DE1498103C3

DE1498103C3 - Meßinstrument mit Schwimmsensor

Info

Publication number: DE1498103C3
Application number: DE1498103A
Authority: DE
Inventors: Oscar G. Minneapolis Frykman; Robert W. St.Paul Kopp; Mario R. Minneapolis Romani
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1964-06-24
Filing date: 1965-06-24
Publication date: 1974-05-09
Also published as: GB1035419A; US3368409A; DE1498103A1; DE1498103B2

Description

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Die Erfindung betrifft ein Meßinstrument mit Schwimmsensor, 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 zur 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 umgebenden Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit dient zur Entlastung der Lager und/oder zur Bedämpfung der Bewegung des Körpers. Ein typischer Vertreter eines Meßinstruments der eingangs geschilderten Art ist beispielsweise ein Pendelbeschleunigungsmesser, d.h. ein Pendelbeschleunigungsmesser, bei dem der drehbeweglich gelagerte Körper schwimmend gelagert ist. Die Meßinstrumente der eingangs geschilderten Art enthalten wie beispielsweise der genannte Pendelbeschleunigungsmesser vielfach ein zylindrisches seismisches, als drehbeweglicher Körper ausgestaltetes Massenelement, welches um eine Ausgangsachse drehbar montiert ist. Um nun für derartige Meßinstrumente die geforderte Genauigkeit und Empfindlichkeit zu erzielen, ist es nötig, daß die die seismische Masse haltende Vorrichtung möglichst reibungslos wirkt. Eine sehr geringe Reibung wird durch eine Edelstein-Spitzenlagerung in Verbindung mit einer Schwimmflüssigkeit erreicht. Der die seismische Masse bildende Körper ist in eine Schwimmflüssigkeit hoher Dichte eingetaucht, die das andernfalls auf die Lagerung wirkende Gewicht des Körpers weitgehend aufhebt und gleichzeitig auch noch die Drehung des Körpers dämpft.

Nachteilig bei Meßinstrumenten der eingangs geschilderten Art ist die Unbestimmtheit des Nullpunktes, d. h. dessen mangelhafte Reproduzierbarkeit, die darm besonders stark auftritt, wenn die Ausgangsachse senkrecht orientiert ist. Das bedeutet, daß im beschleunigungslosen Zustand des Meßinstruments (Nullzustand oder Nullbedingung) das zugeordnete Ausgangssignal nicht innerhalb der zu fordernden Toleranzen liegt. Somit wird in das Ausgangssignal derartiger Meßinstrumente ein Fehler eingeführt, der deren Meßgenauigkeit nicht unbeträchtlich vermindert. Dieses Problem besteht für die Fachwelt schon seit langer Zeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßinstrument der eingangs geschilderten Art zu schaffen, dessen Ausgangssignal bei der Nullbedingung in engen Toleranzen wiederholbar ist, wobei dies besonders bei vertikaler Orientierung der Ausgangsachse gelten soll.

Die Aufgabe wird bei einem Meßinstrument der eingangs genannten Art gelöst durch einen Nebenkanal oder Nebenkanäle innerhalb des Gehäuses, in dem bzw. in denen die Flüssigkeit ohne im Dämpfungsspalt zu strömen in axialer Richtung am drehbaren Körper vorbeiführbar ist. Durch eine derartige Ausgestaltung des Meßinstruments wird die zur Erzielung einer stabilen Stellung des drehbaren Körpers notwendige Zeit, die vorher oft einige Minuten dauern konnte, fast vollkommen vermieden, und es werden weiterhin unerwünschte Dämpfungszylindereffekte ausgeschaltet. Als Folge davon erhält man eine bemerkenswert gesteigerte Meßgenauigkeit der geschilderten Meßgeräte. Grundlage für die Lösung der gestellten Aufgabe bildet die empirisch gewonnene Erkenntnis, daß die Ubergangsbewegung des schwimmenden Körpers, die sich infolge des Auf-den-Kopf-Stellen der Ausgangsachse einstellt, eine unvorhergesehene Drehmomentveränderung an der seismischen Masse bedingt. Beschleunigungsmessungen, die während dieser Einstellzeit bezeichenbaren Übergangsbewegung vorgenommen wurden, waren diesen unbestimmten Fehlereinflüssen unterworfen, wobei die Fehler am häufigsten während der Prüfung der Nullpunktsunbestimmtheit auftraten und daher auch als solche klassifiziert wurden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Meßinstrumente mit den innerhalb ihrer Gehäuse vorgesehenen Nebenkanälen wurde die Einstellzeit wesentlich verringert und daher die sich über lange Zeit erstreckende Nullpunktsunbestimmtheit eliminiert, ohne daß die ordnungsgemäße Arbeitsweise der anderen wesentlichen Bauteile des Meßinstruments nachteilig beeinträchtigt wurde.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt Fig. 1 einen Querschnitt in der Ebene 1-1 der

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F i g. 2 durch einen Pendelbeschleunigungsmesser teren Lageredelsteine 36 berührt. Es ist aber hervor-

und zuheben, daß der axial ausgerichtete Lageredelstein

F i g. 2 einen Querschnitt in der Ebene 2-2 des 33 nicht ständig mit dem Zapfen 32 in Berührung

Pendelbeschleunigungsmessers nach Fig. 1. steht, sondern gewöhnlich einen kleinen Abstand

Mit 10 ist ganz-allgemein ein Beschleunigungsmes- 5 (von etwa 25 Mikrometer) von diesem hat. Da der

ser bezeichnet, bei dem eine Reihe von nicht für die Aufbau des Lagers 31 dem des Lagers 30 analog ist

Erfindung wesentlichen Bauteilen der besseren Über- soll das Lager an dieser Stelle nicht nochmals.be-

sichtlichkeit wegen in der Zeichnung weggelassen schrieben werden.

wurden. Der Pendelbescheunigungsmesser 10 besitzt Eine Flüssigkeit 40 füllt die Kammer 15 im Ge-

ein zylinderförmiges Gehäuse 11, welches aus zwei io häuse 11 aus, so daß das Gewicht des als seismische

topfförmigen Teilen 12 und 13 zusammengesetzt ist. Masse ausgestalteten Körpers 20 weitgehend aufge-

Diese Teile sind bei 14 derart miteinander verbun- hoben wird. Die beiden Lager 30 und 31 haben aus

den, daß sie innerhalb des Gehäuses 11 eine Kammer diesem Grunde nur ein sehr geringes Gewicht zu tra-

15 umschließen, welche symmetrisch zu einer Aus- gen, und die Reibungskräfte sind daher dementspre-

gangsachse 16 des Pendelbeschleunigungsmess.ers 10 15 chend klein. Die Flüssigkeit 40 ist eine Newtonsche

liegt. Der Pendelbeschleunigungsmesser 10 spricht Flüssigkeit und bewirkt wegen der Scherwirkung der

auf eine Beschleunigung der Beschleunigungsachse Flüssigkeit in dem Dämpfungsspalt 26 eine Dämp-

19 an, welche senkrecht zur Ausgangsachse 16 steht. fung der Drehung des Körpers 20 um die Ausgangs-

Die Kammer 15 ist mit einer an der Innenfläche des achse 16.

Teils 12 gebildeten Dämpfungsfläche 17 versehen, 20 Mit dem Gehäuse 11 sind Statorwicklungen 43

welche zylinderförmig ist und längs der Ausgangs- starr verbunden, welche das Rotorelement 23 umge-

achse 16 eine kurze axiale Erstreckung aufweist. Im ben, daß, wie weiter oben schon beschrieben, auf dem

Gehäuse 11 gibt es mehrere ringförmige Nebenka- Körper 20 angeordnet ist. Die Statorwicklungen 43

näle (s. auchFig.2). und das Rotorelement 23 bilden zusammen einen Si-

In der Kammer 15 ist ein hohler, durchgehend zy- *5. gnalgenerator 44, der ein die Drehung des Körpers 20 lindrischer, als seismische Masse ausgestalteter dreh- um die Ausgangsachse 16 anzeigendes Ausgangssibarer Körper 20 pendelnd um die Ausgangsachse 16 S^nal abgibt.

gelagert. Der Körper 20 besitzt eine weitere zylin- Die Kappe 24 des Körpers 20 paßt in eine ringfördrische Dämpfungsfläche 21, die axial ausgerichtet ™ge Öffnung innerhalb einer Permanentmagnetanist und koaxial zur Dämpfungsfläche 17 liegt. Dabei 30 Ordnung 46, die starr mit dem topfförmigen Teil 12 ist der Durchmesser der weiteren Dämpfungsfläche des Gehäuses verbunden ist. Die imprägnierte, in der 21 etwas kleiner als der der Dämpfungsfläche 17. Kappe 24 angeordnete Drehmomentwicklung wirkt Die beiden Dämpfungsflächen 17 und 21 arbeiten mit der Permanentmagnetanordnung in Form eines daher in der Weise zusammen, daß zwischen ihnen Drehmomentgenerators 47 zusammen, der aus einer ein Dämpfungsspalt gebildet ist, dessen Stärke etwa 35 drehbaren Spule und einem Permanentmagnet be-125 um beträgt. Das eine Ende des Körpers 20 weist steht. Das Signal aus dem Signalgenerator 44 wird einen im Durchmesser verringerten Abschnitt 22 auf, außerhalb des Meßinstrumentes verstärkt und dem der ein um den Umfang des Abschnittes 22 aufge- Drehmomentgenerator 47 zugeführt. Das von dem brachtes Rotorelement 23 trägt. Das andere Ende Generator 47 ausgeübte Drehmoment wirkt daraufdes Körpers 20 besteht aus einer Kappe 24 aus 40 hin auf den Körper 20 ein, so daß dieser in seine Opoxyharz, welche starr mit dem Körper 20 verbun- Nullage zurückkehrt. .
den ist. In die Kappe 24 ist eine spulenförmige Dreh- In der Kammer 15 ist ein Faltenbalg 49 zum Ausmomentwicklung eingelagert, deren Wirkungsweise gleich volumetrischer Änderungen der Flüssigkeit 40 weiter unten erläutert wird. Durch die Kappe 24 ragen infolge von Temperaturschwankungen vorgesehen,
mit verteiltem Winkelabstand mehrere Durchbrüche 45 Wenn sich der Körper 20 in der Kammer 15 befin-25. Der Körper 20 ist innerhalb der Kammer 15 det, steht ein Ende des Nebenkanals 18 auf der einen durch 2 Lager 30, 31 längs der Ausgangsachse 16 Seite des Dämpfungsspaltes 26 mit der Kammer 15 in drehbar gelagert. Das Lager 30 besitzt einen starr mit Verbindung. Das andere Ende jedes ringförmigen dem Körper verbundenen und sich längs der Aus- Nebenkanals steht auf der anderen Seite des Spaltes gangsachse 16 erstreckenden Zapfen 32 sowie dar- 50 26 mit der Kammer in Verbindung. Die Flüssigkeit über hinaus noch einen Lageredelstein. Dieser Lager- 40 kann also von der einen Seite des als seismische edelstein ist in einer Vertiefung 34 innerhalb einer Masse wirkenden Körpers 20 zur anderen durch Halterung 35 derart angeordnet, daß er zur Ausgangs- einen Nebenkänal 18 gelangen, ohne daß sie hierzu achse 16 symmetrisch liegt. Die Halterung 35 ist durch den Dämpfungsspalt 26 fließen müßte,
starr mit dem topfförmigen Teil 13 des Gehäuses 11 55 Im Betrieb sitzt der .Pendelbeschleunigungsmesser verbunden. Das Lager 30 enthält außerdem weitere 10 in oder an einem Fahrzeug, dessen Beschleunigung Lageredelsteine 36, die in der Vertiefung 34 an- gemessen werden soll. Die auf die Beschleunigung geordnet sind und auf dem Umfang des Zapfens 32 ansprechende Beschleunigungsachse 19 ist auf die verteilt radial zur Ausgangsachse 16 angeordnet sind. Richtung ausgerichtet, längs der die Beschleunigung Der Lageredelstein 33 nimmt somit axiale Lager- 60 gemessen werden soll. Da der Körper 20 seiner Nakräfte auf, während die weiteren Lageredelsteine 36 tür nach eine Pendelmasse ist und zur Drehung um radiale Kräfte. aufzunehmen in der Lage sind. Der die Ausgangsachse 16 durch eine reibungsarnie La-Zapfen 32 reicht in die Vertiefung 24 hinein, so daß gerung gelagert ist, bewirkt eine Beschleunigung er von den weiteren Lageredelsteinen umgeben und längs der Beschleunigungsachse 19 eine Drehung des auf den Lageredelstein 33 in axialer Richtung ausge- 65 Körpers 20. Der Betrag der Drehung des Körpers 20 richtet ist. Das Lager 30 hat eine sehr gute Reibung, wird von dem Signalgenerator 44 erfaßt. Die Dredie nur dadurch zustande kommt, daß der Zapfen 32 hung des Körpers 20 wird durch die Flüssigkeit 40 an einigen Stellen den Lageredelstein 33 und die wei- gedämpft. Der Signalgenerator 44 erzeugt ein den

Betrag der Drehung des Körpers 20 anzeigendes Signal, welches durch in der Zeichnung nicht dargestellte Verstärker außerhalb des Meßinstrumentes verstärkt und dem Drehmomentgenerator 47 zügeführt wird. Der Drehmomentgenerator 47 erteilt dem Körper 20 eine Kraft, die diesen in seine Nullage zurückzubringen versucht. Die Größe des von dem Signalgenerator 44 an den Drehmomentgenerator 47 abgegebenen Signals ist ein Maß für die dem Pendelbeschleunigungsmesser 10 erteilte Beschleunigung. Es ist allerdings verständlich, daß jede Veränderung im Ausgangssignal infolge von Kräften, die nicht auf der zugeführten Beschleunigung beruhen (Nullunbestimmtheit), die Genauigkeit des Pendelbeschleunigungsmessers herabsetzen.

Zur Bestimmung der Nullunbestimmtheit in Riehrung der vertikalen Achse wird der Pendelbeschleunigungsmesser zuerst mit vertikal ausgerichteter Ausgangsachse 16 stabilisiert und dabei sein Ausgangssignal bestimmt. Dann wird der Pendelbeschleunigungsmesser 10 räumlich versetzt oder verschoben, so daß die Ausgangsachse für eine kurze Zeit etwa waagerecht liegt. Dabei wird der Pendelbeschleunigungsmesser einer Beschleunigung längs seiner Eingangsachse unterworfen. Wird nun die Ausgangsachse des Pendelbeschleunigungsmessers wieder in die vertikale Lage zurückgeführt, so sollte das in dieser Stellung gewonnene Ausgangssignal eine Abweichung gegenüber dem zuerst gemessenen Ausgangssignal von 10 · 10~⁵ g nicht übersteigen.

Wie oben schon angegeben, erlauben die Lager 30 und 31 eine begrenzte axiale Bewegung des Körpers 20 längs der Ausgangsachse 16 infolge des axialen Lagerspiels. Wird der Pendelbeschleunigungsmesser 10 umgedreht, so werden auf den Körper 20 eine Reihe von Kräften ausgeübt. Diese axial gerichteten Kräfte schließen ein:

1. Beschleunigungsschwerkräfte infolge des Unterschiedes des Gewichts und des Auftriebs in der Schwimmflüssigkeit des Körpers 20,

2. magnetische axiale Zentrierkrafte aus dem S₁-gnalgenerator und dem Drehmomentgenerator

3. Flüssigkeitskräfte wegen der Konvektionsströme infolge der Inversion des »heißen« Endes des Beschleunigungsmessers.

Die Beschleunigungskraft ist temperaturabhängig, da die Dichte der Schwimmflüssigkeit 40 mit den Temperaturänderungen variiert. Ist die Temperatur der Flüssigkeit 40 derart, daß das Gewicht des Körpers 20 nicht voll aufgehoben ist, so wird die Beschleunigungskraft längs des Lotes auf den Körper nach unten gerichtet sein. Ändert sich die Dichte der Flüssigkeit derart, daß das Gewicht des Körpers 20 vollständig aufgehoben ist, so wird keine Beschleunigungskraft auf den Körper 20 einwirken. Nimmt nunmehr die Dichte der Flüssigkeit in einer Weise zu, daß das Gewicht des drehbaren Körpers mehr als aufgehoben wird, so ist die Beschleunigungskraft längs des Lotes auf den Körper aufwärts gerichtet. Da' eine vollständige Übereinstimmung des Gewichtes und der Auftriebskräfte praktisch nicht erreichbar ist, wird der als seismische Masse wirkende drehbare Körper 20 bei normalen Arbeitstemperaturen mit Absicht derart dimensioniert, daß die Auftriebskraft überwiegt, so daß die Beschleunigungskraft auf den Körper 20 längs des örtlichen Lotes nach oben wirkt. Die magnetischen axialen Zentrierkräfte aus dem Signal- und dem Drehmomentgenerator hängen nur von der Orientierung des Beschleunigungsmessers ab. Das heißt, daß sich diese Kräfte mit der Umkehr des Pendelbeschleunigungsmessers ebenfalls umkehren. Die Flüssigkeitskonvektionskräfte sind in bezug auf die Schwerkraft in ihrer Richtung konstant, d. h., daß die Flüssigkeitskonvektionsströme das Bestreben haben, unabhängig von der Arbeitstemperatur den drehbaren Körper nach oben zu treiben.

Der Erfinder hat nun gefunden, daß diese Kräfte alle in Kombination die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Pendelbcschleunigungsmessers nachteilig beeinflussen. Insbesondere hat sich gezeigt, daß bei Umkehr der Ausgangsachse 16 des Pendelbeschleunigungsmessers 10 die Zeit außerordentlich stark schwankt, die der Körper 20 benötigt, um aus dem Eingriff mit dem einen Lageredelstein, beispielsweise 33, in den Eingriff mit dem anderen Lageredelstein zu kommen. Manche Meßinstrumente der eingangs geschilderten Art brauchen beispielsweise einen zwischen einer und sechs Stunden liegenden Zeitraum, um diese geringe axiale Strecke durch die Relativbewegung des drehbaren Körpers 20 zu überbrücken. Diese Zeitschwankungen für seismische Massen zur Durchquerung des Ausgangsachsenspiels von einem Ende zum anderen bilden, wie die Anmelderin festgestellt hat, einen erheblichen Anteil der Ursache für die Nullunbestimmtheit, da nicht vörhersehbare Ubergangsdrehmomente durch die Bewegung der Aufhängung erzeugt werden. Dies ruft Schwankungen in den Nullablesungen hervor, die während dieses Zeitraumes gemacht werden und führt zu einer Herabsetzung der Meßgenauigkeit der bekannten Meßinstrumente der eingangs geschilderten Art.

?^ie Anmelderin hat die erfindungsgemäße Ausgestaltung von Beschleunigungsmessern gezeigt. Hierzu Jenen im Ausfuhrungsbeis_piel Nebenkanale 18 im Gehäuse 11. Das Ende eines ieden Nebenkanals 18 _{steht in} Verbindung mit der Kammer 15 auf der _{dnen Sdte des D}ä_mpfungsspaltes 26. Das andere Ende jedes Nebenkanals 18 steht am anderen'Ende des Dämpfungsspaltes 26 mit der Kammer 15 in Verbindung. Wenn der Pendelbeschleunigungsmesser 10 aus seiner stabilisierten Lage versetzt wird, wobei die Ausgangsachse 16 lotrecht liegt, ist der Körper 20 bestrebt, sich längs der Ausgangsachse 16 zu ver-

schieben. . ·<

Diese axiale Verschiebung ist am größten, wenn

. der Pendelbeschleunigungsmesser 10 in seiner Lage umgekehrt wird. Wenn sich der Körper 20 innerhalb

der Kammer 15 in seiner Axialrichtung verschiebt, wird die Flüssigkeit 40 von der einen Seite des Körpers 20 zur anderen gedrückt. Dabei sind der Dämpfungsspalt 26 und die Nebenkanale 18 die einzigen Durchlässe, durch die die Flüssigkeit 40 von der einen Seite des Körpers 20 zu dessen anderer Seite gelangen kann. Die Flüssigkeit 40, die sich im Inneren der Kappe 24 des Drehmomentgenerators 47 befindet, kann durch die Durchbrüche 25 in radialer Richtung nach außen fließen und so die Nebenkanale 18 erreichen. Der Dämpfungsspalt 26 hat einen sehr viel höheren Strömungswiderstand für die Flüssigkeit 40 als die Nebenkanäle 18. Wegen der Wichtigkeit der Dämpfungsfunktion, die durch den Dämpfungsspalt 26 ausgeführt wird, ist es aber unmöglich, des-

sen Abmessungen zu vergrößern. Wie oben schon erläutert, sind die Nebenkanäle 18 größer als der Dämpfungsspalt 26, wie sich auch aus der Zeichnung ablesen läßt. In der Praxis hat der Dämpfungsspalt etwa eine Breite von 125 μΐη. Die. Nebenkanäle haben ungefähr die neunfache Breite, also etwa 1,15 mm. Folglich fließt, wenn der Pendelbeschleunigungsmesser in seiner Lage umgekehrt wird, der weitaus größte Teil der Flüssigkeit 40 von der einen Seite des Körpers 20 durch die Nebenkanäle 18 zu

dessen anderer Seite. Dies vermindert erheblich die Zeit, die der Körper 20 braucht, um sich axial längs der Ausgangsachse 16 von dem einen axial gerichteten Lageredelstein zu dem anderen axial gerichteten Lageredelstein zu bewegen. Daraus folgt, daß die Nullunbestimmtheit bei vertikaler Ausgangsachse im wesentlichen beseitigt und die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Pendelbeschleunigungsmessers wie auch anderer entsprechend aufgebauter Meßinstrumente ganz erheblich gesteigert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 409619/192

Claims

Patentansprüche:

1. Meßinstrument mit Schwimmsensor, 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 umgebenden Flüssigkeit, gekennzeichnet durch einen Nebenkanal oder Nebenkanäle (18) innerhalb des Gehäuses (11), in dem bzw. in denen die Füssigkeit (40) ohne im Dämpfungsspalt (26) zu strömen in axialer Richtung am drehbaren Körper (20) vorbeiführbar ist.

2. Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signalgenerator (44) vorgesehen ist, der ein Signal zu erzeugen vermag, daß die Winkelbewegung des drehbaren Körpers (20) in bezug auf das Gehäuse (11) anzeigt.

3. Meßinstrument nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Drehmomentgenerator (47), der auf den drehbaren Körper (20) ein Drehmoment ausübt.

4. Meßinstrument nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Körper (20) eine seismische Pendelmasse aufweist, die von der Flüssigkeit (40) durch Auftrieb getragen wird.

5. Meßinstrument nach den Ansprüchen 2,3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalausgang des Signalgenerators (44) dem Drehmomentgenerator (47) so zugeführt wird, daß dieser zur Ausübung einer Rückstellkraft auf die seismisehe Masse (20) veranlaßt wird.