DE1523213C - Kreisel mit Schwingrotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreisel mit Schwingrotor, dessen Schwingachse etwa senkrecht zur Drehachse verläuft .und dessen Schwingung mit einem Schwingungsabgriff meßbar ist.

Vorliegende Erfindung baut auf einem älteren Vorschlag der Patentinhaberin auf. Hiernach ist der Kreisel mit Schwingrotor so ausgelegt, daß die Eigenfrequenz der Schwingung des Schwingrotors um die Befestigungsachse gleich der Frequenz der Drehachse (N) ist, um den Schwingrotor sehr empfindlich gegenüber BewegungenCzü mächen, die rechtwinklig zu dieser Achse^v verlaufen; Eine äußere Winkelverschiebung (Rotation) des Kreisels mit Schwingrotor um eine beliebige Achse mit Ausnahme der Drehachse bewirkt, daß der Schwingrotor mit seiner Eigenfrequenz schwingt, wobei die maximale Amplitude einer solchen Schwingung proportional der Winkelverschiebung.ist; Zusätzlich ist die Phasenlage der Schwingung in bezug auf ein Taktgebersignal' ein direktes Maß für die Richtung der Winkelverschiebung. Damit kann ^;der Kreisel mit Schwingrotor an Stelle eines direkt anzeigenden Kreisels mit zwei Freiheitsgraden verwendet werden.

Da die Empfindlichkeit des Schwingrotors gegenüber Kräften von außen jedoch von der Tatsache abhängig ist, daß die Eigenfrequenz der Schwingung des Schwingrotors gleich der Frequenz der Drehung der Achse ist, bewirken irgendwelche Nebenkräfte oder -vibrationen, die in den Bewegungsgleichungen des Kreisels mit Schwingrotor als Antriebskräfte mit einer Frequenz gleich der Drehfrequenz der Achse wirken, wie noch eingehend erläutert wird, das Auftreten eines Ausgangsfehlersignals, das von dejn Ausgang nicht unterscheidbar ist, der durch eine äußere Winkelverschiebung bewirkt wird. Dabei hat man festgestellt, daß solche Nebenausgangssignale bei bekannten Vorrichtungen durch das natürliche Schlagen der Achse mit der Frequenz 2 N auf Grund der Toleranzen in den die umlaufende Achse des Kreisels mit Schwingrotor aufnehmenden Lagern erzeugt werden, und unter bestimmten Umständen das Auftreten voa unerwünschten Fehlern in den Ausgangssignalen bewirken können, die aus den Winkelverschiebungen des Kreisels mit Schwingrotor im Betrieb erhalten werden. ■

Nachstehend wird auf die dem Problem vorliegender Erfindung zugrunde liegenden theoretischen Zusammenhänge im einzelnen eingegangen.

Die angenäherte grundlegende Differentialgleichung der Bewegung eines der Trägheitselemente nach der Erfindung kann aus den Eulcrschen Gleichungen für die Bewegung eines starren Körpers um einen festen Punkt abgeleitet werden. Die allgemeine Drehmomentgleichung L — j wird, wenn J (Winkelmomcnt) und L (Drehmoment) beide in einem System von Achsen mit einer festen Orientierung im Raum definiert sind und wenn sie in ein System von Achsen, die in einem umlaufenden Körper fest vorgegeben sind, übertragen werden,

.. und C das polare Trägheitsmoment ist. Wenn obige Gleichung dann nach den Drehmomenten um die j-Achse auf Grund der hemmenden (Federn) und dämpfenden Kräfte aufgelöst wird, geht die Grundgleichung für das System über in

+ (A-C) w_xw_z -pDΘ + ΚΘ = 0,

ίο wobei K die Winkelfederkonstante und D die Winkel-. dämpfungskonstante der Schwingachse und Θ die Winkelauslenkung des Schwingrotors, gemessen als Drehung um die j-Achse, ist.

Wenn die Drehachse, die mit einer Frequenz TV rotiert, eine Winkelverschiebung Φ um eine Achse senkrecht zur Drehachse erfährt, gilt

Wy = Θ + Φ cos Nt, (3)

so W_x — — NsinO + Φ sin Nt cos Θ, (4)

Wz — N cos Θ + Φ sin Nt sin Θ, (S)

wobei für kleine Winkel Θ gilt:

Wy = Θ +Φ COS Nt,

w_x = — ΝΘ+ Φ sin Nt,

w_z = N,

wobei sin Θ — Θ, cos Θ — 1 und Θ Φ = 0. Setzt man die Gleichungen (6), (7) und (8) in die Gleichung (2) ein, ergibt sich die Grundgleichung der Bewegung zu

ΑΘ + D0 + [K + N* (C-A)] Θ

— CΝΦ sin Nt — A Φ cos Nt, (9)

40 die die Gleichung eines gedämpften angeregten harmonischen Oszillators ist. Da es erwünscht ist, daß das System seine Oszillationsresonanzfrequenz bei der Antriebsfrequenz N erhält, muß die Federkonstante so gewählt werden, daß gilt:

AN² = K+ N² (C-A)

(10)

oder

K = ^(2,4-C), (11)

und die grundlegende Bewegungsgleichung wird:

55

L,i -■: i_uw_v 1 (I_x

(D A Θ + DO + A Ν²Θ = C NΦ sin /Vt — A Φ cos Nt.

(U)

Nimmt man an, daß die Änderungsgeschwindigkeit

der Winkelverschiebung eine Konstante ist (wobei Φ -Ο), daß die Dämpfungskonstante D klein ist

und die Zeitkonstante des Systems T, die durch

für die Drehmomenlkomponente um die umlaufende j-Achse, wobei / und w die Trägheitsmomente und die Winkelgeschwindigkeiten um ihre entsprechenden rotierenden Achsen sind. Nimmt mau an, daß der starre Körper ein Ring ist, der um die z-Achse rotiert, wird I_x I₁₁ - Λ und l_z C, wobei Λ das Querdcfiuiert ist, wesentlich größer ist als t, so ergibt sich die Gleichung (12) angenähert zu

*_f cos Nt.

(U)

Diese Gleichung zeigt, daß für kleine Winkel der Winkelausschlag des Schwingrotors direkt proportional der Rotationsverschiebung φ t der Drehachse multipliziert mit einem die Schwingungen darstellenden Kosinusausdruck ist. Obgleich es in der obigen Gleichung nicht direkt zum Ausdruck kommt, enthält der Kosinusausdruck eine Phaseninformation, die über ein Taktgebersignal gewonnen werden kann, damit der Winkel zwischen der Richtung der Drehverschiebung der Achse und einem Koordinatensystem, das im äußeren Gehäuse des Kreisesl starr befestigt ist, erhalten wird.

Wenn die Drehachse des Kreisels Schwingungen mit einer Frequenz 2 N unterworfen wird, werden die Schwingungen durch das System gleichgerichtet und erscheinen im Winkelausschlag Θ des Schwingrotors als Nebendrehverschiebung. Dies wird deutlicher aus der nachstehend angegebenen mathematischen Analyse. Die Schwingungen können in folgender Weise dargestellt werden:

Φ = G cos 2Nt + Hsin2Nt,

(14)

sin 2NtsinNt — cos2Nt sin Nt =
cos2NtcosNt — sin2NtcosNt^=

¹I₂(COsNt-COsSNt), (17) V₂(SIn Nt — sin 3Nt), ¹I₂(COS Nt + cos3Nt), ¹J₂(Sm Nt + sin 3Nt)

A V₁ + DO₁ + AW O₁

- C)(GcosNt

Unter den oben angegebenen Annahmen ergibt sich die Lösung der Gleichung (18) angenähert zu:

φ= -2NGsm2Nt + 2NHcos2Nt, (15) φ = -4N²Gcos2Nt-4N²Hsin2Nt. (16)

Setzt man die Gleichungen (14), (15) und (16) in die Gleichung (12) ein und berücksichtigt man, daß

sowie die Tatsache, daß das System sehr unempfindlich gegenüber Schwingungen der Frequenzen 3 N ist, wird folgende Gleichung der Bewegung erhalten:

ND

^cosUt +

(19)

Daraus ergibt sich, daß die Gleichung (19) identisch in ihrer Form mit der Gleichung (13) ist, und damit wird ein Ausgangssignal durch die Nebenkräfte mit der Frequenz 2 N erzeugt, das durch bekannte Vorrichtungen nicht von dem Ausgang getrennt werden kann, der durch eine echte Rotationsverschiebung erzeugt wird.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung jedoch wird das Nebenausgangssignal durch Verwendung von zwei Schwingrotoren ausgeschaltet, die auf der Drehachse befestigt sind, wobei ihre Schwingachsen etwa rechtwinklig zueinander angeordnet sind. In diesem Falle ist die Grundbewegungsgleichung für das zweite Trägheitselement gegeben durch:

D0₂

Nt + A0smNt, (20)

35 in welche die Gleichungen (14), (15) und (16) wie vorher eingesetzt werden können, so daß sich folgende Gleichung ergibt:

AQ₂ + DO₂+ ΑΝ*Θ₂

= 2N²(2A- C)(GsinNt-HcosNt).

(21)

Verwendet man wieder die obigen Annahmen, ergibt sich die Lösung der Gleichung (21) angenähert zu:

©2(0 =

2KVG² + H²
^TTK

ND

Nt -

(22)

HsmNt).

(18) Werden die Gleichungen (19) und (22) dann summiert, ergibt sich:

— [ tan-¹— 2\ G

tan-¹ — H

iC J-T

■ cos I tan~^x tan"¹ —

V H G

(23)

Da aber

cositan-¹— -tan-¹—\ = 0, (24)

wird 6>j + 6>2 — 0, und damit tritt das Nebenausgangssignal nicht in den summierten Ausgangssignalen auf, die von den Schwingrotoren (wie weiter unten noch gezeigt wird) erzeugt werden.

Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht, darin, aus dem mit einem einzigen Schwingrotor gewonnenen Ausgangssignal das in diesem enthaltene unerwünschte, auf Vibrationskräfte zurückzuführende Nebensignal zu eliminieren.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß ein weiterer Schwingrotor auf derselben Drehachse angeordnet ist, dessen Schwingachse jedoch etwa senkrecht zur Schwingachse des ersten Schwingrotors verläuft, daß auch dem zweiten Schwingrotor ein Schwingungsabgriff zugeordnet ist und daß eine Summiereinheit zur Addition der von den Schwingungsabgriffen gelieferten Meßsignale vorgesehen ist.

Vorzugsweise sind mit den Schwingungsabgriffen Demodulatoren gekoppelt, die auf aus den Schwingungsabgriffen erhaltene Signale zur Erzeugung von Ausgangssignalen ansprechen, welche die Winkelverschiebung der gemeinsamen Drehachse des Kreisels darstellen.

Die Summiereinheit eliminiert im wesentlichen die Komponenten der Ausgangssignale, die von den auf die Schwingrotoren einwirkenden Schwingkräften verursacht werden. Im Falle einer speziellen Ausf ührungs-

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form der Erfindung erzeugt die Summiereinheit ge- geringer magnetischer Leitfähigkeit, z. B. Eisen oder trennte Signale, die die Schwingkräfte darstellen, Stahl, bestehen können, ist in dem dargestellten Ausweiche auf die Schwingrotoren einwirken, wobei die führungsbeispiel die Anordnung so gewählt, daß ein getrennten Signale Drehmomenterzeugern aufgegeben starres Material geringen Gewichtes (z. B. Titan) mit werden, damit die Schwingbewegungen der Schwing- 5 Eisen- oder Stahlringen 32, 32' umgeben wird, um rotoren, die durch die Schwingkräfte verursacht wer- das Gewicht der Schwingrotoren 26, 26' zu verden, fortlaufend auf Null gebracht werden. ringern.

Gemäß der Erfindung können mehrere Kreisel mit In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der

Schwingrotor der vorbeschriebenen Ausführungsform Massenmittelpunkt eines jeden Schwingrotors 26, 26'

auf einer stabilisierbaren Einrichtung angeordnet wer- io an der Aufhängestelle eines jeden Schwingrotors 26,26'

den, so daß ein Trägheitsf ührungssystem erhalten wird. angeordnet, d. h. an der Stelle, an der die Rotations-

Mit dem erfindungsgemäßen Kreisel mit Schwing- achse (die durch die Achse der Drehachse 20 definiert rotor wird erreicht, daß die Ausgangssignale einer ist) die Vibrationsachse (die durch die Achse der Vielzahl von Schwingrotoren, die koaxial auf einer Schwingachsen 28, 28' definiert ist) schneidet. Unter einzigen Welle angeordnet sind, kombiniert werden 15 diesen Umständen ist der Kreisel 10 weitgehend können, so daß die Komponenten der Ausgangs- unempfindlich gegenüber Beschleunigungskräften. Der signale, die auf Grund der Vibrationskräfte auftreten, Kreisel 10 kann jedoch empfindlich gegenüber Beeliminiert werden können. Da eine Vielzahl von schleunigungskräften ausgeführt werden (und diese Trägheitselementen auf einer einzigen Welle an- Kräfte anzeigen), wenn der Massenmittelpunkt in geordnet sind, kann die Rotationsinformation aus ein 20 einem vorbestimmten Abstand von der Aufhängestelle und demselben Gerät entnommen werden. angeordnet ist.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Aus- In F i g. 1 sind E-f örmige Schwingungsabgriffe 40,

führungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung 40', deren jeder aus C-förmigem Ferritmaterial mit

näher erläutert. Die Figuren zeigen in einem Permanentmagnetmittelschenkel besteht, nahe

F i g. 1 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten 25 den Schwingrotoren 26, 26' und den Eisenringen 32,

Ausführungsform der Erfindung, 32' angeordnet und mit dem äußeren Gehäuse des

F i g. 2 eine vereinfachte, perspektivische Darstel- Kreisels mit Schwingrotor über Tragbauteile 42, 42'

lung der Ausführungsform nach F i g. 1, aus der befestigt. Die Permanentmagnetmittelschenkel der

das Prinzip der Wirkungsweise hervorgeht, E-förmigen Schwingungsabgriffe 40, 40' bewirken,

F i g. 3 ein schematisches Blockdiagramm eines 30 daß magnetische Gleichstromfelder in den geschlos-

Kreisels mit Schwingrotor zum Auslöschen einer senen Flußpfaden vorhanden sind, die durch den

fehlerhaften Abgabe, die durch Kräfte mit der Fre- mittleren und die äußeren Schenkel dir Schwingungs-

quenz 2 N verursacht wird, abgriffe 40, 40' und die Eisenringe 32, 32' definiert

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm eines sind. Jede Schwingbewegung der Eisenringe32, 32'

Kreisels mit Schwingrotor zur Erzielung einer Rota- 35 ergibt eine Änderung im magnetischen Widerstand

tionsinformation, der Teile der Pfade zwischen dem mittleren und den

F i g. 5 und 6 weitere Abänderungen gemäß vor- äußeren Schenkeln d;r Schwingungsabgriffe 49, 40'.

liegender Erfindung und Infolgedessen erzeugen die Schwingung^! der Eisen-

F i g. 7 eine Kreiselanordnung mit Schwingrotor ringe 32, 32' magnetische Weshselfeider in den

zur Erzielung einer Rotationsinformation, die frei 40 Wicklungen 47, 47'; die Felder ihrerseits erzeugen

von fehlerhaften Abgaben ist, welche durch Kräfte Wechselstromsignale in din Ausgäagü 47, 47' der

mit der Frequenz 2 N verursacht werden. Schwingungsabgriffe 49, 40', die die Schwingbewegun-

In F i g. 1 ist der Kreisel 10 mit Schwingrotor mit gen der Schwingrotoren 26, 26' darstellen. Während einem zylindrischen äußeren Gehäuse 11 und einem die Abfühlsignale durch Verwendung von Gleichdaran befestigten Abstützbauteil 12 dargestellt, auf 45 Strommagneten für die mittleren Schenkel der Schwindem der Stator 14 eines mit konstanter Geschwindig- gungsabgriffe 40, 40' erhalten wurden, lassen sich keit umlaufenden Synchronhysteresemotors 16 an- auch andere Vorkehrungen treffen. Beispielsweise geordnet ist. Der Rotor 18 des Synchronmotors 16 können magnetische Wechselfeldcr in den geschlosist an einer Drehachse 20 befestigt, die auf Kugel- senen Flußpfaden dadurch erzeugt werden, daß lagern 22 um den Stator 14 umläuft. Das äußere 50 Wechselstromgeneratoren mit den Mittelschenkeln Gehäuse 11 ist vorzugsweise druckdicht ausgebildet der Schwingungsabgriffe 40, 40' aus Ferrit gekoppelt und in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel voll- werden. Da die Kanten der Eisenringe 32, 32', die den ständig evakuiert; es kann andererseits eine gesteuerte Schwingungsabgriffen 40, 40' am nächsten liegen, Atmosphäre geringer Dichte, z. B. Wasserstoff oder nicht nur eine Schwingbewegung ausführen, sondern Helium, enthalten und ist aus einem leichten, aber 55 auch rotieren, ist die Frequenz der elektromotorischen widerstandsfesten Material, z. B. Aluminium, her- Kräfte, die durch die Lage- oder Geschwindigkeitsgestellt. Die Drehachse 20 ist aus starrem Material, änderungen der Eisenringe 32, 32' hervorgerufen wird, z. B.korrosionsbeständigem Stahl, hergestellt. Schwing- eine Funktion beider Bewegungen und ist im wesentroloren 26, 26' (in der Zeichnung in Form von Ringen liehen gleich der Summe der Rotationsfrequenz und dargestellt) des Kreisels sind auf der Drehachse 20 60 der Schwingfrequenz, wobei jedoch auch eine kleine mit Hilfe zweier senkrecht aufeinander stehender Differenzfrequenz auftritt. Damit nimmt im Schwin-Paare von Schwing?.chsen 28, 28' kreuzförmigen gungsabgriff der erfindungsgemäßen Ausführungsform Querschnittes, einem Paar zentrischer Stützen 30, 30' das Abfühlsignal im Idealfall eine Frequenz von 2Nan. und Befestigungsschrauben 29, 29' befestigt. Da die Um die Ausgangssignale aus den Schwingungs-Schwinge.chsen 28 senkrecht zu den Schwingachsen 28' 65 abgriffen 40, 40' in Komponenten in orthogonalen angeordnet sind, sind die Schwingachsen 28 im Schnitt Achsen aufzulösen, die im äußeren Gehäuse 11 zur nach F i g. 1 nicht sichtbar. Obgleich die Schwing- Bestimmung der Richtung der Winkelverschiebung rotoren 26, 26' vollständig aus starrem Material der Achse 20 relativ zu diesen Achsen festgelegt sind,

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wird ein Taktgebersignal mit einer Frequenz 2 N gangssignale erzeugen, können sie jeweils aus zwei

erzeugt. Ein C-förmiger Taktsignalgenerator 51 ist getrennten Demodulatoren oder auch aus einem

mit dem äußeren Gehäuse 11 über ein Tragbauteil 12 einzigen, zusammengesetzten Demodulator mit zwei

befestigt und weist einen C-förmigen permanent- Eingangs- und Ausgangskanälen bestehen. Zusätzlich

magnetischen Ferritbauteil mit einer auf ihm auf- 5 können die Demodulatoren 50, 50' auch RC-Kreise

gewickelten Abfühlspule 51' und einer Ausgangs- zum Filtern der dadurch erzeugten Signale auf-

leitung auf. Ein rotierendes Ferritbauteil 36, welches weisen.

einen Teil des geschlossenen Flußpfades bildet, ist Wie bereits erwähnt, ist jedes der Ausgangssignale nach einer schwach ellipsenförmigen Gestalt so auf- aus dem Kreisel mit Schwingrotor aus Signalen zugebaut, daß es den magnetischen Widerstand des io sammengesetzt, die durch echte Drehverschiebungsmagnetischen Pfades zwischen den Schenkeln des kräfte und Nebenkräfte mit einer Frequenz 2 N C-förmigen Taktsignalgenerators 51 verändert. Da erzeugt werden. Da jedoch die Ausgangssignale, die der C-förmige Taktsignalgenerator 51 stationär an- von solchen Nebenkräften verursacht werden, durch geordnet ist, oszilliert das rotierende Bauteil 36 über zwei Trägheitselemente erzeugt werden, deren Schwingdie beiden Ferritschenkel in radialer Richtung wäh- 15 achsen (d. h. die Aufhängungsvorrichtung) senkrecht rend einer jeden Umdrehung der Achse 20. Für jede zueinander stehen und damit entgegengesetzt polari-Umdrehung der Achse 20 bewirkt die radiale Schwin- siert sind, enthält der Ausgang aus dem Demodulator gung des Bauteiles 36, daß maximale und minimale 50' Nebensignale einer Polarität, während der Aus-Abstände von dem Taktsignalgenerator 51 zweimal gang aus dem Demodulator 50 die gleichen Nebenwährend einer jeden Umdrehung angenommen werden. 20 signale, jedoch mit entgegengesetzter Polarität ent-Während einer jeden Umdrehung der Achse 20 wer- hält. Die Ausgangssignale aus den Demodulatoren 50 den somit abwechselnde Pfade mit minimalem und und 50' sind auf diese Weise mit aus einem Additionsmaximalem magnetischem Widerstand zweimal zwi- kreis 97 und einem Vorzeichenumwandler 99 zusehen den beiden Schenkeln des C-förmigen Taktsignal- sammengesetzter Summiereinheit 70, 70' gekoppelt, generators 51 ausgebildet. Da der magnetische Wider- 25 die die F- und ^-Komponenten der Abf ühlausgänge stand des magnetischen Pfades sich durch zwei hinzuaddiert, und ergeben dadurch Signale Θ (X), Maxima und zwei Minima bei jeder Umdrehung Θ (F), die die Größen der Rotationsverschiebung ändert, wird eine Wechsel-EMK in der Abf ühlspule ohne die Nebensignale 2N(X), 2N(Y) darstellen, und der Ausgangsleitung 51' erzeugt, die eine Fre- welche von den Kräften mit der Frequenz 2N erzeugt quenz aufweist, welche doppelt so groß ist wie die 30 werden. Wie ebenfalls bereits erwähnt, braucht in Drehfrequenz der Achse 20. Diese Wechsel-EMK Zusammenhang mit dem Winkel zwischen der Achse dient zu Bereitstellung eines Taktgebersignals der und der Befestigungsachse die Aufhängungsvorrich-Frequenz 2 N. Weil die Stellung des Taktgenerators 51 tung nicht orthogonal zu sein, sondern kann auch im um die Achse in Umfangsrichtung verändert wird, Winkel verschoben sein. In einem solchen Falle jedoch können die beiden maximalen Amplitudenstellen oder 35 werden die Ausdrücke mit der Frequenz 2N nicht minimalen Amplitudenstellen des Taktgebersignals so vollständig eliminiert, sondern bleiben teilweise erausgebildet werden, daß sie dann auftreten, wenn die halten, wobei ihre Größe proportional dem Kosinus Schwingachsen 28, 28' parallel und orthogonal in des Winkels zwischen der Aufhängungsvorrichtung bezug auf eine der auf das Gehäuse bezogenen ortho- ist.

gonalen Achsen sind. Wenn eine solche Koinzidenz 40 Da die Gültigkeit der Gleichung (13), die die nicht auftritt, wird das Taktgebersignal in Kompo- Winkelauslenkung β der Schwingrotoren 26, 26' benenten längs der orthogonalen Achsen aufgelöst, die schreibt, von der Zeitdauer der Einflußnahme einer um einen bestimmbaren Winkel gegenüber den auf bestimmten Winkelverschiebungsgeschwindigkeit Φ das Gehäuse bezogenen Achsen verdreht sind. Diese bestimmt wird, die wesentlich kleiner ist als die Zeitbeiden Sätze von Achsen können jedoch in Koinzidenz 45 konstante des Systems, ist es erwünscht, daß Drehgebracht werden, indem die Phasenlage des Takt- kräfte dem Kreisel mit Schwingrotor aufgegeben gebersignals verschoben wird. werden, damit eine solche Schwingung auf den Wert In Fig. 3, in der der Kreisel 10 schematisch dar- Null gebracht wird. In einem Trägheitsführungsgestellt ist, wird das Taktgebersignal aus dem Takt- system wird die Schwingbewegung üblicherweise signalgenerator über eine Leitung 51' in einen Phasen- so dadurch auf Null gebracht, daß die Plattform, auf der schieber 54 eingeführt, der zwei Taktgebersignale der Kreisel mit Schwingrotor befestigt ist, gedreht abgibt, deren eines in der Phase gegenüber dem wird und damit eine mechanische Drehkraft zur Veranderen um 90° verschoben ist. In einem anderen Aus- Schiebung der Achse 20 aufgegeben wird. Die X- und führungsbeispiel ist ein zweiter Taktsignalgenerator F-Ausgänge sind somit als mit Schaltungen 74, 76 beispielsweise um 45° in Umfangsrichtung gegenüber 55 gekoppelt dargestellt, die beispielsweise herkömmliche dem Taktsignalgenerator 51 verschoben, damit das Schaltkreise oder Schaltkreise mit gekoppelten Mischin der Phase um 90° verschobene zweite Taktgeber- kreisen sein können und die über die Anschlüsse 71, signal entsteht. Die Taktgebersignale sind mit den 71' solche Signale den Dreheinrichtungen der Träg-Abfühlsignalen aus den Schwingungsabgriffen 40, 40' heitsführungsplattform aufgeben, auf der der Kreisel 10 (über Leitungen 47, 47') mit Demodulatoren 50, 50' 60 angeordnet ist. In vielen anderen Fällen jedoch ist es gekoppelt. Die Demodulatoren 50, 50' ergeben Signale erwünscht, die Schwingbewegung der Schwingrotoren Θ(Χ)±2Ν(Χ), Θ(Υ)±2Ν(Υ), die die Größen der 26, 26' ohne Verschiebung der Achse20 auf Null zu Komponenten der Drehverschiebung plus oder minus bringen. Dies tritt beispielsweise dann auf, wenn der den Komponenten der Verschiebungen mit der Kreisel mit Schwingrotor starr in einem Flugzeug oder Frequenz 2 N der Achse 20 längs der X- und F-Ko- 65 auf dem Erdboden angeordnet ist und die Schwingordinaten der auf das Gehäuse bezogenen Achsen bewegung, die von der Flugzeugbewegung oder der darstellen. Da die Demodulatoren 50, 50' jeweils zwei Erdgeschwindigkeit eingeführt wird, auf Null gebracht Taktgebersignale aufnehmen und jeweils zwei Aus- werden muß, damit das erzeugte Abfühlsignal zu

9 ίο

Bezugszwecken verwendet werden kann. Andererseits Schiebung Φ auf; da jedoch das durch eine Beschleuniist die Möglichkeit erwünscht, direkt eine Schwing- gung erzeugte Moment rechtwinklig zu der sie verbewegung der Schwingrotoren 26, 26' einzuführen, Ursachenden Beschleunigung verläuft, erscheinen eine um Positions- oder Führungsfehler zu korrigieren, und Winkelverschiebung um und eine Beschleunigung in das damit erzeugte Abfühlsignal für eine mechanische 5 einer bestimmten Achse um 90° in den Bewegungs-Verdrehung der Achse 20 zu verwenden, um die gleichungen phasenverschoben. In einem typischen induzierte Schwingbewegung auf Null zu bringen. Zu Fall würde bei einer Pendelanordnung von 0,4 g/cm diesem Zweck sind Rückkopplungsleitungen 78, 80 (das Produkt aus Pendelmasse und Länge des Pendelvorgesehen, die von den Schaltkreisen 74, 76 zu Dreh- armes) und einem Gewicht des Schwingrotors von momenterzeuger 62, 62' des Kreisels selbst führen, io 40 g der Massenmittelpunkt um etwa 0,01 cm vom damit Drehkräfte in der X-Achse und der F-Achse Aufhängungspunkt verschoben,
den Schwingrotoren 26,26' aufgegeben werden können, Somit enthält das Ausgangssignal aus der Abf ühlwie weiter unten noch ausgeführt wird. Zusätzlich vorrichtung eines Kreisels mit Schwingrotor bei versind Eingänge 82, 84 mit den Schaltkreisen 74, 76 schobenem Massenmittelpunkt Komponenten nicht gekoppelt, damit nach Bedarf von außen Vorspann- 15 nur der Drehverschiebung, sondern auch der Besignale über solche Schaltkreise in das System ein- schleunigung. Um die Beschleunigungskomponente geführt werden können. abzutrennen, ohne daß ein gesonderter Beschleuni-

In vorliegender Erfindung kann die Schwing- gungsmesser erforderlich wird, wird ein zweiter bewegung der Schwingrotoren 26, 26' dadurch auf Schwingrotor verwendet, der weitgehend identisch mit Null gebracht werden, daß Dxehkräfte direkt den 20 dem ersten ist, dessen Massenmittelpunkt jedoch in Schwingrotoren 26, 26' und die Eisenringe 32, 32' seiner Aufhängungsstelle liegt. Wie in F i g. 4 des Kreisels aufgegeben werden. Wie in F i g. 1 gezeigt, werden Ausgangssignale Θ (X) + 2N(X) und gezeigt, sind zwei E-förmige Drehmomenterzeuger 62, (9(F) + 2N(Y) durch den Phasenschieber 54 und 62' an dem äußeren Gehäuse 11 des Kreisels über den Demodulator 50 aus dem Schwingrotor 26 ab-Traganordnungen 66, 66', z. B. längs der X-Achse 25 geleitet, das den Massenmittelpunkt in der Aufdes auf das Gehäuse bezogenen Koordinatensystems, hängungsstelle besitzt, während Ausgangssignale verbunden. Zwei weitere Drehmomenterzeuger sind Θ(Χ) + A(X) + 2N(X) und Θ(Υ) + A(Y) + 2N(Y), 90° dagegen versetzt, jedoch nicht dargestellt, vor- die die Größe der Komponenten der Drehverschiegesehen, die längs der. F-Achse des auf das Gehäuse bung plus der Beschleunigung plus der Verschiebungen bezogenen Koordinatensystems wirken. Die E-förmi- 30 der Achse 20 mit der Frequenz 2 N darstellen, durch gen Drehmomenterzeuger 62, 62' bestehen aus C-for- den Phasenverschieber 54 und den Demodulator 50' migen Ferritteilen mit Permanentmangnetmittelschen- aus dem Schwingrotor 26' ableiten, dessen Massenkeln. Die Schaltung 74 gibt Drehmomentsignale über mittelpunkt in einem vorgewählten Abstand von der die Leitungen 78, 78' an die äußeren Schenkel der Aufhängungsstelle angeordnet ist. Die Ausgangs-Drehmomenterzeuger 62, 62', die längs der X-Achse 35 signale aus dem Schwingrotor 26 werden dann von wirken; in ähnlicher Weise gibt die Schaltung 76 denen des Schwingrotors 26' durch Differenzier-Drehmomentsignale über Leitungen 80, 80' an die schaltungen 90, 90' subtrahiert, so daß Signale A(X), äußeren Schenkel der Drehmomentanordnungen, die A(Y) entstehen, die die Beschleunigungskomponenten auf die F-Achse einwirken. In Abhängigkeit von der darstellen. Anschlüsse 73, 73' sind vorgesehen, um Polarität der Drehmomentsignale, die der Schaltung 74 40 die Signaled (X), A(Y) einer äußeren Aufzeichnungsaufgegeben werden, wird das magnetische Feld vorrichtung, z. B. einem Rechner, und den Drehzwischen dem Mittelschenkel und einem der beiden momenterzeugern 91, 93 aufzugeben.
Außenschenkel eines jeden E-förmigen, auf die In F i g. 4 enthalten die Ausgänge aus beiden X-Achse bezogenen Drehmomenterzeugers 62, 62' Schwingrotoren 26, 26' Ausdrücke mit der Frevergrößert, während das Magnetfeld zwischen dem 45 quenz 2JV der gleichen Polarität, da die Schwing-Mittelschenkel und dem äußeren Schenkel verringert achsen 28, 28' parallel zueinander liegen. Deswird. Die Schaltung 76 bewirkt das gleiche Resultat halb behalten die Rotationsverschiebungsausdrücke für die Drehmomenterzeuger in der F-Achse. Da 0(X) + 2N(X), Θ(Y) + 2N(Y) die Ausdrücke mit Drehmomentsignale über die Schaltungen 74, 76 den der Frequenz 2 N in ihrer endgültigen Form, wäh-Drehmomenterzeugern, f ür die X- und die F-Achse 50 rend die Beschleunigungsausdrücke A(X), A(Y) bei aufgegeben werden, werden somit magnetische Dreh- Subtraktion der beiden Ausgänge frei von Ausdrucken felder erzeugt, die die Schwingbewegung der Schwing- mit der Frequenz 2/V sind. Wenn darüber hinaus rotoren 26, 26' in der gleichen Weise schwächen, ver- die Schwingachsen 28,28' senkrecht auf einander stehen, stärken oder induzieren können, als ob eine eine ist leicht einzusehen, daß die Rotationsverschiebungs-Winkelverschiebung bewirkende Kraft der Achse 20 55 ausdrücke den Ausdruck mit der Frequenz 2 N aufgegeben worden wäre. behalten, während den Beschleunigungsausdrücken

In F i g. 4 ist ein Kreisel mit zwei Schwingrotoren Ausdrücke mit der Frequenz 27V hinzuaddiert wurden. 26, 26' dargestellt, deren Schwingachsen 28, 28' Falls es erwünscht ist, die Ausdrücke mit der Freparallel zueinander liegen. Der Massenmittelpunkt CM quenz 27V aus den Rotationsverschiebungsausdrücken eines der Rotoren 26' ist gemäß dem Vorschlag einer 60 zu eliminieren und sie in den Beschleunigungsaus-Parallelerfindung um einen vorbestimmten Abstand drücken zu belassen, wird die Ausführungsform des längs der Achse 20 von dem Aufhängungspunkt des Kreisels 10 und die in F i g. 5 dafür gezeigte Schalt-Schwingrotors verschoben. Da der Massenmittelpunkt anordnung verwendet. Bei dieser Ausführungsform von dem Aufhängungspunkt verschoben ist, erzeugt stehen die Schwingachsen 28, 28' für die Schwingeine Beschleunigung in, einer beliebigen Richtung, mit 65 rotoren 26, 26' senkrecht aufeinander, während die Ausnahme in Richtung der Achse, ein Moment am Massenmittelpunkte der Schwingrotoren 26, 26' in Schwingrotor. Dieses Moment tritt in den Bewegungs- entgegengesetzten Richtungen aus ihren entsprechengleichungen für den Kreisel genau als Winkelver- den Schwingachsen, d. h. aufeinander zu oder von-

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einander weg anstatt in der gleichen Richtung (wie sind die zwölf Ausgänge, die aus ihnen erhalten in Fig. 7) verschoben sind. Die Ausgangssignale, werden können, mehr als ausreichend, damit nach den die aus jedem Schwingungsabgriff 40, 40' der Schwing- drei Beschleunigungsausdrücken, den drei Rotationsrotoren 26, 26' erhalten werden, werden demoduliert ausdrücken und den vier Ausdrucken mit der Freund in einer Weise gemischt, die ähnlich der nach 5 quenz 2 N aufgelöst werden kann,
den F i g. 3 und 4 ist, damit die Ausgangssignale Θ (X), I_n bestimmten Fällen jedoch ist es nicht erwünscht, Θ(Y), A(X) + 2N(X), A(Y) + 2N(Y) entstehen. drei Schwingrotoren auf einer einzigen Welle an-

Im übrigen sind die einander entsprechenden zuordnen. In F i g. 7 ist eine Ausführungsform eines

Schaltelemente in den Zeichnungen mit den gleichen Kreisels dargestellt, der nur zwei Schwingrotoren auf

Bezugszeichen versehen. io einer einzigen Welle zur Bestimmung der Rotations-

Es ist leicht zu erkennen, daß bei nur vier Aus- Beschleunigungs- und 2N-Frequenzausdrücke vergangen aus einem Kreisel mit zwei Schwingrotoren wendet. Bei dieser Ausführungsform sind drei Kreisel (X- und Y-Ausdrücke aus jedem Schwingrotor) die 10 a, 10 b, 10 c (jeder mit zwei Schwingrotoren) auf sechs Veränderlichen in den Ausgangssignalen, d. h. einem Trägheitselement 13 senkrecht zueinander be- Θ(Χ), Θ(Y), A(X), A(Y), 2N(X) und 2N(Y) nicht 15 festigt. Da ein Kreisel mit einem einzigen Schwingeinzeln bestimmt werden können. Diese Beschränkung rotor (z.B. nach Fig. 4) eine Beschleunigung nur wird jedoch durch die Ausführungsform des Kreisels längs zweier Koordinatenachsen festlegen kann, 10 in der Schaltanordnung nach F i g. 6 überwunden, müssen wenigstens zwei der Kreisel 10 α, 10 ό, 10 c bei der drei Schwingrotoren 26, 26', 26" koaxial auf den Massenmittelpunkt eines Schwingrotors in einem einer einzigen Welle 20 befestigt sind. Einer der 20 vorbestimmten Abstand von der Aufhängungsstelle Rotoren 26 ist mit seinem Massenmittelpunkt um versetzt haben, damit die Ausdrücke A(X), A(Y), A(Z) einen vorbestimmten Abstand aus der Aufhängungs- bestimmt werden können. Da nunmehr drei solcher stelle verschoben, während die Aufhängungsvorrich- Kreisel vorhanden sind, läßt sich erkennen, daß zwölf tung 28', 28" der beiden anderen Schwingrotoren 26', Variable vorhanden sind, d. h. Rotationsausdrücke, 26" senkrecht zueinander angeordnet sind. Da nun- 25 drei Beschleunigungsausdrücke und sechs Ausdrücke mehr sechs Ausgänge (X- und F-Ausdrücke aus jedem mit der Frequenz 2N (zwei für jeden Kreisel). Damit Schwingrotor) vorhanden sind, können die sechs geben die zwölf Ausgänge der drei Kreisel gerade Veränderlichen, auf die oben Bezug genommen ist, genügend Information, damit alle Veränderlichen einzeln bestimmt werden. Die Ausgangssignale eines getrennt werden. Die Massenmittelpunkte der Schwingjeden der drei Schwingrotoren werden denioduliert 30 rotoren der verschiedenen Kreisel müssen jedoch in und in einer Weise ähnlich der, die in Verbindung mit geeigneter Weise angeordnet werden, damit eine Verden vorausgehenden Kreiselanordnungen beschrieben doppelung der Ausgangssignale vermieden wird, worden ist, gemischt, damit die Signale Θ(X), Θ(Y), Wenn die Schwingrotoren eines der drei Kreisel die A(X), A(Y), 2N(X), 2N(Y) an den Anschlüssen71, gleiche Information wie die Schwingrotoren eines 71', 73, 73' und 75, 75' auftreten. Die Signale 2N(X), 35 anderen der drei Kreisel erzeugen, können nicht alle 2N(Y) werden mit den Drehmomenteinrichtungen Veränderlichen individuell bestimmt werden. In dem über Leitungen 78, 80 rückgekoppelt, damit auf Grund besonderen, dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Schwingkräfte mit der Frequenz 2 N unzulässige die Massenmittelpunkte der Schwingrotoren des Oszillationen nicht aufgebaut werden können. Kreisels 10 a, der die X- und Z-Koordinaten-Rotations-

Die Ausführungsformen, die in den F i g. 3 bis 6 40 und Beschleunigungsausdrücke einführt, von den Aufdargestellt sind, können als Abfühlelemente auf einer hängungspunkten um einen vorbestimmten Abstand Trägheitsplattform verwendet v/erden. Da jedoch ein aus dem Ursprung 0 des stationären Bezugskoordi-Kreisel mit einem einzigen Schwingrotor nur die natensystems, das durch den Schwingrotor 13 beBeschleunigung und die Winkelverschiebung oder stimmt wird, versetzt. Andererseits sind die Massen-Geschwindigkeit längs zweier Achsen messen kann, 45 mittelpunkte der Schwingrotoren des Kreisels 10 c, müssen zwei oder mehr derartiger Kreisel kombiniert der die Y- und Z-Koordinaten-Rotations- und Bewerden, damit eine vollständige dreidimensionale schleunigungsausdrücke einführt, von dem AufInformation erhalten wird. Wie weiter oben erwähnt, hängungspunkt um einen vorbestimmten Abstand auf können aber nicht alle Rotations-Beschleunigungs- die Mitte dieses Koordinatensystems zu verschoben, und 2N-Frequenzausdrücke einzeln bestimmt werden, 50 Wenn die Massenmittelpunkte der Schwingrotoren wenn nicht genügend Ausgänge aus den Schwing- der Kreisel 10 a und 10 c nicht in entgegengesetzter rotoren des Kreisels vorhanden sind. Wenn beispiels- Richtung in bezug auf den Ursprung des Bezugsweise zwei Kreisel mit Schwingrotor nach F i g. 3 koordinatensystems verschoben wären, würden die senkrecht zueinander angeordnet sind, ergeben die Ausdrücke A (Z) die gleiche Polarität aufweisen, und acht Ausgänge (X- und F-Ausdrücke aus jedem 55 der Ausdruck Θ(Z) + A(Z) könnte nicht getrennt Scfrwingrotor) eine ausreichende Informationsmenge, werden. Wie sich aus der in F i g. 7 dargestellten damit die sieben Veränderlichen, d. h. die drei Rota- Schaltung ergibt, können die Rotations- und Betionsausdrücke und die vier Ausdrücke mit der schleunigungsausgangssignale, die von jedem Kreisel Frequenz 2 N (zwei aus jedem Kreisel) einzeln be- 10 α, 10 b und 10 c erzeugt werden, demoduliert und stimmt werden können. Wenn jedoch die Kreisel 60 gemischt werden, damit alle sechs Rotations- und nach den F i g. 4 und 5 verwendet werden, läßt sich Beschleunigungsveränderlichen erhalten werden. Da einsehen, daß die acht Ausgänge aus ihnen keine die Schwingachse eines jeden Schwingrotors eines ausreichende Information ergeben können, um die jeden Kreisels senkrecht zur anderen liegt, ergibt sich, zehn Veränderlichen zu trennen, d. h. die drei Rota- daß alle sechs Ausdrücke mit der Frequenz 2N tionsausdrücke, die drei Beschleunigungsausdrücke 65 eliminiert (und im Bedarfsfalle aufgelöst) werden und die vier Ausdrücke mit der Frequenz 2N. Wenn können. Die Ausgangssignale, die an den Anschlüssen jedoch zwei der Kreisel mit Schwingrotor nach 71, 71', 71", 73, 73', 73" verfügbar sind, können in F i g. 6 senkrecht zueinander angeordnet werden, die X-, Y-, Z-Drehmomenterzeugeranschlüsse 91, 93,

rückgeführt werden, oder sie können mit den Dreheinrichtungen einer Trägheitsplattform gekoppelt oder in einem Rechner zur Weiterverarbeitung gespeichert werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kreisel mit Schwingrotor, dessen Schwingachse etwa senkrecht zur Drehachse verläuft und dessen Schwingung mit einem Schwingungsabgriff meßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Schwing rotor (26') auf derselben Drehachse (20) angeordnet ist, dessen Schwingachse (28') jedoch etwa senkrecht zur Schwingachse (28) des ersten Schwingrotors (26) verläuft, daß auch dem zweiten Schwingrotor ein Schwingungsabgriff (40') zugeordnet ist und daß eine Summiereinheit (70, 70') zur Addition der von den Schwingungsabgriffen (40, 40') gelieferten Meßsignale vorgesehen ist.

2. Kreisel mit Schwingrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Demodulatoren (50, 50') mit den Schwingungsabgriffen (40, 40') gekoppelt sind und auf deren Signale zur Erzeugung von Ausgangssignalen ansprechen, die die Winkelverschiebung der gemeinsamen Drehachse (20) des Kreisels darstellen.

3. Kreisel mit Schwingrotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Drehmomenterzeuger (62, 62') vorgesehen sind, die auf jeden Schwingrotor (26, 26') einwirken.

4. Kreisel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summiereinheit (70, 70') im wesentlichen die Komponenten der Ausgangssignale eliminiert, die von den auf die Schwingrotoren (26, 26') einwirkenden Schwingkräften verursacht werden.

5. Kreisel mit Schwingrotor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Summiereinheit (70, 70') getrennte Signale erzeugt, die die Schwingkräfte darstellen, welche auf die Schwingrotoren (26, 26') einwirken, wobei die getrennten Signale den Drehmomenterzeugern (62, 62') aufgegeben werden, damit die Schwingbewegungen der Schwingrotoren, die durch die Schwingkräfte verursacht werden, fortlaufend auf Null gebracht werden.

6. Trägheitsführungssystem, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Kreiseln mit Schwingrotor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, die auf einer stabilisierbaren Einrichtung angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen