DE1523211A1 - Pendelartiges Beschleunigungsmessgeraet - Google Patents

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DIPL-ING. HANS BEGRICH - DIPL-ING. ALFONS WASMEIER REGENSBURG 3 · LES S I NGSTRASSE 10 Patentanwalt· Bagrlch-Waimeler. MOP Ragentburg

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L/ώ Π1Ο

5. Mär* 1965 W/E

LITIOI IIDUSTRIES, Inc., 336 forth Foothill Road. Beverly Hill·, Calif., V.St.A.

"Pendelartige· Besohleunigungaaeaagerät"

Sie Erfindung besieht *ioh auf ein pendelartigee Beschleunigung·- aeaagerät alt einea extrea niedrigen Anaprechachwellvert und inebeeondere auf ein pendelartige· DrehBoaentabgleich-Beachleunigungeaesegerät, da· eine Pendelträgeranordnung aufweist, die in der Weise arbeitet, dass sie die statische Reibung aufhebt und die kinetische Reibung in den Pendelträgerlagern wesentlich verhindert, daait das Besohleunigungssiessgerät empfindlicher und genauer wird, indes die Schwelle des BesohleunigungsBessgerätes und die lull-Unsioherheit herabgesetst werden sowie die Linearität über einen weiten Bereich der aufgebrachten Beschleunigung «»glichet gun·tig gehalten wird.

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Ein Besohleunigungsaessgerät ist ein Gerät zur Beetluiung der Beschleunigung eines eich bewegenden Fahrzeuge·· In der Trägheitsnavigation ist ein Beechleunigungsaessgerät ein Gefeit, das Beschleunigungskraft· feststellt, die dea Gerät in einea bestimmten Sinne zugeführt werden und das in Abhängigkeit davon ein proportionales Ausgangssignal erzeugt. Eine Hauptanwendung der Beschleunigungsmessgeräte liegt in der Trägheitsnavigation und in der astronomischen navigation von Luft- und Raumfahrzeugen.

Bei solchen Anordnungen sind Beschleunlgungsaessgeräte an einea stabilen Element befestigt, das ein bestimmtes Koordinatensystem einer Trägheitsplattfora festlegt, sodass Fahrzeugbeschleunigungen längs bekannter Koordinatenachsen festgestellt werden. Durch fortlaufend· Integrieren der Fahrzeugbeschleunigungen, die von den Beschleunlgungsaessgeräten angezeigt werden, können die Geschwindigkeit, die Lage und die Entfernung des Fahrzeuges, die relativ zum Startpunkt zurückgelegt worden ist, kontinuierlich bestimmt werden. Da zu einer einwandfreien Fuhrung des Fahrzeuges das FUhrungssystea die Geschwindigkeit und die Lage des Fahrzeuges genau berechnen können muss, folgt daraus, dass die Empfindlichkeit und die Feststellgenauigkeit, mit der die Besohleunigungaaessgeräts arbeiten, letztlich die Genauigkeit des Führungssysteas beeinflussen.

Ss wurde bereits versucht» die Beechleunlgungsaessgeräte eapfl: Hoher und genauer zu bauen· Bsi dem grundlegenden ρendelfOral gen Besohleunigungsaessgerät, wie ·· z.B. In DBP 1,125*690 ss-

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•einrieben lat, wird ein pendelfor»igta Eleaent verwendet, da« Innerhalb ainaa BeachleunigungsBessgerätegehäuses von zwei koaxial ausgerichteten Stjltslagern gehalten wird, die aintrBewegung dea pend eiförmigen Eleaentee gegen ein Verdrehen in einer Ebene üb eine Rotationsachse, welche von den StUtKlagern bestimmt wird, entgegenwirken. Eine willkürliche neutrale Stellung dea ρendeiförmigen Elementββ bestimmt die Pendelachae dea Beschleunigungsaessgerätes. Aufgrund dea Haaaenungleichgewiohtea wird daa pendelfuraige Element von dieaer neutralen Stellung üb die Rotationaachae aufgrund einea Kräfteungleichgewichtes veraohwenkt, daa aenkrecht sowohl sur Rotationeaeb.ee ala auoh zur Pendelachae dea Beechleunigungeaeaagerätea, d.h. länge einer aog. "empfindlichen Aohae" erseugt wird. Eine Vorrichtung ateilt die Abweichung dea ρendeiförmigen Eleaentee aua aeiner neutralen Stellung in Abhängigkeit von Besohleunigungakräftan fest und erseugt ein Signal proportional der angezeigten Grosse der Verschiebung. Bei den aeiaten BeachleunigungSBessgeräten wird ein Abgleichdrehmoment dem ρendeiförmigen Element über ein Paar Krafteinheiten cugefUhrt, die in Abhängigkeit von dem durch die Feststellvorrichtung erzeugten Signal arbeiten, um daa Element in einer aBgllchst weltgehenden linearen Meaateilung eu halten. Die Proportionalitätekonstante «wischen der Grosse der aufgebrachten Beschleunigung und der GrOsse des Zählerdrehmomentes wird der Skalenfaktor des Besohleunigungsmessgerätes genannt. Bei der Konatruktion eines Besohleunigungsaessgerätee soll der Skalenfaktor Über einen weiten Bereich von auftretenden Beschleunigungen konstant sein, well daa Gerät weniger kompliziert und genauer gebaut werden kann, falls Änderungen des Skalenfaktore

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nicht ausβerhalb kompensiert werden Bussen. Man hat jedoch festgestellt, dass Beibungsdrehmomente, die in den Stützlager* dee Pendelelementes erzeugt werden» bewirken, dass der Skalenfaktor eines Beschleunigungsmeesgerätee ziemlich inkonstant wird, selbst wenn das Beechleunigungsmessgerät so ausgelegt ist, dass es in eeinea Inneren bis zu einen bestimmten Grade thermisch induzierte Änderungen im Skalenfaktor von selbst auegleicht.

In den letzten Jahren wurden umfangreiche Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um die bei Beschleunigungemeeegeräten auftretenden Fehlerquellen zu beseitigen, nämlich das Vorhandensein von Reibung in den Lagern, die die Pendelstasee tragen. Man hat festgestellt, dass die verhältnismässig hohen Reibungedrehmomente, die in den Pendelstützlagern aufgrund von statischer Reibung erzeugt wurden, die Empfindlichkeit eines Besohleunigungsmessgerätes wesentlich herabsetzen, da ein bestimmter Beschleunigungswert in das Beschleunigungsmessgerät eingeführt werden aums, bevor das Pendelelement sich zu drehen beginnt. Somit begrenzen auch solche Reibungsdrehmomente die Verwendbarkeit des Beschleunigungsmeesgerätee sehr stark. Ferner bewirken die Reibeinflüese, die zur kinetischen, in den Stutslagern auftretenden Reibung beitragen, dass das Ansprechen des Beschleunigungemesegerätes auf unterschiedliche Werte der aufgebrachten Beschleunigung nicht linear 1st. Um diese durch Reibung eingeführten Beschränkungen auf ein Minimus herabzusetzen, war es notwendig, ein Besohleunigungsüeeegerät zu bauen, das ein schwebendes, pendelföralfes Element aufweist, welches in eine inerte PIotationsflüesigkelt eingetaucht ist, damit das Gewicht des pendelfBrmigen Elementes durch Auftriebskräfte getragen wird. Die Bs-

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lastung, dis von den Pendelstütslagern aufgenommen wird, wird dadrch vermindert, und auf diese Weise wird die Lagerreibung proportional verringert.

Man hat aber erkannt, dass sogar in Beschleunigungsmessgeräten mit sognanntem schwebenden Pendel eine Reibberührung in den Lagern vorhanden ist (teilweise aufgrund von Dichteänderungen der flotationsflüssigkeit aufgrund der temperatur), die der Bewegung des ρendeiförmigen Elementes in Abhängigkeit von den aufgebrachten Beschleunigungen entgegenwirkt. Diese Reibwirkung tritt zu Anfang in den Stützlagern als statische Reibung auf, die überwunden werden muss, bevor das Pendeleleaent sich ua die Rotationsachse su drehen beginnt. Diese etatische Reibung begrenzt die Schwellempfindlichkeit des Beschleunigungemess~ gerätes (die kleinste Änderung in der Geschwindigkeit, die die Erzeugung eines Ausgangssignales durch das Beschleunigungsneeegerät ergibt) in der Weise, dass es shwierig wird, sehr kleine Beechleunigungskräfte zu messen. Zusätzlich tritt die Reibungswirkungais kinetische Reibung in den Lagern auf, wenn das Pendeleleaent schwingt; diese kinetische Koitiung bewirkt die Hichtlinearität des Skalenfaktors des Besehleunigungsnessgerätes. Zwar trifft es zu, dass durch schwebende Anordnung des Pendele die Empfindlichkeit des Instrumentes verbessert wird; bei vielen Trägheitsaawendungen, bei denen die Terwendung von Besohleunigungsmessgeräten erforderlich ist, und die Sohwellempfindlich-

-5 keiten in der Oröeienordnung von 1 χ 10 g besitzen, haben jedoch kleine Ungsnauigkeiten in der Empfindlichkeit und im Skalenfaktor, die durch Legerreibungen eingeführt werden, schwerwiegends folgen.

Unter Berücksichtigung dieser un· anderer Schwierigkeiten bisher

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entwickelter pendelartiger Besohleunlgungsmesegeräte wird gemä88 der Erfindung ein pendelartigee Beschleunigungsmessgerät vorgeschlagen, das ein Stützbauteil verwendet, welches in Richtung der Dreh- oder Schwenkachse, die das Pendelelement innerhalb eines mit Flotatlonsfltisslgkeit gefüllten Besohleunigungsmesegerätegehäuees aufnimmt, vibriert. Durch kontinuierliches Vibrieren dieses Stutzbauteiles werden die meisten nachteiligen Einflüsse der Reibung aufgehoben. Die Yibrationsbewegung dee Pendeletutzbauteiles in den Beschleunigungemeesgerät gemäas der Erfindung wird in dieser Technik normalerweise als "Zittern" bezeichnet. Im Laufe der Beechleunlgermeesgeräteentwlcklung sind beim Bau von Beschleunigungsmessgeräten Zitternechanismen nie mit Erfolgt verwendet worden. Dies rHhrt teilweise daher, dass eine Kopplung zwischen der Zittervibration und den Ansprechen dee pendeiförmigen Elementes auf Beschleunigungekräfte vorhanden 1st, wenn das Zittern nicht mit einer wesentlich anderen Frequenz als die Erregerfrequenz der Verschlebungsfest-8teilvorrichtung eingeführt wird, und teilweise daher, dass keine Zittermechanismen vorhanden waren, die in Besohleunigungsmeesgeräten verwendet werden konnten, welche auf Trägheitsplattformen eingesetzt wurden, ohne dass eine ein Signal erzeugende Sohaltung und besondere Schleifringe zu dem Flattformsyetem erforderlich waren. Wenn Zittermechanismen vorgeschlagen worden sind, 1st man stets davon ausgegangen, dass das Zittern mit einer wesentlich anderen frequenz als der Frequenz der Erregung der Terechiebungefeststellvorrichtung erfolgen muee. Der Frequenzunterschied ermöglicht, dass ein Filterkreis Im Beschleunigungsmeesgeräte-Ausgsjigssignal einfach die durch das Zittern eingeführte Komponemte von der Pendelverschiebungskosponeate unterscheid·*. Ua bekannte Zitteraechaniemen mit einer

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anderen frequenz als der Erregerfrequenz der VerBcliiebungsfest-βteilvorrichtung zu "betreiben, ist ee notwendig, einen besonderen Satz von Schleifringen an den kardanischen Punkten des stabilen Plattformelementes vorzusehen. Der Satz von Schleifringen führt das Zitterfrequenzsignal von der Sigiialerzeuguhgsschaltung des Plattfornsyetems auf die Stelle des Beechleunigungsmeesgerätes auf dem stabilen Element Über. Weil Gewicht und Grftsse von wesentlicher Bedeutung für ein Trägheitsnavigationesystem sind, spricht die Hotwendigkeit, ein Beschleunigungemesegerät mit zwei unterschiedlichen. Signalen zu speisen, was dae Vorhandensein der beiden zusätzlichen Sätze von Schleifringen und eines zusätzlichen Signalgenerators erfordert, gegen die Vorteile, die durch die Einführung des Zitterns erzielt werden* Wie bereits oben ausgeführt worden ist, ergibt das Zittern bei bekannten Beschleunigungsmesageräten eine Kopplung mit anderen Kräften, die des Beschleunigungsaessgerät zugeführt werden, wodurch dem Pendelelement ein Drehmoment aufgegeben wird. Das Ansprechen des Pendelelementes auf das Drehmoment wird von der Verschiebungsfeinstellvorrichtung als Beschleunigung gewertet, wodurch ein Fehlersignal in das FÜhrungssystem eingeführt wird.

Andererseits ist in dem Beschleunigungemeeegerät gemäße der Erfindung der Zittermechanismus so aufgebaut, dass er mit der gleichen Frequenz wie die Verechiebungsfeetetellvorrichtung erregt werden kann, wodurch die zusätzliche Verkomplizierung aufgrund von besonderen Schaltungen und ein zusätzliches Gewicht durch die Schleifringe vermieden werden kann. Eine besonders zweckmäeeige Anordnung wird genäse dsr Erfindung zur Einführung der Zitterbewegung in die Stutslager verwendet, wobei die Zitterbewegung das Ansprechen de· Besohleunlgungsaese-

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gerätes wesentlich verbessert. Das Zittern wird dabei nicht in den lieschleuni&ungsiaessgeräteauBgang eingekoppelt, weil es durch eine Anordnung in einem Sinne parallel zur Aehee, die von den Stutzlagern festgelegt wird, zugeführt wird. idatSjjruckerid wird in einem iiusfUhrungsbeispiel nach der Erfindung die Fähigkeit dee Pendelstützelementee, mit der gleichen Frequenz zu vibrieren, mit cer die Verachiebungsfeststellvorrichtungen erregt werden, dadurch erreicht, daaa das Stützbauteil aus eisenhaltigem Material hergestellt wird, dus in seiner !Form ähnlich einer Stimmgabel auegebildet let (d.h. U-formic)» welche eine bestimmte Resonanzfrequenz besitzt. Unterhalb einer jeden Zinke ist ein Elektromagnet angeoxi· not, wobei die Gabel mit dem Beschleunigungsmessgeräte-Gehäuse verbunden ist. Die beiden Elektromagneten sind in Reihe geschaltet, eodft.es sie abwechselnd ihre entsprechenden Zinken gemeinsam anziehen und abstossen» wenn sie von einem Wechselstrom betätigt werden. Wie weiter unten noch im einzelnen ausgeführt, tritt nahezu die gesamte Vibration in rechtem Winkel zu der "empfindlichen Achse" des Beschleunigungsmesegerätes auf; zwei Verschie bungβfeetstellvorrichtungen (die so aufgebaut sind, dass sie nicht auf reine tranelationeverschiebung des Pendelelementee ansprechen) erzeugen keine fehlerhaften Signale in Abhängigkeit von der Vibrationsbewegung. Die Vibrationsbewegurig in Richtung der Schwenkachse» die in die Pendels tut elager durch die Zinken des U-föraigen PedelstUtzbauteiles eingeführt wire t überwindet jedoch die Lagerreibung so weitgehend, dass die Verechlebungsfesteteilvorrichtungen Euverläaeig eine Pendelverechiebung aufgrund von Beschleunigungen in der

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öröseenordnung von 1 χ 10 g oder besser anaeigen· Oh dies in den Beaohleuxiicunfajnesageräten geaäaa der Erfindung su erreichen, wirÄ d&a Xittern de· ?<gaA®latttttalmttteilea in de« erfiadungage-

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massen Deschleunigungsmessgerät so gewählt, dass es jeden Schwenkzapfen (zweier edelsteingelagerter Pendelstütslager, deren jedes einen Drehzapfen und ein entsprechendes Edeist einzuteilen besitzt) in Bewegung hält. Jeder Drehzapfen ist dynastisch in dem entsprechenden Edelsteinhütchen aufgrund des periodisch auftretenden Bnddruckes auf jedes der beiden Lager zentriert. Bei dem Auaführungabeispiel des Beachleunigungsmessgerätes gemüse der Erfindung tritt das Vibrationaiaoment, obgleich es in einem Sinne senkrecht zur Rotations- oder Drehachse des Pendeleleaentes, wie es durch die Pendeletützlagor bestimmt wird, eingeführt wird, etwa in einen Sinne parallel zur Rotationsachse in einer solchen Weise auf, daaa die statische Reibung zwischen den Edelsteinen und den Dr£za£,fen vollständig auegeschaltet wird. Durch Aufhebung der statischen Reibung in dec Pendelstützlagern wird das BeacliledjaigungBiaeaegerat besonders empfindlich gegenüber sehr kleinen aufgebrachten Beschleunigungen. Wenn darüber hinaus eine Drehbewegung zwischen den Edelsteinen und ihren Drehzapfen durch aufgebrachte Beschleunigungen vorhanden ist, wird die kinetische Reibungskraft zwischen den Edelsteinen und den Lagerhüteben wesentlich vermindert und auf einem weitgehend konstanten, niedrigen Wert gehalten. Wenn die kinetische iieibungskraft auf einem vorbestimmten, konstanten Wert gehalten 9ird, wird der Skalanfaktor des Beschleunigungsmeesgerätee stabilisiert und seine Linearität wesentlich verbessert.

£s ist deshalb Ziel der Erfindung, sin pendelartiges Beschleunigungsmessgerät anzugeben, das einen niedrigeren AnspraolDA schwellwert besitzt als bekannte, mit schwebendem Pendel arbeitend· Besohleunigungsaeeegeräte.

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Ein weitere· Ziel der Erfindung besteht in einen pendelartigen Beschleunigungsaesegerat, d·· eine gröeaere Linearität als bekannte» alt schwebendem Pendel arbeitende Beechleunigungsmessgeräte in Abhängigkeit von einem weiten Beschleunigung*- bereich aufweist.

Ferner soll ein alt schwebendes Pendel arbeitendes Messgerät vorgeschlagen werden, das ein in Vibrationen versetzbares Pendeletutzbauteil enthält, das alt einer Frequenz vibriert» dfe etwa gleich der Erreger!requenz der Verschiebungsfeststellvorrichtungen dee Pendel elemente« oder mit einer ilaraoniechen vibriert, um die statische Reibung auszuschalten und die kinetische Reibung in den Stutzlagern dee Jb* end el el ein ent es auglichst gering und konstant zu halten.

Vielter ist es Ziel der Gründung, die statische Reibung in Pendelatütsl&gern au behüben sowie die kinetische xieibung Ic Psndel-•tütnlag®ra au vermindern und etwa aul eine» konstanten Wert zu halten» wenn das Pendeleleaent in Schwingung versetzt wird.

Schllesslioh ist auch Ziel der Erfindung ein Kechanisaus zur Slnführung einer Zitterbewegung parallel zur Eotationsaohse eines alt ^chwebendea Pendel arbeitenden Beschleunigungsaessgerätes, wobei die Verschiebungsfest»teilvorrichtungen so ausgelegt eind, dass sie auf die Zitterbewegung nicht ansprechen.

lachstehemd wird die Krfladung in Verbindung alt der Zeichnung an einea luslührungsbeisplel erläutert. Le stellen dart

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Fig.l ein· isometrisch« Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines alt schwebendes Pendel arbeitenden Beschleunigungsaesegerätes genäse der Erfindung in auseinandergebogener Fora»

flg. la die Orientierung von drei Betriebsachsan des frevorzugten AusfUhrungsbelepiels des Beschleiraigungsiiessgerätee nach fig. I,

Pig. 2 eine Seitenansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Beschleunlgungsaessgerätee nach Fig. 1 in zusaaaengebauter Porst, wobei in Fig. 2 verschiedene Absohnitte längs der Linie 2-2 in Fig. 3 entfernt sind, um Teile des Beschleunigungefflesegerätee eu zeigen, die sonst verdeckt sind.

Flg. 3 eine Ansicht des Grundaufbaues des Besohleunigungsjaeesgerätos nach den Fig. 1 und 2 von oben, wobei das Eleaent so gezeigt ist« *ie es aussieht, wenn es von der BeschleimigiingsBsss vor richtung entfernt 1st,

Pig* 4 eine Querechnittsansicht des cusaaaengebauten bevorzugten AusfUhrungsbelspieles des Beschleunigungsaessgerätes nach den Flg. 1 und 2» und

Fig. 5 teilweise la Blockdiagraaa und teilweise ia Schaltdla-

graaa die elektrischen Yerblndungen zwischen den Einheiten der BeschleiuiiguBgaaessvorrlchtung geaäss der Erfindung.

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In den Zeichnung en sind gleiche oder entsprechende !feile in allen Ansichten gleich beziffert; in PigJL let in aueeinandergezogener ?ors» ein« Isometrische Ansicht eine« pendelartigen BeschleunigungssieisßgeräteB 10 gezeigt, das gemäes 4er Erfindung *o ausgelegt ist, dass es einen niedrigen Ansprechsohwellwert besitzt. Se.« Besohleunigungsmeesgerät 10 weist ein örundelement 11 auf, auf welchen ein U-föraiges Bauteil 15 befestigt ist, das ale "GaI^i" bezeichnet werden soll, und «war in Übereinstimmung alt seiner Funktion, da ae swiechen seinen Armen ein schwebendes, pendelartiges Element 1$ aufniant. Zwei Edelsteinhütchen 25 (von denen nur eines geneigt let) und fswei Drehzapfen 23» die als ein Edeleteinlagerpaar wirken, nehmen drehbar das pendelartige Eleawrat 19 innerhalb des Eanaee zwischen den Armen d«e U-f3reigen Bauteiles auf. In Abhängigkeit Ton Besohleunigungskärften, die parallel jsu einer eepfindlichen Achse des B«echleuxLicungsftAssgerätes aufgebrauht werden» und senkrecht eur Rotationsachse« wie sie durch die beiden Edelsteinlager festgelegt ist, versucht $&e pendelartige Kleaent aufgrund des MassenungleIchgewichtes eich um die Rotationsachse zu drehen. Mit Hilfe sweier Abnalbiseeigmalgeneratoren 21 und 22, dl» auf dem ßruiuSeleaent 11 in der Iahe des einen und des anderen Endes des pendelartigen Elementes 19 befestigt sind, wird das Bestreben des psndelartigen Elementes 19t sieh jsu drehen, in eis proportionales Stellungefehlsrsigiiftl uagewandelt. SIn Demdulator-Teretärker 37 spricht auf das Stelluxigsfehlereignal an und «rssugt davon ein DrehmoBsntalgnal» das awei Krafteinheitea 29 und 30 aufgegeben wird. Jede Krafteinhtit enthält •inen Brenaoaentaagnet 33 und eine Drehpoaentspule 55, die auf des Orundeleaent 11 und des pendelartigen Eleaent 19 Ia einer solchen Welse befestigt sind, da«s sie aiteinander in Deckung

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körnen, wenn daa Beschleunlgungsaessgerät 10 fertig zusammengebaut iat. Die Krafteinheiten 29 und 30 arbeiten in der Weise, daee ale den pendelartigen Element 19 ein Rücketsi!moment aufgaben, üb dleeee In einer neutralen Lage zu halten» die hier al· Pendelachse Pl beseichnet tat. Daa it dae pendelartige Eleaent 19 floh durch die aufgebrachten Beachleunigungskräfte ohne Reibungenrarzggerung In den Edelsteinstütslagera frei drehen cder verschwenken kann, sind zwei Elektromagneten 13 und 17 In den Grundsleasnt 11 befestigt, und zwar je einer unterhalb einer jeden Sinke der dabei, die daa TT-föraigt Bauteil 15 1st. Die Elektromagneten 13 und 17 sind in Reihe gekoppelt und nennen beid« ein VechaelstroBbezugseignal puf, ßaa auch dea Paar von Attnahaeeignalgsneratoren 21 und 22 zugeführt wird. Das U-fBraige Bauteil 15 ist so ausgelegt, dass «· ic der Gestalt «liier Abstimmgabel alt einer Torge&*fc«i?,sj& &#ij»y£UJ3:e frequenz älmljlcii. Ist, In Abhängigkeit von dea &S£«l9£t3.~« fe'«^fc-il-Stroab#ssug8s5g&al bewirken dia beiden ELektroaagn«ten 13 '^d 17» dass da« !l-f&ralge Bauteil 1$ alt ssiner RAeonaiisfre^ien^ ribdert. Me Tlbrationsbevsgung, die als "Zittere* beseichnet wird, tritt etwa In Hlohtung dsr notations- oder 2)reh&ch»& auf, eodass ils Dr«ib£&pf«a 23 keine «erkllche Berührung mi\ ILreiu Mitsprechenden XdslstelnhUtchan 25 ergeben. Die daxtlaohen erzeugten Belbungskxäfts warden dadurch vsssntlioh reratndert.

Aus der folgs&ien Beschreieung srglbt sioh, dass der Meohaaiaaus ▼orllegeai«? Brflniung *ur Einführung das Zitterna in die Pendelstatalager la vielen Tersehiedenen JLrten bekaaater Besohleunigungeneeagerite und Trägheiteinstruaente rerweniet werden kann. 91s Verwendung sins· solohen iitteraeohaniaaua bei einer bevorzugten AusfUhrungsfora iss alt schwebendea Pendel arbeitenden

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Drehmoffientabgleich-Beechleunigungemeeigerätee ergibt Jedoch •in erheblich bessert« Messgerät alt eine» extrem niedrigen Ansprechschwellwert und weit besseren Skalenfaktoreigenschaften. Eine solche bevorzugte Ausführung eines Besohleunigungamessgerätes ist in der eingangs erwähnten Deutschen Patentschrift Hr, 1,125,690 erläutert. In Übereinstimmung mit diesem Patent ist aas peaäelartige Element 19 des vorliegenden Beachleunigungameaagerätee so aufgebaut, daaa sein Auftriebsmittelpunkt und sein Mafisenmittelpunkt um bestimmte Abstände von der Rotationsachse aut jeder Seite versetzt sind. Dieses Merkmal ergibt die inderuages. im aalenfaktor, die durch aufgrund der Temperatur iniujsierte Änderungen in der Hagnetfeldstärke der Permanentmagneten 33» der Krafteinheiten 29 und 30 bewirkt werden, daait dea l&dörungea des Skalenfaktors entgegengewirkt wird, die d«< tos der Temperatur induzierten Auftriebekräfteänderungen der E^t^tiopsflüssigkelt »ususohrelbsii 1st, welche die Räume #»1·οη·ιι ⁽Uft örundelement 11 und einem Abdeoktell 12 füllt. %ixS »in Besahleunigungsmessgerät erhalten, ü&» extrem a^'btitet, weil erstens die »tatische Reibm&g in den Pendslm aufgiBhoben vmi die kinetische l$ihimg vermindert,

sich

kn>xistant gehaltem worden 1st» anstatt dass »ie /nichtändert» und sweitsns, weil das Besohleunigungemessgtrafc gsgenübar Einflüssen isr umgsbungstsmpsratur unem-

pfimdlieh ist.

Wl« bsreits erwähnt, ist das pendelartige Element 19 so bef«stift_t d&as es sich frei um «eine Drehachee in Abhängigkeit Toa Besohl«unigungskräfttn, dl· senkrecht xu dieser Achse aufgebracht werden, bewegen kann.Pis verschiedenen Bstrlebsachssn

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des verllegenden BeschleunigungemessgeräteB lassen sich mit Hilfe der Fig. la erkennen. In dieser Fig. la sind die drei wechselseitig senkrecht stehenden Acheen einee pendelertigen Beschleunigungsineesgerütes dargestellt, die parallel zu entsprechenden Achsen des B schleunigungsmeßegerätes 10 nach ?ig. I gezeichnet sind. Insbesondere werden Beschleunigungen, die von einem derartigen BeechleunigungBinessgerät festgestellt werden sollen, parallel zu einer empfindlichen Achse SA aufgebracht. Diese zugeführten Beschleunigungen bewirken, dass sich die Pandelmaese des Beechleunigungsmessgerätes um eine Rotationsachse EA dreht, die durch die Pendelstutzlager bestimmt let, und die senkrecht zu der empfindlichen Achse liegt. In der neutralen Stellung (d.h., wenn keine unabgeglichew«Kräfte auf aas Pendelelement einwirken! bestimmt die Ruhestellung des Pendelelementes eine Pendelachse PA, die rechtwinklig sowohl zu der empfindlichen als auch der Rotationsachse liegt. Dementsprechend könnte man nach dem ersten Eindruck vermuten, dass das Pendel »äsen t 19 dadurch, dass CL Antriebskräfte parallel zu der empfindlichen Achse SA des Beschleanigungsmessgerätes 10 aufgebracht werden, von dem vibrierenden U-förmigen Bauteil 15 ungünstig beeinflusst würde und dadurch die Brseugvjng von fehlerhaften oder unverständlichen Beechleunigungssignalen ergeben würde, insbesondere, da die Vibration die gleiche Frequenz haben kann, mit der die Abnahmesigsalgeneratoren erregt werden. Bei dem Besohleunlgungsmessgerät gemüse der Erfindung tritt dieser Zustand wegen der Trägheit der Pendelmasse nicht auf. Ferner sind die Abnahmesignalgeneratoren 21 und 22 so ausgelegt, dass sie gegenüber einer reinen Tranelationsbewegung unempfindlich sind, sodass kleine Streu-Translationsbewegungen des Pendelelementes 19 nicht mit einer durch die Beschleunigung hervorgebrachten Pendelbewegung vermengt werden.

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Zum besseren Verständnis des innerem Aufbaue· de· Besohleunigungsmessgerätes 10 wird auf die Fig. 2 und 3 Besug genommen« In Fig. 2 ist das Beechleunigungemeeegerät 10 teilweise im Querschnitt in seitlicher Aneicht gezeigt, wobei da· Pendelelement 19 seine neutrale Stellung einnimmt. Seile der Abäeukanordnung 12 sind weggenommen gezeichnet, daait einer der beiden darin enthaltenen Expansionsbäl/ge 58 sichtbar iwird, Der freie Eaua zwischen des Srundelement 11 und der Abdeokanordnung ±2 wird mit einer inerten flotationsflüssigkeit geringer Viskosität, wie wie £.1« unter der Bezeichnung FLUEALUBS ia Handel ist, gefüllt, soda·· da· Pendeleleaent 19 schwebt und damit die τοη den Pendele tütelagern aufgenommene Belastung verringert wird.

Wie in Fig. 2 geseigt, 1st der 2ittermeohal«mu· (der da· U-förmige Bauteil oder £1« Gabel 15 und die Elektromagneten 15 und 17 enthält) in der Iahe des Mittelpunktes de· Beechleunigux»- aessgerätee 10 angeordnet. Au« den Fig. 2 und 5 ergibt «ich, dass der Elektromagnet 17 innerhalb eines zylindrischen Baumes 16 im Qrundelenent 11 untergebracht ist. In ähnlicher Weise ist der Elektromagnet 15 in einem Baum 14 vorgesehen; der Elektromagnet 13 und der Baum 14 sind in Fig. 2 nicht sichtbar, sie sind jedoch in Fig. 3 zu erkennen. Sie Ausnehmung der Elektromagneten innerhalb der Räum· hindert bei einer geeigneten Materialauewahl für da· Grundelement 11 die entsprechenden magnetischen Felder daran, da·· si· nur auf die Zinken de· U-föneigen Bauteile· 15 einwirken» soda·· si· nioht mit dem magnetischen Feld der Drehmomentnagneten 33 oder der Abnahmeeignalgeneratoren 21 und 22 zusammenarbeiten. Wie ferner in Fig. 2 ge-

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zeigt let, wird du· Pondelelement 19 durch da· U-förmige Bauteil ISt dessen Zinken die Drehzapfen 23 aufnehmen. In seiner Drehstellung gehalten· Venn das Pendele»ent IQ seine neutrale Stellung einnimmt, ist eine Abnahm«spulβ 26 eines jeden Abnahmeeignalgenerators gleich weit von jeder von vier einen Sats bildenden Erregerepulen 40, 41,42 und 43 entfernt. Jedor Satz von vier Irregerspulen ist in zwei Spulenpaare aufgeteilt, jedes Spulenpaar erseugt ein Hagnetfeld in Abhängigkeit von des angelegten Wechselstrombesugsslgnal, da« in seiner Gröeee gleich, in seiner Polarität jedoch entgegengesetzt dem Fold des anderen Paares ist (φ.. I¹Ig. 5)· Venn die Aenahmespule 26 in der neutralen Stellung steht, vird deshalb eine Bullspannung an der Spule 26 erzeugt. Zum Zwecke der besseren Parsteilung der Lage der anderen Teile des Abnahnesignalgenerators 22 sind die Erregerspulen 42 und 43 nicht gezeigt.

Die Einführung von Beschleunigungakräften in das Beschleunigungsmessgerät 10 parallel zur empfindlichen Achse SA, versucht) das P end element 19 von der -endela3h.ee PA un die liotationaachse IU wegzudrehen» Dies wird durch die Abnahmesignalgeneratoren 21 und 22 angezeigt. Wenn das Pendelelement sich zu drehen versucht, hebt sich eine Abnahmespule 26 von der neutralen Stellung nach oben ab und die andere Abnahmespule 26 von der neutralen Stellung nach unten. Ton den Endfluss, der mit den Srregerepulen gekojplt ist, wird eine Spannung in den A^nahmespulen 26 induziert, und diese^induzierte Spannung wird dem Demodulatorverstärker 37 aufgegeben. Aus der induzierten Spannung wird ein Yerachiebungsfehlersignal von dem Demodulator-verstärker 37 erzeugt. Durch Yergleich der Gröiae und Phasenlage des fehlersignal es mit des des Veohselstrombezugssignalcs können die Qröse· und die Richtung

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. aer Verschiebung des Pendelelementes 19 bestimmt werden. Da· Fehlersignal wird über elektrische Leiter auf die Drehaoaentepulen 35 der KräfteinheJten übertragen. Jede Drehnomentepul· 35 ist um eine Spulenform 36 (Fig.?) gewickelt, die an de» Pendel el em ent 19 "befestigt ist. In Abhängigkeit vom Aufbringen des Pehlercignalee erzeugt jede Drehaoaentspule 35 ein elektromagnetisches Feld, das mit den magnetischen Feld dee zugeordneten Permanentmagneten 33 zusammenwirkt und eine Kraft auf das Pendelelement 19 aueübt, um letzteres wieder in die neutrale Stellung zurückzuführen. Wie in den Pig. 2 und 3 angezeigt, ist der Permanentmagnet 33» der innerhalb des Grundelementee angeordnet ist und dessen einer magnetischer Pol dea Pendelelement 19 zugewandt ißt, mit einer hochperaeablen Kappe 52 versehen, die über des Ende des Magneten 33 liegt. Der Peraanentmagnet 33 weist auch einen hochperaeablen Ring 54 auf, der den Magneten 33 umgibt. Die Drehaoaentspule 35 ist in dem Ringraue zwischen der Kappe 52 und den Ring 54 angeordnet. Di· letzteren beiden Elemente versuchen einen wesentlichen Teil des von dea Magneten 33 erzeugten Magnetfeldes in radialer Richtung durch den Spalt zu führen, wo die Drehmomentspule 35 ihre normale Stellung einnimmt. Eine magnetisch polarisierte Scheibe 50 ist der Oberseite der Kappe 52 benachbart angeordnet, un zu verhinder_nt dass das von dem Magneten 33 erzeugte Magnetfeld die Arbeitswelse der Abnahaeerregervorrichtungen beeinflusst.

Somit ergibt sich im Gesaatbetrleb, dass ein genaues Ansprechen des Eendelelementee 19 auf eingeführte Besohlsunigungskräfte von ausschlaggebender Bedeutung ist, da das Ausgangssignal de« Beschleunigungemessgerätes von der Gruse· des Stromes abhängt, der

A": O

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dan Drehaonentepulen 35 sugaffibxt wird, welcher seinerseits το» de» An eprechen d·· Pendeleleaentee auf eingeführte Beaehleuaigungen abhängig lat. Trotadaa bewirkt die Reibung, die la dea Edelatelaatütalager roraaadea lat (auch weaa das Pendel la eiaer iaertea Flüssigkeit aehwebead angeordnet let), dall daa Ansprechen dea Beaohleunlgungsaeegertttes auf eiae bekannte BeachleuxLigozig unvereinbar lat. Ua diese Schwierigkeit au Temeidea, aind di* la Seine geaehaltaten Elektreaagnete 13 und 17 parallel su den Erregerepulea gelegt, ua daa U-föraige Pendelatütsbauteil 15 in Vibrationen au reraetzen. Wie in Fig. gezeigt, wird diese Vibrationabewegung oder daa Zittern dea U-föraigen Bauteileβ 15 auf die Edelsteinlager übertragen, eo dafi der Drehzapfen 25 in Richtung der Rotational oder Dreh» achae la dea entaprechenden Bdeletelnhfttchea 23 vibriert, T)Ieae Vibration arbeitet la der Weise, da0 der Zapfen 25 seinen Schwebeauatand in der Pletationsflüaaigkeit sentriaeh *u dea £delatainaütchen 23 beibehält, wodurch die atatiache Reibung la wesentlichen beseitigt und die kinetische Reibung in den Lagern reraindert und etwa konatant gehalten wird.

Aua Pig. 5 ergibt sich, daß die Erregerspulen 43« 42, 41 und eines jeden Abnahaesignalgeneratore in der angegebenen Reihenfolge in Serie an eiae Weehaelatroabesugaaigaalquelle gelegt aind. In Abhängigkeit YOa der Zufuhr dea Wecheeletroabesugaaignalea erseugen die Spulen 40 und 43 dea Abnahaeaignalgeneratora 21 Felder, die die gleiche Polarität (la Hinblick auf die Abaahaeapule) wie die Felder^ die τοη den Spulen 41 und 42

aufweisen

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la Abaahmealgaalgeaerator 32 aa entgegengeeetaten Ende dee Pendeleleaentea erzeugt werden« Ia ähnlicher Weiee ereeugen die Erregerepulen 4I and 42 dee Abnahaeeignalgeneratore 21 eia Feld la der gleichen Richtung wie die Erregerepulen 40 uad 43 d«a Abnahaeeignalgeneratore 22. Zwischen den rerechiedenen Erregerepulen eind la Fig. 5 Pf«11« angegeben, um die Polarität den erseugtcn aagnetisehen Felde· eichtbar su aaohen. Somit aiad die Abnahaeapulea 26 gegenüber eiaer relaea Tranalationererechiebung dee Pendelelementββ 19 la beiug auf be«w. in Richtung der Rotationsachse unempfindlich, ebeneo gegenüber eiaer Rotationebewegung dee Pendeleleaentee ua andere Acheen ale die Rotationeachee RA. Dieee Tataache iet möglich, weil während eiaer aolchen Bewegung die Abaahmeapulea 26 gleich« Beträge dea Magaetfluaaea koppeln, und weil der durch eia· Abnahaeepule 26 gekoppelte FIuJ la eeiaer Polarität entgegengeaetat dea Fluß iat, der mit der anderen Abnahmeepule gekoppelt iat. Wie welter la Fig. 5 gezeigt, iat eia Ansehlufl der in Reihe geachaltetea Abnahaeapulea 26 aa Erde uad ein weiterer AnechluB aa eiaea Demodulatorreratärker 37 gelegt. Der Deaodulatorreretärker 37 spricht auf da· Anlegen de· induzierten Spannungeeignalee, daa τοη dea Abnahaeeignalgeneratoren 21 uad 22 erseugt iat, aa, ua dleaea iaduaierte Signal mit dem Wechaeletroabeaugaeignal au Tergleiohen und daa reeultieread· Yergleiohaaigaal la eia UleiehstroBrrerechiebuagafehlereigaal umzuwandeln, deeeen Größe die GröBe der Tereohiebmng 4«· Pendeleleaeate· aae der neutralen Stellung uad deeeen Polarität die Richtung der Terechiebung dareteilt. Di· Auflegung dee

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21 5.3.65 W/W I/P 4310 Idttoa lad3 52321 1

Deaodulatorrerstärkere, der In Verbindung alt dta Besehleunigungeaeßgerät geaäß dtr Erfindung rervendet wird, ist durch dl· elektrischen und aeehanischen Paraaeter do* Beechleunlgungsaeßgerätes selbst und duroh dit Faraatter des Systeas, in welchem da· Besehleuniguageaefigerät eingesetzt wird, beetiaat. Se können sahireiche Ausführungsforaen ein·* Deaodulatorrerstärkere in einea PendelbesohleunigungsaeSgerät rerwendet werden, ein berorsugter Deaodulatorreretärker 37 soll jedoch eine Stabilieierechaltung »ur Sperrung einer Oszillation in dea Serrokreie enthalten. Ein Widerstand 70 ist von einer Ausgangskleaae 66 des Beaodulatorrerstärkers 37 an Erde gelegt. Der Widerstand 70 wird noraalerweise als "Skalenfaktorwiderstand^H bezeichnet, dessen Wert während des Endsusaaaenbaues dee Beschleunigungsaeßgerätee bestiaat wird.

Das Yereohiebuagsfehlereignal wird durch den Deaodulatorreretärker 37 in die in Reihe geeehalteten Drehaoaentspulen 35 eingeführt. Wie bereite erläutert, erseugen die Drehaoaentspulen 35 elektroaagnetische Felder, die in Verbindung alt dea Magnetfeld der Peraanentaagneten 33 ein Kräftepaar auf das Pendeleleaent erseugen, das dieees Pendeleleaent 19 in seine neutrale Stellung surückfOhrt. Wie in flg. 5 geseigt, sind die Elektroaagneten 13 und 17 in Serie geschaltet, wobei ein Anschluß des Elektroaagneten 17 an Erde und ein Anschluß dee Elektroaagneten 13 an die Stroaquelle des Wechseletroabesugssignalss gelegt ist. Ia Segensats su dea in fieihe geschalteten Paar τοη Drehaoaentspulea 35, die so gesohaltet elnd, daß die beiden

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Kräfteiaheiten stete eine entgegengesetzt gerichtete, Jedoch gleich große Kraft tür Betätigung der Krafteinheiten im Gegentakt erzeugen, sind die Wicklungen der Elektromagneten 13 and 17 so geschaltet, daß sie gleichseitig gleiche parallele Kraft« in gleicher Richtung auf ihre entsprechenden, zusammenwirkenden Zinken des U-förmigen Bauteiles 15 aufDringen.

Die elektrischen Verbindungen zwischen den zugeordneten Teilen des Beschleunigungsmeflgerätes sind über elektrische Leiter Torgenoaaen, die an entsprechenden Stellen innerhalb des Gerätegehäuses geführt sind. Aus den Figuren 1, 2 und 3 läflt sich entnehmen, daQ eine Vielzahl τοη Klemmen 61 auf einer Seite des G_rundelementes 11 Torgesehen ist, die die Signale führen, welche durch die elektrischen Leiter übertragen werden, die die Einheiten des BeschleunlgungsmeSgerätes 10 τοη der Innenseite des Gerätegehäuses mit zwei öffnungen 60 rerbinden, in welchen äußere Verbindungen zu dem Beschleunigungsmeßgerät hergestellt werden können. Zur Herstellung der elektrischen Verbindung an die Abnahmespulen 26 und die Drehmomentspulen 35» die mit dem Pendelelement 19 befestigt sind, können flexible Drähte rerwendet werden. 2.B. ist eine flexible Leitung 24 in Fig. 2 dargestellt, die eine Klemme 31 und eine Klemme 34 auf dem Pendelelement 19 miteinander rerbindet. Der einfacheren zeichnerischen Darstellung wegen sind die übrigen flexiblen Drahts und anderen Leitungen aus den Figuren weggelassen worden, da die Herstellung solcher Verbindungen an sich bekannt ist.

Betrachtet man in Verbindung mit Fig. 4 noch einmal dem Jfcehani

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ά·τ ein axial·· Zittern In dl« Stützlager dt» Pendelelementes einführt, so werden dl« Spulen der Elektromagneten 13 and 17 mit de« Weehsslstronbesugseignal gespeist, damit die entsprechenden Zinken de« U-föraigen Bauteile· 15 gleichseitig augesogen und abgestoßen werden und damit bewirken, daß die Enden der Zinken sieh in einer Richtung de» parallel sur Rotationsachse RA des Pendelelementee 19 nach hinten und vorne bewegen. Wenn da· BesohleunigungsmeBgerät um £0° gedreht wird, ao daß die Rotationsachse RA senkrecht und die empfindliche Achse SA horieontal steht, ist das Pendelelement 19 nach Art einer Schranke aufgehängt. Bei dem bekannten Beechleunigungemeflgerat mit echwebendem Pendel versucht eine solche Orientierung des Pendelelementes sowohl die statische als auch die kinetische Reibung in den Pendelβtutslagern su vergrößern, weil das Gewicht des Pendelelemente· über einen wirksamen Hebelarm in einer Richtung wirkt, in der da· Pendel nicht dreht. Die Empfindlichkeit bekannter Instrumente ist durch eine solche Orientierung natürlich sehr beschränkt.

Andererseits tritt bei dem B_eeohleunigungsmedgerät gemäß der Erfindung, wie es s.B. in Pig. 4 im Prinsip dargestellt ist, kein Terlmst an Empfindlichkeit und Kichtlinearltät des Anspreehens auf, wenn das Pendel 19 nach Art einer Schranke aufgehängt ist. Man hat vorgeschlagen, daß in Verbindung mit Λ·τ Dämpfung der Translationspendelbewegung durch die Flotationaflüeslgkelt und aufgrund der kugelförmigen Ausbildung der Drehftapfenspltsen und der Edeleteinhütehen das axiale Zittern, das

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bei einer hohen Frequenz (z.B. 5 IcHx) in die Edelsteinlager eingeführt wurde, la Mittel nieaale ermöglicht, daß das Kräftepaar (aufgrund der eohrankenartlgen Befestigung) den Drehzapfen 23 Ton seiner zentrisehen Stellung la Edelsteinhütchen 25 merklich Yerschiebt. Die Vibrationsaaplitude eines jeden Zinkene des U-föraigen Bauteiles 15 wurde in der Größenordnung τοη 25 x ¹O" ea gesessen. Ee ist deshalb klar, dsl eine merkliche Verringerung der kinetischen Reibung in Drehzapfenlagern ausaausen alt einer wesentlichen Herabeet sung der statischen Reibung durch axiales Vibrieren des Drehsapfene gegenüber dea Üdelsteinhütohen ersielt werden kann, wenn solche Drehzapfenlager sur Abstützung eines Bauteiles rerwendet werden, dessen Bewegung gedäapft wird.

Die Torbeschriebenen Anordnungen zeigen die Anwendung der erfind ungsgeaäflen Idee. Es sind zahlreiche andere Anordnungen , •öglich, ohne daö roa Sohutzbereich der Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise können die Elektromagneten 13 und 17 in den Seiten des Beschleunigungsaeßgerätegehäuses 12 angeordnet werden, damit sie direkt auf die Zinken in einer Richtung parallel zur Rotationsachse RA einwirken, welche ron den Pendelstütalagsrn festgelegt wird.

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Claims (4)

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   Patentansprüche

   1« Meßgerät, insbesondere Beschleunigungemeßgerät, bei de« eine pendelartige Masse ron zwei Stützlag em aufgenommen wird, die für die pendelartige Masse eine Rotationsachse bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager in Richtung der Achse durch die Lager in vibrationen rereetsbar sind.
2. 2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsbewegung der beiden Lager gleichzeitig in wechselseitig entgegengesetzten Richtungen aufgebracht wird.
3. 3· Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Elemente eine« jeden Lagers, z.B. das einen Drehzapfen (23) aufnehmende Hütchen (25) auf einer der beiden Zinken einer β timmgabelförmigen Halterung (15) befestigt 1st, die mit einer ihrer Resonanzfrequenzen in Vibration gebracht wird.
4. 4. Meßgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Lager durch die Elektromagneten (13» 17)» die τοη dem für das BeachleunigungsmeBgerät verwendeten Wechselstrom erregt werden, in Vlbrationen rersetst werden.

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