigkeit als die Nebenkanäle 18. Wegen der Wichtigkeit der Dämpfungsfunktion, die durch den Dämpfungsspalt 26 ausgeübt wird, ist es unmöglich,dessen Abmessungen zu ändern. Die Kanäle 18 sind größer als der Dämpfungsspalt 26, wie auch aus der Zeichnung hervorgeht. In der Praxis hat der Dämpfungsspalt eine Breite von etwa 125 Mikrometer. Die Nebenkanäle 18 haben etwa die neunfache Breite, also etwa 1,15 Millimeter. Folglich fließt der große Teil der Flüssigkeit auf der einen Seite der seismischen Masse 20 durch die Nebenkanäle 18 zur anderen Seite, wenn der Beschleunigungsmesser 10 umgekehrt wird. Dies vermindert erheblich die Zeit, die die seismische Masse 20 braucht, um sich axial längs der Achse 16 vom einen Endlager-

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edelstein zum anderen zu bewegen. Das Endergebnis ist, daß die Nullunbestimmtheit bei lotrechter Ausgangsachse im wesentlichen beseitigt und die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Beschleunigungsmessers ganz erheblich gesteigert ist.

- Patentansprüche-

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Claims

?. Mc.i 1969 -p651O4-H98103 - 11 - Patentansprüche

1) Flottiertes sensitives Instrument, bestehend aus einem Gehäuse mit einer darin'befindlichen Kammer, einem in der Kammer drehbeweglich angeordneten Körper, einem zwischen dem Außenteil des Körpers und der Kammerwand vorgesehenen ringförmigen Dämpfungsspalt, Lagervorrichtungen zum Lagern des Körpers in der Kammer für Drehung um die Ausgangsachse, wobei die Lagervorrichtungen eine begrenzte axiale Bewegung des Körpers längs der Ausgangsachse zulassen, und einer die Kammer ausfüllenden und den Körper umgebende Flüssigkeit, gekennzeichnet durch einen Hebenkanal oder liebenkanäle (18), innerhalb des Gehäuses (12), in dem bzw. in denen die Flüssigkeit (40) ohne im Dämpfungs spalt (26) zu strömen in axialer Richtung an dem Umfangsteil (21) des drehbaren Körpers (15) vorbeigeführt wird.

2) Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalgeneratoreinrichtung (44) vorgesehen ist, die ein Signal zu erzeugen vermag, das die Winkelbewegung des drehbaren Körpers (15) in Bezug auf das Gehäuse (12) anzeigt.

3) Instrument nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Drehmomentgenerator (47), der auf den drehbaren Körper (15) ein Drehmoment ausübt.

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4) Instrument nach, den Ansprüchen 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Körper (15) eine seismische Pendelmasse aufweist, die von der Flüssigkeit (4-0) durch Auftrieb getragen wird.

5) Instrument nach den Ansprüchen 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalausgang des Signalgenerators (44) dem Drehmoment generator (4-7) so zugeführt wird, daß dieser zur Ausübung einer Rückstellkraft auf die seismische Hasse (15) veranlaßt wird.

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