DE1962137A1

DE1962137A1 - Einrichtung zum Messen von Drehbewegungen

Info

Publication number: DE1962137A1
Application number: DE19691962137
Authority: DE
Inventors: Podgorski Theodore J
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1968-12-16
Filing date: 1969-12-11
Publication date: 1970-07-02
Also published as: FR2026213A5; SE354723B; GB1266360A; NL6918782A; US3744908A; DE1962137B2; CH499781A; DE1962137C3

Description

DijriJng. R. Mertens- . "

/iv!., Aramslburgstraßa 34 ' ·

Frankfurt am Main, den 10.. Dez.. 1969

H 31 P 180 .

HONEYWELL INC.
2701 lourth Avenue South Minneapolis, Minn. USA

Einrichtung zum Messen von Drehbewegungen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Drehbewegungen durch Vergleich der Frequenz zweier gegenläufig in einem geschlossenen, mit einem ionisierten Gas gefüllten Pfad umlaufender, im wesentlichen monochromatischer elektromagnetischer Strahlenbündel, insbesondere Laserstrahlenbündel. Einrichtungen dieser Art sind beispielsweise im deutschen Patent 1 292 899 und Zusatz-Patent 1 300 320 beschrieben. Bei der Drehung des Umlaufpfades um seine Mittelsenkrechte ändert sich die wirksame Weglänge für die beiden gegenläufig umlaufenden Strahlenbündel., so daß sich entsprechend der Dopplerverschiebung bewegter Strahlungsquellen ein der Drehgeschwindigkeit proportionaler Frequenzunterschied zwischen den beiden Strahlenbündeln ergibt. Dieser wird als Kenngröße für die Richtung und Größe der Winkelgeschwxndigkeit ausgenutzt. Um bei niedrigen Winkelgeschwindigkeiten und demzufolge geringen Frequenzunterschieden das Mitziehen der beiden Frequenzen oder Einrasten auf eine Zwischenfrequenz zu vermeiden, werden bei den Einrichtungen gemäß der beiden obengenannten älteren Patente die beiden Laserstrahlenbündel periodisch im Umlaufpfad hin und her verschoben, so daß bei niedrigen Winke!geschwindigkeiten eine von dieser zusätzlichen Verschiebung herrührende vergrößerte Frequenzdifferenz auftritt. In den beiden Patenten werden sowohl mechanische als auch elektrische Maßnahmen zum Vermeiden des MitZiehens beschrieben.

"Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gegenüber den

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bereits vorgeschlagenen Einrichtungen verbesserte Anordnung zum Vermeiden des Mitziehens zu schaffen und zu einer Winkelgeschwindigkeitsmeßeinrichtung zu kommen, bei der die das Mitziehen vermeidenden Maßnahmen mit möglichst einfachen technischen Mitteln erreicht werden und die Winkelgesehwindigkeitsmessung nicht störend beeinflussen können.

Diese Aufgabe wird bei.einer Einrichtung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Pumpvorrichtung fe das ionisierte Gas (Plasma) ständig durch zumindest einen Teil des Umlaufpfades pumpt. Man erreicht also einen erzwungenen Frequenzunterschied hier dadurch, daß das eine Strahlenbündel sich in Richtung des Gasstromes im Umlaufpfad ausbreitet und demzufolge eine höhere Frequenz hat, weil seine wirksame Weglänge kürzer ist, während das andere Strahlenbündel der Strömungsrichtung des Gases entgegenläuft, demzufolge eine niedrige Frequenz hat, weil die wirksame Weglänge größer ist. Der Betrag,mit dem die beiden Frequenzen gegeneinander versetzt werden, hängt vom Grad der Pumpwirkung ab und kann so gewählt werden, daß unter normalen Betriebsbedingungen kein'Mitziehen erfolgt.

W Als besonders vorteilhaft erweist sich für diese Zwecke die Verwendung einer elektromagnetischen Induktionspumpe, weil diese keinerlei Eingriff in den gasdichten Umlaufpfad des Strahlenbündels erfordert und demzufolge auch keine Schwierigkeiten' dadurch entstehen können, daß das ionisierte Gas mit Teilen der Pumpe in Berührung kommt. Die Pumpe befindet sich vielmehr völlig außerhalb des Umlaufpfades und wirkt von außen auf das ionisierte Gas ein. Besonders günstig erweist sich eine'lineare elektromagnetische Induktionspumpe, welche beispielsweise einen gradlinigen Teil des Umlaufpfades umgeben kann und leicht angesetzt und abgenommen werden kann. Stattdessen kann sie auch auf das Gas in einer Beipaßleitung einwirken, welche einem Teil

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des Umlaufpfades parallelli'egt. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß die Pumpe nicht auf den Strahlenweg der beiden Strahlenbündel einwirkt und deshalb auch durch die Pumpe keinerlei Interferenzen hervorgerufen werden können. Die Möglichkeit 3 mit einer linearen Induktionspumpe leitfähige Medien in allseitig geschlossenen Gefäßen zu pumpen, · ist in zwei Veröffentlichungen iri "Proceedings of the Institution of Electrical Engineers" beschrieben und zwar in der Drucksache Nr. 2111U vom Juli 1956 durch L.R. Blake unter dem Titel '"Conduction and Induction Pumps for Liquid Metals" sowie in der Drucksache Nr. 2433U vom Dezember 1957 durch E.R. Laithwaite unter dem Titel "Linear Induction Motors".

Anstelle einer elektromagnetischen Induktionspumpe vom Lineartyp kann auch eine solche vom Ringtyp verwendet werden; In diesem Falle befindet sich der geschlossene Umlaufpfad innerhalb des Stators der Pumpe und erstreckt sich um eine Achse herum, die im allgemeinen parallel zu derjenigen des Stators liegt. Dieser kann die Form des Stators eines Induktionsmotors haben.

Bei jeder Art elektromagnetischer Induktionspumpe ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des von der Pumpe erzeugten magnetischen Feldes und damit die Pumpwirkung und mit dieser der Frequenzversatz der beiden Strahlenbündel proportional zur Frequenz des Erregerstromes für die Pumpe. Da es beispie lsweise bei Änderungen der minimalen Drehgeschwindigkeit erwünscht sein kann, den Frequenzversatz einstellbar zu machen, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, die Pumpe aus einer Energiequelle einstellbare Frequenz zu speisen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden, wo

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Figur 1 eine schematische Darstellung des Winkelgeschwindigkeitsmessers und

Figur 2 schematisch einen Ausschnitt hiervon in abgewandelter Form wiedergibt.

Der Winkelgeschwindigkeitsmesser enthält,'wie Figur"1 zeigt, im vorliegenden Fall einen dreieckförmigen geschlossenen rohrförmigen Umlaufpfad 1, in welchem zwei Strahlenbündel monochromatischer elektromagnetischer Strahlen£erzeugt durch eine P Laser-Strahlenquelle 3» in entgegengesetzter Richtung umlaufen. Der'Umlaufpfad ist wie üblich mit einem ionisierten Gas oder angeregten Plasma gefüllt. Zwei Spiegel % und 5 reflektieren die Strahlen an den beiden in der Zeichnung oberen Ecken des Dreiecks, während ein dritter Spiegel 6 halb-durchlassig ist und das Heraustreten der Strahlen aus dem an sich geschlossenen Umlaufpfad ermöglicht. Der im Gegenuhrzeigersinn umlaufende Strahl fällt dabei direkt auf den Frequenzdetektor 7, während der andere Strahl durch den Spiegel 6 hindurch auf einen Umlenkspiegel 8 fällt, welcher den im Uhrzeigersinn laufenden Strahl auf den Frequenzdetektor 7 ablenkt. Der Frequenzdetektor 7 mißt den Frequenzunterschied zwischen den beiden Strahlenbündeln, welcher, wie bereits erwähnt, der Winkelgeschwindigkeit .proportional ist, mit der sich das Gerät um eine im vorliegenden Fall senkrecht auf der Zeichenebene stehende Achse dreht. Das Ausgangssignal des Detektors 7 ist somit ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit um die genannte Achse.

Um den gewünschten Frequenzversatz zu erzwingen* umfaßt die Einrichtung ferner eine elektromagnetische Induktionspumpe 9 vom Lineartyp sowie eine in ihrer Frequenz einstellbare Energiequelle 10, welche über Verbindungsleitungen 11 an die Pumpe 9 angeschlossen ist. Die Pumpe 9 ist mit zwei vierpoligen Magnetkernen 12 und 13 ausgestattet, obwohl für manche Anwendungs-

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fälle ein einziger Kern ausreichen oder'sogar erwünscht sein kann. Die beiden Kerne 12 und IjJ liegen zu beiden Seiten des Laserrohres 1 einander gegenüber. Elektromagnetisch unterstützen die beiden Kerne einander, weil sich gegenüberstehende

versehen
Pole mit Windungen/sind,' welche einander parallelgeschaltet sind und den gleichen Wicklungssinn haben. So kann räa.n die beiden Wicklungen lH und 15 als in einem ersten Drehsinn gewickelt auffassenj welcher der gleiche ist wie derjenige der beiden Wicklungen 16 und 17. Die-übrigen vier Wicklungen 18 bis 21 sind mit entgegengesetztem Wickelsinn gewickelt. Um ein sich in Richtung des Rohres 1 fortpflanzendes Magnetfeld · zu erzeugen, wird der Strom durch die vier Wicklungen 16·, 17> 20 -und 21 mittels eines Kondensators 22 um 90° gegenüber dem Strom durch die anderen vier Wicklungen phasenverschoben. Demzufolge eilt zu jedem Zeitpunkt das Magnetfeld zwischen den Polstücken mit den Spulen 16 und 17 um 90° hinter dem zwischen den Polstücken mit den Spulen 1*1 und 15 her. Da die anderen vier" Spulen im entgegengesetzten Drehsinn gewickelt sind, eilt das Magnetfeld zwischen den Polstücken mit den Spulen 18 und 19 um 18O° hinter den Polen mit den Spulen 14 und 15 nach. Das Magnetfeld zwischen den Polen mit den Spulen 20 und 21 weist eine Phasennacheilung von 270° auf. Demzufolge wird während jeder Schwingungsperiode der Stromquelle 10 eine magnetische Welle die Länge der beiden Kerne 12 und 13 durchlaufen und durch magnetische Induktion das elektrisch leitende Gas mit konstanter Geschwindigkeit in der Röhre 1 entlangpumpen. Bei konstanter Stromamplitude hängt die Pumpwirkung von der Frequenz des Erregerstroms ab, die, wie erwähnt, an der Stromquelle 10 einstellbar ist. Das Strömen des Gases im Umlaufpfad 1 erhöht die Frequenz des einen Strahlenbündels und vermindert die des anderen Strahlenbündels, wodurch der gewünschte Prequenzversatz entsteht.

Die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform stimmt mit derjenigen

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gemäß Figur 1 weitgehend überein, ausgenommen, daß hier die lineare elektromagnetische Induktionspumpe 9 nicht unmittelbar an dem von den Strahlenbündeln durchsetzten Uniaufpfad angebracht ist. Sie wirkt vielmehr auf eine Beipaßleitung 23 ein, Vielehe zu einem Teil des Laserrohres 1 parallelliegt. Der dur.ch die Beipaßleitung 23 überbrückte Teil des Umlaufpfades weist eine Einschnürung 24 auf, welche jedoch die beiden Strahlenbündel'nicht beeinflußt, sondern bei Betrieb der Pumpe 9 sicherstellt, daß das Gas in der gewünschten Vie is e durch den gesamten Umlaufpfad strömt. Selbstverständlich schließt sich ein Teil des Gasstromes auch über die Einengung 24. Dies ist jedoch unwesentlich, solange eine gleichförmige Gasströmung durch den Hauptteil des Umlaufpfades 1 vorhanden ist.

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Claims

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Patentansprüche

\1J Einrichtung zum Messen von Drehbewegungen durch Vergleich der Frequenz zweier gegenläufig in einem geschlossenen, mit einem ionisierten Gas gefüllten Pfad umlaufender, im wesentlichen monochromatischer· elektromagnetischer Strahlenbündel, insbesondere Laser-Strahlenbündel, dadurch gekennzei chnet, daß eine Pumpvorrichtung "(9) das ionisierte Gas (Plasma) ständig durch zumindest einen Teil des Umlaufpfades (1) pumpt. -
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Pumpvorrichtung (9) eine elektromagnetische Induktionspumpe ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Pumpe (9) eine elektromagnetische Linearpumpe ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (9) auf das Gas in einer Beipaßleitung (23) einwirkt, welche einen Teil (2¹I) des Umlaufpfades parallelliegt.
5. Einrichtung nach Anspruch ¹I, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der von der Beipaßleitung (23) überbrückte Teil des Umlaufpfades (1) eine Einschnürung (24) aufweist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dad u r c h gekennzei chnet, daß die Pumpe (9) aus einer Energiequelle (10) einstellbarer Frequenz gespeist v/ird.

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L e e r s e i t e