DE1962136B2

DE1962136B2 - Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE1962136B2
Application number: DE1962136A
Authority: DE
Inventors: Vernon H. Hopkins Minn. Aske (V.St.A.)
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1968-12-19
Filing date: 1969-12-11
Publication date: 1978-04-13
Also published as: NL6918942A; YU317369A; JPS4938462B1; DK143046B; FR2026574A1; AT293069B; YU33637B; CH503997A; GB1282579A; SE351296B; DE1962136C3; DE1962136A1; DK143046C; CA941635A; BE743266A

Description

Herkömmliche Winkelgeschwindigkeitsmesser arbeiten nach dem Kreiselprinzip, sind demzufolge wegen der Vielzahl von Präzisionsbauteilen kompliziert und teuer. Die Verwendung des Kreiselprinzips macht solche Winkelgeschwindigkeitsmesser darüber hinaus ^r' empfindlich gegen Temperaturänderungen, Massenungleichgewichte sowie dynamisches Übersprechen.

Demgegenüber betrifft die Erfindung eine Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1, welche vom Kreisel- "> prinzip keinen Gebrauch macht. In einem Aufsatz »Measurement of Angular Velocity and Linear Acceleration using Linear Accelerometers«, veröffentlicht im »Journal of the Franklin Institute«, Band 28Ü, Heft 4, Oktober 1965, Seiten 307 bis 315 wird π die Verwendung von Linear-Beschleunigungsmessern zur Winkelgeschwindigkeitsmessung vorgeschlagen. Zur Messung der Winkelgeschwindigkeit eines Körpers um drei orthogonale Achsen sind drei mit ihren Ebenen senkrecht zueinander angeordnete und je- -" weiJs um ihre Mittelsenkrechte mit vorgegebener Geschwindigkeit umlaufende Ringe vorgesehen, welche je einen in Richtung der Mitteisenkrechten empfindlichen Linearbeschleunigungsmesser tragen. Beim Umlauf jedes Beschleunigungsmessers um die Mittel- 2> senkrechte des Ringes wird an vier äquidistanten Positionen der jeweils gemessene Beschleunigungswert abgetastet. In einer Auswerteschaltung werden die auf diese Weise pro Umlauf gewonnenen 12 Abtastwerte miteinander kombiniert und hieraus in einer Rechen- κι schaltung den Linearbeschleunigungen in Richtung der drei Drehachsen sowie den Winkelgeschwindigkeiten um diese Achsen proportionale Signale abgeleitet. Eine solche Anordnung, für deren mechanische Realisierung im genannten Aufsatz keine Hinweise r> gegeben werden, ist vom Aufbau her kompliziert und erfordert darüber hinaus eine aufwendige Rechenschaltung zur Ableitung der Signale.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen die Schwierigkeiten von Wendekreiseln vermeidenden, aber gegenüber der zuvor erwähnten nur in ihrer mathematischen Analyse beschriebenen Anordnung wesentlich einfacheren Winkelgeschwindigkeitsmesser zu schaffen, der darüber hinaus gegenüber Linearbeschleunigungen unempfindlich ist. r>

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Der neue Winkelgeschwindigkeitsmesser vermeidet die dem Kreiselprinzip anhaftenden Nachteile. Durch ><> Verwendung eines einzigen, nur um eine Achse drehbar gelagerten Winkelbeschleunigungsmessers ist sein Aufbau wesentlich einfacher als eine Winkelgeschwindigkeitsmeßeinrichtung, welche nach den Prinzipien des eingangs genannten Aufsatzes gebaut würde. Die Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung kann derart aufgebaut werden, daß ein Nullabgleich entfallen kann und die Vorrichtung auch über einen weiten Temperaturbereich ohne zusätzliche Temperaturstabilisierung eingesetzt wer- t>o den kann. Sie ist weder für Linearbeschleunigungen empfindlich noch tritt ein dynamisches Übersprechen auf. Außerdem kann die Vorrichtung ohne Energiezufuhr in den elektrischen Meßkreis aus sich selbst heraus ein Ausgangssignal erzeugen.

Die Arbeitsweise einer solchen Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung kann am besten an Hand eines bestimmten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es sei angenommen, daß der Träger für den Beschleunigungsmesser wenigstens ein, vorzugsweise zwei Lager aufweist, die eine Drehung des Beschleunigungsmessers erlauben. Der Beschleunigungsmesser kann beispielsweise nur auf Beschleunigungen um eine bestimmte Empfindlichkeitsachse ansprechen. Die Vorrichtung zum Bewegen, in diesem Falle zum Drehen, des Beschleunigungsmessers besteht vorzugsweise aus einem Elektromotor, welcher den Beschleunigungsmesser mit praktisch konstanter Drehzahl antreibt. Die gesamte Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung ist an irgendeinem Körper, beispielsweise einem Flugkörper oder Flugzeug, befestigt, dessen Winkelgeschwindigkeit gemessen werden soll, und zwar derart, daß die Drehachse des Beschleunigungsmessers im rechten Winkel zur Meßachse der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung, d. h. zu derjenigen Achse liegt, um die sich der Körper dreht und um die die Winkelgeschwindigkeit gemessen werden soll.

Wird der Beschleunigungsmesser vom Motor fortlaufend gedreht, so liegt die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers jeweils nach 180° Umdrehung parallel zur Meßachse der Vorrichtung. Fluchten die beiden Achsen, so entspricht die Winkelgeschwindigkeit um die Empfindlichkeitsachse des Winkelbeschleunigungsmessers der Winkelgeschwindigkeit des Körpers um seine Meßachse. Zwischen den beiden Stellungen, in welchen die beiden Achsen fluchten bzw. parallel sind, hängt der Anteil der Winkelgeschwindigkeit um die Meßachse, welcher in Richtung der Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers wirkt, d. h. die Winkelgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Empfindlichkeitsachse des Winkelbeschleunigungsmessers, jeweils vom Winkel zwischen den beiden Achsen ab. Beträgt dieser Winkel 90°, d. h. stehen die beiden Achsen senkrecht aufeinander, so ist die in Richtung der Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers liegende Komponente des Winkelgeschwindigkeitsvektors gleich Null. Zwischen diesen beiden Stellungen ändert sich bei konstanter Drehgeschwindigkeit des Winkelbeschleunigungsmessers um seine Lagerachse die genannte Vektorkomponente sinusförmig.

Wird der Beschleunigungsmesser vom Motor um seine Lagerachse gedreht, so ist er einer Winkelgeschwindigkeit um seine Empfindlichkeitsachse ausgesetzt, und diese Winkelgeschwindigkeit wächst vom Wert Null bis zur Größe der Winkelgeschwindigkeit des Körpers um seine Meßachse an, und zwar während der 90° Drehbewegung vor dem Erreichen der Parallelität der beiden Achsen. Während der anschließenden 90° Drehbewegung nimmt die Winkelgeschwindigkeit wieder bis zum Wert Null ab, um anschließend wieder bis zum vollen Wert, allerdings in entgegengesetzter Richtung, anzuwachsen und schließlich wieder während der vierten Drehung um 90° auf Null abzufallen. Der Beschleunigungsmesser ist somit einer sinusförmig in Abhängigkeit von der Zeit sich ändernden Winkelgeschwindigkeit ausgesetzt, d. h. einer sinusförmig verlaufenden Winkelbeschleunigung um seine Empfindlichkeitsachse. Diese Beschleunigung hängt von der Winkelgeschwindigkeit des Körpers um die Meßachse und der Winkelgeschwindigkeit des Beschleunigungsmessers um seine Lagerachse, d. h. von der Motordrehzahl, ab. Ist die Drehgeschwindigkeit des Winkelgeschwindigkeitsmessers um seine Lager-

achse bekannt, so zeigt das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers die Winkelgeschwindigkeit des Körpers um die Meßachse an.

Wie bereits erwähnt, stellt die zuvor beschriebene Konstruktion der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung nur ein Ausführungsbeispiel dar. Der Beschleunigungsmesser kann im Träger statt fortlaufend gedreht, auch hin- und hergeschwenkt werden. In diesem Fall ist die Bewegungsvorrichtung eine Art Kippoder Oszillationsantrieb. Auch andere Bewegungsarten für den Beschleunigungsmesser können vorgesehen sein; es ist lediglich erforderlich, daß der Winkel zwischen der Meßachse der Vorrichtung und der Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers geändert wird. Es ist auch nicht erforderlich, daß die ι j Lagerachse oder sonstige Bewegungsachse des Beschleunigungsmessers im rechten Winkel zu einer Empfindlichkeitsachse steht. Vorausgesetzt, daß diese beiden Achsen nicht parallel sind, wird die Bewegung des Beschleunigungsmessers die gewünschte Winkeländerung zwischen den beiden Achsen zur Folge haben.

Aus vorstehendem ergibt sich, daß eine Bewegung der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung als Ganzes um jede zur Lagerachse des Winkelbeschleuni- r> gungsmcssers nicht parallele Achse einen Einfluß auf das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers hat, auf Grund der sich in Abhängigkeit von der Zeit ändernden Komponente des Winkelgeschwindigkcitsvektors, die in Richtung der Empfindlichkeitsachse κι des Beschleunigungsmessers verläuft. Demzufolge kann eine solche Meßvorrichtung auch als Vorrichtung mit mehr als einer Empfindlichkeits- oder Meßachsc angesehen werden. Um jedoch statt einfach einer resultierenden Winkelgeschwindigkeit, wie sie )5 durch das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers dargestellt ist, die einzelnen Winkelgeschwindigkeiten um die verschiedenen Meßachsen bestimmen zu können, müssen die von den betreffenden Winkelgeschwindigkeiten um die einzelnen Achsen abhängigen Komponenten aus dem Ausgangssignal abgeleitet werden. Für diesen Zweck ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß Meßvorrichtungen Ausgangssignale liefern, welche dem jeweiligen Augenblickswert der Winkel zwischen der Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers und den Meßachsen der Vorrichtung entsprechen, und daß diese Signale in Vergleichseinrichtungen mit dem Ausgangssignal des Winkelbeschleunigungsmessers verglichen werden. Diese Vergleichsvorrichtungen können nach Art eines phasenempfindlichen Demodulators aufgebaut sein. In jedem Falle leiten sie aus dem gesamten Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers getrennt die einzelnen Signalkomponenten heraus, welche durch die Winkelgeschwindigkeiten um « die verschiedenen Achsen bedingt sind.

Bei jeder Ausführungsform des erfindungsgemäßen Winkclgeschwindigkcitsmessers erweist es sich als besonders günstig, wenn in Weiterbildung der Erfindung der Beschleunigungsmesser einen Magneten und (,ο einen Leiter aufweist, die relativ zueinander um die Empfindlichkcitsachsc des Beschleunigungsmessers bewegbar sind, und wenn bei auf den Beschleunigungsmesser einwirkenden Winkelbeschleunigungcn um seine Empfindlichkeitsachsc entweder der Magnet _h^ oder der Leiter in dem gleichen Maße beschleunigt wird, während jeweils der andere Teil einer eine Bleiche Beschleunigung verhindernden Kraft ausgcsetzt ist, wobei infolge der Relativbewegung zwischen Magnet und Leiter im letzteren durch das Magnetfeld eine Spannung induziert wird, welche das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers liefert. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß der Beschleunigungsmesser ohne Zufuhr elektrischer Energie von sich aus ein Ausgangssignal liefert. Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn der Motor den Beschleunigungsmesser so schnell dreht, daß der einer eine Beschleunigung verhindernden Kraft ausgesetzte Magnet bzw. Leiter praktisch stillstehen bleibt und damit die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Magnet und Leiter praktisch gleich der Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung um ihre Meßachse bzw. Meßachsen ist. In diesem Falle ist das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers, welches von den im Leiter fließenden Induktionsströmen abhängt, praktisch unabhängig von der Motordrehzahl, so daß zum Drehen des Beschleunigungsmessers ein ungeregelter, d. h. nicht unbedingt mit genau konstanter Geschwindigkeit umlaufender Motor, beispielsweise ein Induktions- oder ein Hysteresemotor, eingesetzt werden kann. Hierdurch wird der Aufbau der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung weiter vereinfacht und verbilligt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Magnet ein ringförmiger im Beschleunigungsmesser befestigter und dessen Empfindlichkeitsachse konzentrisch umschließender Permanentmagnet und der Leiter ein ebenfalls konzentrisch zur Empfindlichkeitsachse liegender Kreisring aus Quecksilber. Dem Quecksilberring benachbart ist eine Spule, in welcher durch die bei einer Relativbewegung zwischen Magnet und Quecksilberring in letzierem fließenden elektrischen Ströme eine Spannung induziert wird, weiche das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers bildet.

Für die weitere Betrachtung sei angenommen, daß der Beschleunigungsmesser mit dem Quecksilberring sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um seine Empfindlichkeitsachse dreht. Wird die Winkelgeschwindigkeit des Beschleunigungsmessers erhöht, so dreht sich anfänglich der Beschleunigungsmesser gegenüber dem Quecksilberring und erzeugt hierdurch eine Kraft, welche das Quecksilber auf eine höhere Umdrehungsgeschwindigkeit zu beschleunigen sucht. Der Beschleunigungsmesser ist also einer bestimmten Beschleunigung unterworfen, während das Quecksilber ebenfalls, aber langsamer beschleunigt wird. Dei Grad der Beschleunigung des Quecksilbers hängt vor der vom Beschleunigungsmesser auf das Quecksilbei übertragenen Kraft ab, und es läßt sich zeigen, daß diese praktisch unabhängig ist von der relativen Drehgeschwindigkeit, d. h. von der Winkelbeschleunigung des Beschleunigungsmessers. Hieraus folgt, daß dei größtmögliche Unterschied zwischen diesen beider Beschleunigungen von der Winkelbeschleunigung des Beschleunigungsmessers abhängt. Dieser Größtwert entspricht der maximalen Geschwindigkeit der ReIativdrehung zwischen dem Beschleunigungsmesser unc damit dem Magneten einerseits und dem Quecksilbei andererseits. Demzufolge ist die maximale Amplitude des Ausgangsstroms des Beschleunigungsmessers ab hängig von der Winkelbeschleunigung. Diese Vcr hältnisse sind zutreffend, wenn das Quecksilber siel über eine merkbare Entfernung bewegt. Wenn jedocl der Beschleunigungsmesser Teil einer Winkelge schwindigkeitsmcßvorrichtung gemäß der Erfindunj

ist, brauchen die Verhältnisse nicht so zu liegen. Da die Beschleunigung des Quecksilbers praktisch unabhängig von der auf dem Beschleunigungsmesser einwirkenden Winkelbeschleunigung beim Vergrößern der Motordrehzahl ist, nimmt die Entfernung über die ■"> das Quecksilber als Folge der Drehung der Meßvorrichtung um seine Meßachse sich bewegt ab und oberhalb einer bestimmten Motordrehzahl, weiche beispielsweise bei 1000 U/min liegen kann, bleibt das Quecksilber praktisch stillstehen. Unter diesen Um- ι» ständen dreht sich der Beschleunigungsmesser und damit der Magnet praktisch abwechselnd in entgegengesetzter Richtung um einen stationären Leiter. Die maximale Stromamplitude im Leiter hängt deshalb von der Winkelgeschwindigkeit der Meßvorrichtung um ihre Meßachse ab. Der Beschleunigungsmesser arbeitet also tatsächlich nicht als Beschleunigungsmesser, weil die Amplitude seines Ausgangssignals nur von der Drehgeschwindigkeit und nicht auch von " der Motordrehzahl abhängt. Dieses Merkmal gestattet es, einen ungeregelten Motor zu verwenden.

Die meisten Beschleunigungsmesser der obengenannten Bauart können in dieser Weise arbeiten, d. h. oberhalb der Geschwindigkeit, bei der sie aufhören als richtiger Beschleunigungsmesser zu wirken. Sie können auch unterhalb dieser Geschwindigkeit arbeiten, jedoch muß unter diesen Umständen der Motor entweder mit konstanter Geschwindigkeit laufen oder es muß möglich sein, zu jedem Zeitpunkt die Drehzahl zu bestimmen. Das gilt auch für Beschleunigungsmesscr mit einer teilweise gefesselten Masse, die bei auf den Beschleunigungsmesser einwirkender Beschleunigung um seine Empfindlichkeitsachse sich gegen die Fesselung bewegt. Das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers ist dann abhängig entweder von dem j3 von der Masse gegen die Kraft der Fesselung zurückgelegten Weg oder von der von der Masse auf Grund der Beschleunigung ausgeübten Kraft. Solche Beschleunigungsmesser, die entweder ohne Rückführung mit einer offenen Signalschleife oder mit Rückführung nach Art einer selbstkompensierenden Vorrichtung mit geschlossener Signalschleife arbeiten, sind nicht geschwindigkeitsempfindlich.

Die Erfindung und weitere Ausgestaltungen werden im folgenden an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen

Fig. IA bis IE die verschiedenen Ausgangssignale, welche von einem winkelgeschwindigkeitsempfindlichen und von einem winkelbcschleunigungsempfindlichen Beschleunigungsmesser geliefert wer- <-,„ den.

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Winkelgeschwindigkeitsmeßeinrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 in perspektivischer Ansicht, teilweise ge- γ, schnitten, eine Darstellung des in der Winkelgeschwindigkcitsmeßvorrichtung gemäß Fig. 2 verwendeten Winkelbeschleunigungsmessers,

Fig. 4 die Draufsicht auf den in einer anderen Ausführungsform der Winkelgeschwindigkeitsmeßvor- _b0 richtung verwendeten Beschleunigungsmesser und

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4.

In den Fig. 1 Abis 1 D ist der Beschleunigungsmesser 7 jeweils um seine Lagerachse 10 fortlaufend drehbar und weist eine Empfindlichkeitsachse 11 auf, welche auf der Lagerachse 10 senkrecht steht. Die Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung, in der dieser Beschleunigungsmesser eingesetzt ist, hat aufeinander senkrecht stehende Meßachsen 1 und 2, die beide rechtwinklig zur Lagerachse 10 liegen. Es sei zunächst angenommen, daß die Meßvorrichtung um die Meßachse 1 mit konstanter Drehgeschwindigkeit w_m gedreht wird, während der Beschleunigungsmesser 7 sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit w_r um die Achse 10 dreht. Die in Richtung der Empfindlichkeitsachse 11 des Beschleunigungsmessers weisende Vektorkomponente der Winkelgeschwindigkeit io_m wird durch die Gleichung W₁ = w_m · sin w_f · /wiedergegeben, wobei zu den Zeiten /, und /₃ ω_Λ = co_m ist und zu den Zeiten I₂ und /₄ w_s = 0. Je nachdem, ob der Beschleunigungsmesser allein auf die Winkelgeschwindigkeit w_m oder auch auf die Drehgeschwindigkeit ω_Γ anspricht, erzeugt er ein Ausgangssignal ω₅ oder a>_s von der in F i g. IE dargestellten Form. Spricht der Beschleunigungsmesser nur auf die Winkelgeschwindigkeit w,„ an, so ist das Ausgangssignal ω, des Beschleunigungsmessers unabhängig von der Drehgeschwindigkeit ω_Γ des Beschleunigungsmessers 7 um die Lagerachse 10, obwohl die Frequenz des Ausgangssignals W₁ natürlich von der Drehgeschwindigkeit w_r abhängig ist.

Im anderen Fall, d. h. wenn das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers auch von der Drehgeschwindigkeit w_r abhängig ist, ist dieses dem zeitlichen Differentialquotienten von W₁, d. h. dem Wert w_r ■ w_m · cos w_r ■ I proportional. Die Amplitude des Beschleunigungsmesser-Ausgangssignals W₁ hängt also von der Drehgeschwindigkeit co_r des Beschleunigungsmessers 7 um die Lagerachse 10 ab und hat eine Frequenz, welche ebenfalls von der Drehgeschwindigkeit w_r abhängig ist.

Die Fig. 1 A bis 1 D zeigen ferner, daß zu den Zeiten /, und /₃ die Winkelgeschwindigkeit des Beschleunigungsmessers 7 um seine Empfindlichkeitsachse 10 gleich der Winkelgeschwindigkeit der Meßvorrichtung um die Meßachse 1 ist. Demzufolge muß die Winkelbeschleunigung um die Empfindlichkeitsachsc 11, wie aus Fig. IE ersichtlich ist, zu diesen Zeiten gleich Null sein.

Die Fig. IA bis ID zeigen, daß die Winkclgcschwindigkeitsmeßvorrichtung eine zweite Meßachse 2 aufweist, welche auf der Meßachse 1 und der Lagerachse 10 senkrecht steht. Dreht sich die Meßvorrichtung um die Meßachsc 2 und wird der Beschleunigungsmesser gleichzeitig um die Lagcrachsc 10 gedreht, so entspricht das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers, je nachdem ob dieser nur auf Winkelgeschwindigkeiten oder auch auf die Drehgeschwindigkeit w_r anspricht, der Darstellung gemäß Fig. IE mit dem einzigen Unterschied einer Phasenverschiebung von 90°. Dies läßt sich aus Fig. 1 A erklären, weil zu dem dort gezeigten Zeitpunkt die als Folge der Drehung um die Meßachse 2 sich ergebende Winkelgeschwindigkeit in Richtung der Empfindlichkeitsachse 11 des Beschleunigungsmessers 7 gleich Null ist, also ungleich dem Wert w_m, welcher durch eine Drehung um die Meßachse 1 hervorgerufen wird.

Im folgenden wird auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen, in welchen eine Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung dargestellt ist, die in der einen oder der anderen der beiden soeben beschriebenen Betriebsweisen arbeiten kann. Bereits erwähnte Bezugszeichen werden auch in diesen Figuren für entsprechende Teile benutzt. Die Meßvorrichtung ist in der Lage, Winkelgeschwindigkeiten um zwei aufeinander senkrecht stehende Meßachsen 1 und 2 zu messen,

wobei sich in der zeichnerischen Darstellung die Meßachse 1 senkrecht in der Ebene der Zeichnung erstreckt und die Meßachse 2 hierzu im rechten Winkel, d. h. senkrecht zur Zeichnungsebene. Wie später noch im einzelnen erläutert wird, erfolgt die Anzeige der gemessenen Winkelgeschwindigkeit um die Meßachse 1 auf einem Anzeigeinstrument 3 und die Anzeige der Winkelgeschwindigkeit um die Meßachse 2 auf einem Anzeigeinstrument 4.

Die Meßvorrichtung hat ein Gehäuse 5, bestehend aus einem Material, welches zugleich als Abschirmung für magnetische Streufelder dient, und welches an dem Körper befestigt ist, dessen Winkelgeschwindigkeit gemessen werden soll. Die Befestigung erfolgt dabei derart, daß die beiden Meßachsen 1 und 2 mit denjenigen Achsen des Körpers übereinstimmen, um welche der Körper sich dreht. Das Gehäuse 5 umschließt eine Kammer 6, in der der Winkelbeschleunigungsmesser 7 von zwei Lagern 8 und 9 um die Lagerachse 10 drehbar gelagert ist. Die Lagerachse 10 steht auf beiden Meßachsen 1 und 2 senkrecht. Der Beschleunigungsmesser 7 ist empfindlich für Winkelbeschleunigungen um die Empfindlichkeitsachse 11, die in der Darstellung gemäß Fig. 2 gerade mit der Meßachse 1 zusammenfällt.

Fig. 3 läßt erkennen, daß der Winkelbeschleunigungsmesser 7 ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 12 aufweist, das aus dem gleichen Material bestehen kann wie das Gehäuse 5. Im Inneren des Gehäuses 12 befindet sich eine zylindrische Kammer 13.

Ein aus zwei Flanschen 15 und einer Nabe 16 verringerten Durchmessers bestehender spulenartiger Körper 14 aus elektrisch leitendem Material ist in der Kammer 13 befestigt. Eine Schicht 17 aus elektrischem Isoliermaterial liegt an der Innenwand der Kammer 13 an und isoliert den Spulenkörper 14 vom Gehäuse 12. Ein ringförmiger Kern 18 mit einer Toroidspule 19 umgibt die Nabe 16. Magnetisch leitende Stücke 20 sind in gleichem Abstand um den Spulenkörper 14 herum verteilt angeordnet. Jedes Magnetstück 20 ist mit seinen beiden Enden im Gehäuse 12 befestigt und erstreckt sich durch die Isolierschicht 17 und die beiden Flansche 15 hindurch. Elektrische Isolierschichten 21 isolieren jedes Magnetstück 20 von den beiden Flanschen 15. Ein ringförmiger Permanentmagnet 22 umgibt die Magnetstücke 20 und damit auch den Kern 18 und die Spule 19 und ist in radialer Richtung magnetisiert, d. h. der eine Pol liegt an der Außenseite und der andere an der Innenseite des Kreisringes. Die äußeren und radialen Oberflächen des Magneten 22 tragen eine elektrische Isolierschicht 23, die zusammen mit der Isolierschicht 17 eine ringförmige Kammer 24 bildet, welche mit Quecksilber 25 gefüllt ist. Dieses bildet einen Weg für den vom Magneten 22 erzeugten Magnetfluß, den man sich als radial nach außen durch das Quecksilber 25 hindurch in das Gehäuse 12 gerichtet denken kann, in welchem er dann über die im Abstand angeordneten Magnetstücke 20 radial nach innen zum Magneten 22 zurückfließt.

Stellt man sich vor, daß der Beschleunigungsmesser 7 mit konstanter Beschleunigung um seine Empfindlichkeitsachse 11 beschleunigt wird, so eilt das Quecksilber 25 der Drehbewegung nach. Es entsteht eine relative Bewegung zwischen dem vom Magneten 22 erzeugten Magnetfeld und dem Quecksilberring 25. Eine der Relativbewegung direkt proportionale Soannune wird in senkrechter Richtung im Quecksilber erzeugt. Die relative Drehbewegung kann dabei selbst der Beschleunigung direkt proportional sein. Uiese .-»paiijiung ,^Zi ..ii.«... _!.!. !"^:"'"^u"" ^e'^rnn' entste- > hen, welcher durch die beiden Flansche 15 und die Nabe 16 des Spulenkörpers 14 fließt. Durch elektromagnetische Induktion wird eine entsprechende Spannung in der Spule 19 induziert, die dem Augenblickswert der Winkelbeschleunigung proportional ist,

K) welcher der Beschleunigungsmesser unterworfen ist. Zusätzlich zur Kammer 6 mit dem Beschleunigungsmesser 7 bildet das Gehäuse 5 weitere Kammern 26, 27 und 28. In der Kammer 26 ist der Stator 29 eines Induktionsmotors befestigt, der mit dem Ro-

i) tor 30 des Motors zusammenwirkt. Der Rotor ist auf dem Wellenstumpf 31 des Gehäuses 12 des Beschleunigungsmessers befestigt. Der Induktionsmotor dreht den Beschleunigungsmesser mit konstanter Geschwindigkeit um die Lagerachse 10.

In die Kammer 27 ragen vier Polstücke 32 im Abstand von 90° um die Achse 10 herum hinein, von denen nur zwei sichtbar sind. Die beiden sichtbaren Polstücke 32 sind mit ihrer Achse parallel zur Meßachse 1 angeordnet, während die beiden anderen PoI-stücke 32 sich parallel zur Meßachse 2 erstrecken. Jedes Polstück trägt eine Spule 33. Jedes Paar sich gegenüberliegender Spulen ist in Reihe an ein entsprechendes Ausgangsleitungspaar 34 bzw. 35 angeschlossen. Der Wellenstumpf 31 trägt ferner einen

«ι Permanentmagneten 36. Wird der Beschleunigungsmesser 7 um die Lagerachse 10 gedreht, so induziert der Magnet 36 in den sich gegenüberliegenden Spulen 33 und damit an den Ausgangsleitungen 34 und 35 sich sinusförmig ändernde Spannungen, deren Fre-

li quenzder Drehgeschwindigkeit des Beschleunigungsmessers 7 um die Lagerachse 10 proportional ist. Auf Grund der räumlichen Anordnung der Spulen 33 besteht zwischen den beiden Spannungen an den Ausgangsleitungen 34 und 35 eine Phasenverschiebung

4(i von 90°.

Die Kammer 28 nimmt zwei Schleifbürsten 37 auf, welche auf den Wellenstumpf 39 des Gehäuses 12 umgebenden Schleifringen 38 aufliegen. Die Schleifringe 38 sind über Leitungen 40 an die Spule 19 ange-

4-Ϊ schlossen. Auf diese Weise wird die in der Spule 19 induzierte Spannung über die Schleifringe 38 und die Schleifbürsten 37 aus dem Gehäuse 5 herausgeleitet und den beiden Demodulatoren 41 und 42 zugeführt. Der Demodulator 41 ist außerdem an die beiden Letin tungen 34 und der Demodulator 42 an die beiden Leitungen 35 angeschlossen. Das Ausgangssignal des Demodulators 41 steuert das Anzeigegerät 4 und das Ausgangssignal des Demodulators 42 das Anzeigegerät 3.

Bei der bisher beschriebenen Ausführungsform der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung hängt die Art des Ausgangssignals des Beschleunigungsmessers, d. h. die Spannung an der Spule 19 davon ab, ob die Drehzahl des Induktionsmotors oberhalb oder unter-

_bo halb von etwa 1000 U/min liegt. Oberhalb dieser Geschwindigkeit verharrt der Quecksilberring 25 praktisch stationär. Die Amplitude der Spannung an der Spule 19 stellt dann zum geeigneten Zeitpunkt jeweils die wahre Geschwindigkeit der Meßvorrichtung um

_b5 die Achse 1 oder 2 dar. Mit anderen Worten, betrachtet man nur die Drehung um die Meßachse 1, so hat die Spannung die allgemeine Form ω, wie in Fig. IE. Um sicherzustellen, daß Schwankungen der Motor-

drehzahl einen möglichst geringen Einfluß haben, ist .»;.,,» Mr.tnr_f|reh7ihl vorzuziehen, die merkl'.c¹; oberhalb von 1000 U/min liegt, beispielsweise uci ονι/ί U/min. Unterhalb von 1000 U/min bewegt sich das Quecksilber 25 merklich und demzufolge hat die Spannung an aer apuic i> mein uiv ι ^i... «,,. "J..i~. diesen Umständen muß der Motor mit konstanter Drehzahl angetrieben werden oder seine jeweilige Geschwindigkeit muß bestimmbar sein. Bei beiden Betriebsarten vergleichen die beiden Demodulatoren 41 und 42 ihre Eingangssignale miteinander und leiten aus der von der Spule 19 stehenden Spannung die beiden Signalkomponenten ab, welche der Drehung um die beiden Meßachsen 1 und 2 entsprechen. Die Demodulatoren arbeiten vorzugsweise nach der Art phasenempfindlicher Gleichrichterschaltungen.

Nunmehr soll eine Ausführungsform erläutert werden, wie sie in den Fi g. 4 und 5 schematisch dargestellt ist. In Fig. 5 sind einige Teile des Beschleunigungsmessers, beispielsweise die elektrische Isolierung und tragende Teile der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Auch hier wird ein Quecksilber-Kreisring 60 verwendet, welcher sich in einem Kanal bewegt, der innerhalb eines magnetisch leitenden Ringes 62 vorgesehen ist. Ein vierpoliger Magnet 64 ist im Innenraum des Quecksilber-Kreisringes angebracht und weist zwei Nordpole und zwei Südpole auf. Er kann aus vier Stabmagneten oder aus zwei gekreuzten Stab-

magneten aufgebaut sein. Wiederum erstreckt sich ein radiales Magnetfeld von jedem Pol des Magneten 64 - .-■ .,..Ro_n durch '.as Quecksilber hindurch zum Rückschlußring ü2 unti ναι; aori einem .J.··«."· Λ
Quecksilber 60 hindurch zum Gegenpol. Eine Wm-

gegenüber dem Quecksilber 60 bewegt, mit der Folge, daß im Quecksilber 60 Induktionsströme entstehen und diese wiederum ein Magnetfeld in vier Transformatoren 66 induzieren, welche im gleichen Abstand um den Quecksilberring 60 herum angeordnet sind.

Fig. 5 zeigt die Seitenansicht eines dieser Transformatoren 66. Er weist einen Kern auf, der sich durch ein Loch innerhalb eines Rohres 69 erstreckt, das seinerseits sowohl durch den Quecksilberring 60 als auch durch den magnetischen Rückschlußring 62 hindurchragt. Ein sich änderndes Magnetfeld im Transformator 66 erzeugt eine Ausgangsspannung an der Sekundärwicklung 72. Die vier Transformatoren 66 sind in Reihe an die Ausgangsklemmen 74 angeschlossen. Die Spannung an diesen Klemmen ist der Relativbewegung des Magneten 64 gegenüber dem Quecksilberring 60 proportional. Wird der Beschleunigungsmesser genügend schnell gedreht, so ist diese Relativbewegung der Winkelgeschwindigkeit um die Meßachse proportional und demzufolge auch die Spannung an den Klemmen 74.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Vorrichtung zum Messen von Winkelgeschwindigkeiten um wenigstens eine Meßachse unter Verwendung eines mit vorgegebener Winkelgeschwindigkeit um eine Achse schwenkbaren Beschleunigungsmessers, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Winkelbeschleunigungsmesser (7) um eine zu seiner Empfindlichkeitsachse (11) orthogonale Achse (10) schwenkbar derart in einem Träger (8, 9) gelagert ist, daß der Winkel zwischen der Meßachse (1) der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung (S) und der Empfindlichkeitsachse (11) des Winkelbeschleunigungsmessers veränderbar ist, und daß am Winkelbeschleunigungsmesser eine den Winkel zwischen den beiden genannten Achsen ändernde Bewegungsvorrichtung (29, 30) angreift, so dali, wenn die Vorrichtung Winkelgeschwindigkeiten um ihre Meßachse ausgesetzt ist, die gleichzeitige Winkeiänderung zwischen den beiden Achsen eine zeitliche Änderung der in Richtung der Empfindlichkeitsachse des Winkelbeschleunigungsmessers verlaufenden Winkelgeschwindigkeitskomponente bewirkt und der somit einer Winkelbeschleunigung ausgesetzte Winkelbeschleunigungsmesser ein von der Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung abhängiges Ausgangssignal liefert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche auf Winkelgeschwindigkeiten um wenigstens zwei Achsen anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsvorrichtung (29, 30) die Winkel zwischen der Empfindlichkeitsachse (11) des Winkelbeschleunigungsmessers (7) einerseits und den Meßachsen (1, 2) der Winkelgeschwindigkeitsmeßvorrichtung (5) gleichzeitig ändert und daß Meßvorrichtungen (32,33,36) der jeweiligen Winkellage entsprechende Signale liefern, welche von Vergleichseinrichtungen (41, 42) mit den Ausgangssignalen des Winkelbeschleunigungsmessers verglichen werden, so daß, wenn die Vorrichtung Winkelgeschwindigkeiten um ihre Meßachse ausgesetzt ist, die gleichzeitige Änderung der Winkel zwischen den Achsen (1, 2, 11) eine zeitliche Änderung der jeweils in Richtung der Empfindlichkeitsachse des Winkelbeschleunigungsmessers verlaufenden Winkelgeschwindigkeitskomponente bewirkt und der Winkelbeschleunigungsmesser somit Winkelbeschleunigungen ausgesetzt ist, von denen jede von der jeweiligen Winkeländerungsgeschwindigkeit abhängt, wodurch das Ausgangssignal des Winkelbeschleunigungsmessers von der betreffenden Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung abhängige Komponenten enthält, und daß die Vergleichseinrichtungen die den Winkelgeschwindigkeiten um die verschiedenen Achsen entsprechenden Komponenten ableiten und entsprechende Ausgangssignale liefern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsvorrichtung (29, 30) für den Beschleunigungsmesser (7) ein Motor ist, welcher im Betrieb den Beschleunigungsmesser mit praktisch konstanter Geschwindigkeit dreht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleuni-

gungsmesser (7) einen Magneten (22, 64) und einen Leiter (25,60) aufweist, die relativ zueinander um die Empfindlichkeitsachse (11) des Beschleunigungsmessers bewegbar sind, und daß bei auf den Beschleunigungsmesser einwirkenden Winkelbeschleunigungen um seine Empfindlichkeitsachse entweder der Magnet oder der Leiter in de μ gleichen Maße beschleunigt wird, während der andere Teil einer eine gleiche Beschleunigung verhindernden Kraft ausgesetzt ist, wobei infolge der Relativbewegung zwischen Magnet und Leiter im letzteren durch das Magnetfeld eine Spannung induziert wird, welche das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers liefert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (29,30) den Beschleunigungsmesser (7) so schnell dreht, daß der einer eine Beschleunigung verhindernden Kraft ausgesetzte Magnet (22,64) bzw. Leiter (25, 60) praktisch still stehenbleibt und damit die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Magnet und Leiter praktisch gleich der Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung um ihre Meßachse (1) bzw. Meßachsen (1, 2) ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (22) ein ringförmiger im Beschleunigungsmesser (7) befestigter und dessen Empfindlichkeitsachse (11) konzentrisch umschließender Permanentmagnet und der Leiter (25) ein ebenfalls konzentrisch zur Empfindlichkeitsachse liegender Kreisring aus Quecksilber ist, und daß eine Spule (19) dem Quecksilberring benachbart ist, in welcher durch die bei einer Relativbewegung zwischen Magnet und Quecksilberring in letzterem fließenden elektrischen Ströme eine Spannung induziert wird, welche das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers bildet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) des Beschleunigungsmessers (7) aus magnetisch leitendem Material besteht und als magnetischer RückschluQteil für den vom Permanentmagneten (22) ausgehenden, den Quecksilberring (25) durchsetzenden Magnetfluß dient.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnet (64) ein Permanentmagnet mit mehreren, vorzugsweise vier, getrennten Polstücken konzentrisch im Innenraum einer kreisringförmigen mit Quecksilber gefüllten Kammer (60) angeordnet ist, welche auf der Außenseite von einem ebenfalls kreisringförmigen magnetischen Rückschlußteil (62) umgeben ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorzugsweise der Anzahl der Polstücke entsprechende Anzahl von fensterförmigen Transformatorkernen (66) jeweils im Winkelraum zwischen zwei benachbarten Polstükken zumindest einen Teil des Quecksilberkanals (60) umschließend angeordnet und mit einer Sekundärwicklung (72) versehen ist, in welcher durch die bei einer Relativbewegung zwischen Magnet (64) und Quecksilber in letzterem fließenden elektrischen Ströme eine Spannung induziert wird, welche das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers (7) bildet.