DE2035342B2 - Vorrichtung zum Messen der Drehbewegung um eine bestimmte Achse - Google Patents

Description

konzentrischen Umfang trägt, einem Schwin- 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1

gungserzeuger, der in dem Umfang des Schwin- bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler

gungskörpers radial zur Drehachse gerichtete io (R) mit einer Einrichtung (106) verbunden ist, die

Schwingungen erzeugt, und einem Wandler, da- das von dem Wandler gelieferte Signal in ein die

durch gekennzeichnet, daß der Schwin- Drehzahl der Plattform (P) um die bestimmte

gungserzeuger (E) in dem Umfang des Schwin- Achse (Z-Z) anzeigendes Signal umwandelt,
gungskörpers (B) solche radiale Schwingungen erzeugt, die bei stillstehender Plattform einen 15
Schwingungsknoten enthalten und der Wandler

(i?) im Bereich (z. B. 24) eines Schwingungskno-

tens dieser Schwingungen neben dem Umfang des

Schwingungskörpers angeordnet ist, um zweite

radiale Schwingungen abzufühlen, die in dem Be- 20

reich des Knotens bei Drehung der Plattform um

die bestimmte Achse (Z-Z) auftreten. Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- zum Messen der Drehbewegung um eine bestimmte kennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger (E) A.chse mit einer um die Achse drehbaren Plattform, auf der Plattform (P) zum Schwingungskörper 25 die einen Schwingungskörper hohen Gütefaktors Q (B) ausgerichtet befestigt ist und mittels einer er- mit einem zur Achse konzentrischen Umfang trägt, sten Elektrode (70) eine Reihe von aufeinander- einem Schwingungserzeuger, der in dem Umfang des folgenden Spannungsimpulsen erzeugt, die die ra- Schwingungskörpers radial zur Drehachse gerichtete diale Schwingung des Schwingungskörpers an- Schwingungen erzeugt, und einem Wandler.

facht, und daß der Wandler (R) auf der Platt- 30 Bei einer Vorrichtung dieser Art (USA.-Patent-

form zum Schwingungskörper ausgerichtet be- schrift 3182512) ist der Schwingungskörper hohen

festigt ist und eine zweite Elektrode (76) enthält, Gütefaktors Q ringförmig ausgestaltet, und in seinem

die auf die Kapazität zwischen ihr und dem zur Meßachse konzentrischen Umfang werden die

Schwingungskörper anspricht. radialen Schwingungen erzeugt. Es ist jedoch ein aus

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 35 zwei in entgegengesetzter Richtung angetriebenen kennzeichnet, daß der Knoten (24), in dessen Be- Massen bestehendes ausgeglichenes Schwingungsreich der Wandler (R) angeordnet ist, einer von system erforderlich, bei dem der Ausgang als Schwinmehreren Knoten (16, 24, 32, 40) der Schwin- gungsreakiionsmoment in einem axialen Zwischengung des Schwingungskörpers (B) ist, die zwi- bereich abgenommen wird. Bei einer derartigen Aussehen Schwingungsbäuchen (10,18, 26, 34) liegen 40 bildung sind in der Praxis jedoch nur äußerst schwer und in den einen Bereichen herrschende radiale genaue Meßergebnisse zu erzielen.
Schwingungen in den anderen Bereichen keine Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wesentliche radiale Schwingung auslösen. Vorrichtung der eingangs erwähnten Art derart weiter

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- auszugestalten, daß durch weitgehendes Vermeiden kennzeichnet, daß der Winkelabstand zwischen 45 bewegter Teile eine erhöhte Meßgenauigkeit und einem Knoten und einem Schwingungsbauch Empfindlichkeit erzielt wird.

180/2n^c oder ein ungerades Mehrfaches beträgt, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

worin η die Zahl der Knoten der Schwingung löst, daß der Schwingungserzeuger in dem Umfang

über einen Bereich von 180° ist. des Schwingungskörpers solche radiale Schwingungen

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- 50 erzeugt, die bei stillstehender Plattform einen kennzeichnet, daß der Schwingungskörper (B) im Schwingungsknoten enthalten und der Wandler im wesentlichen glockenförmig symmetrisch zur be- Bereich eines Schwingungsknotens dieser Schwingunstirnmten Achse (Z-Z) ausgebildet ist und eine gen neben dem Umfang des Schwingungskörpers anLippe (L) enthält, die in einer senkrechten Ebene geordnet ist, um zweite radiale Schwingungen abzuzur Achse (Z-Z) liegt. 55 fühlen, die in dem Bereich des Knotens bei Drehung

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- der Plattform um die bestimmte Achse auftreten,
kennzeichnet, daß die Dicke der Wand der Der Umfang des Schwingungskörpers nimmt also Glocke (B) von der Lippe (L) zur Achse (Z-Z) ein bestimmtes Schwingungsbild an, und es wird desfortschreitend zunimmt. sen Drehwinkel, der eine Funktion der Drehung des

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, 60 Schwingungskörpers im Raum um die Achse ist, im dadurch gekennzeichnet, daß die Orte mindestens Bereich des Schwingungsknotens der Schwingung des zweier Knoten einen gemeinsamen Schnitt am Umfangs abgefühlt.

Schwingungskörper haben. In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge- der Schwingungserzeuger auf der Plattform zum kennzeichnet, daß der Schwingungskörper (B) und 65 Schwingungskörper ausgerichtet befestigt ist und mitdie Plattform (P) über einen Hals (5) im gemein- tels einer ersten Elektrode eine Reihe von aufeinansamen Schnitt und längs der Achse (Z-Z) mitein- derfolgenden Spannungsimpulsen erzeugt, die die ander verbunden sind. radiale Schwingung des Schwingungskörpers anfacht,

und daß der Wandler auf der Plattform zum Schwin- Der Grundaufbau der Erfindung wird an Hand der

gungskörper ausgerichtet befestigt ist und eine zweite Fi g. 1 und 2 allgemein erläutert. Ein Schwingkörper

Elektrode enthält, die auf die Kapazität zwischen ihr in Form einer GlockeB (Fig. 1) ist in senkrechter

und dem Schwingungskörper anspricht. Lage auf einer Plattform P über einen in ihrer Mittel-

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorge- 5 achse liegenden Hals 5 gehalten. Der Schwingkörper

sehen, daß der Knoten, in dessen Bereich der Wand- hat einen Rand oder eine Lippe L, die in radialer

ler angeordnet ist, einer von mehreren Knoten der Richtung zu der senkrechten Achse Z-Z der Glocke

Schwingung des Schwingungskörpers ist, die zwischen schwingen kann, zu welcher Achse der Ring im

Schwingungsbäuchen liegen und in den einen Berei- schwingungsfreien Zustand einen Kreis bildet. Der

chen herrschende radiale Schwingungen in den ande- io Werkstoff und die Abmessungen der Glocke werden

ren Bereichen keine wesentliche radiale Schwingung so gewählt, daß radiale Schwingungen in äußerst

auslösen. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der Win- wirksamer Weise mit einem geringen Energieverlust

kelabstand zwischen einem Knoten und einem je Schwingung im Verhältnis zur gesamten zugeleite-

Schwingungsbauch 180/2n° oder ein ungerades Mehr- ten Energie entstehen, d. h., daß Schwingungen eines

faches beträgt, worin η die Zahl der Knoten der 15 hohen Gütefaktors Q erzeugt werden.

Schwingung über einen Bereich von 180° ist. Ein Schwingungserzeuger £ erzeugt in einem Rand-

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist bereich der Glocke B radiale Schwingungen in Rich-

der Schwingungskörper im wesentlichen glockenför- rung der Achse X-X, die durch einen Radius von dem

mig symmetrisch zur bestimmten Achse ausgebildet Schwingungserzeuger E zur senkrechten Achse Z-Z

und enthält eme Lippe, die in einer senkrechten 20 bestimmt werden. Bei einer bevorzugten Ausfüh-

Ebene zur Achse liegt. Hierbei ist es zweckmäßig, rungsform der Erfindung werden diese Schwingungen

wenn die Dicke der Wand der Glocke von der Lippe mit einer solchen Frequenz erzeugt, daß die Lippe

zur Achse fortschreitend zunimmt. der Glocke entsprechend der Darstellung in F i g. 2

Vorteilhaft haben die Orte zweier Knoten einen schwingt, d. h., daß sich stehende Wellen bilden mit gemeinsamen Schnitt am Schwingungskörper. Hierzu 25 einem Schwingungsbauch im Bereich des Schwinist es zweckmäßig, wenn der Schwingungskörper und gungserzeugers E, einem weiteren Schwingungsbauch die Plattform über einen Hals im gemeinsamen auf der diametral gegenüberlingenden Seite in der Schnitt und längs der Achse miteinander verbunden Achse X-X und weiteren Schwingungsbäuchen senksind, recht zu den beiden erstgenannten. Diese stehenden

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist 30 Wellen bedingen Knotenpunktbereiche, die 45° ver-

vorgesehen, daß die von dem Schwingungserzeuger setzt zu den Schwingungsbäuchen liegen, wie dies

dem Schwingungskörper erteilten Schwingungen mit durch die strichpunktierten und gestrichelten Linien

einer im wesentlichen der Eigenschwingungsfrequenz in F i g. 2 dargestellt ist, die die Grenzlagen der

des Schwingungskörpers entsprechenden Frequenz er- Schwingung der Lippe L andeuten,

zeugt werden. 35 An einem der Knotenpunktbereiche der durch den

Schließlich ist vorgesehen, daß der Wandler mit Schwingungserzeuger E erzeugten stehenden Welle ist

einer Einrichtung verbunden ist, die das von dem ein Wandler R vorgesehen, der an dieser Stelle die

Wandler gelieferte Signal in ein die Drehzahl der radialen Schwingungen der Lippe L der Glocke B ab-

Plattform um die bestimmte Achse anzeigendes Si- fühlt. Da der Wandler R in einem Knotenpunkt liegt,

gnal umwandelt. 40 spricht er gar nicht oder nur wenig an, wenn die

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird Plattform P steht. Wird jedoch die Plattform P um ein einfacher Aufbau erzielt, der eine leichte Mon- die Achse Z-Z gedreht oder bewegt sie sich in einer tage und eine einfache Einjustierung der Vorrichtung Richtung, bei der sich eine Komponente in Umfangsermöglicht. Die Messung der Drehung des Schwin- richtung zur Achse Z-Z ergibt, so fühlt der Wandgungskörpers kann durch einen einfachen Phasen- 45 ler R radiale Schwingungen ab, deren Größe in Abwandler bewirkt werden. Insbesondere bei Verwen- hängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit der Plattdung einer Glocke als Schwingungskörper wird eine form P steht. Der Ausgang des Wandlers R liefert hohe Meßgenauigkeit erzielt. also eine Anzeige für die Umfangsgeschwindigkeit der

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Plattform P um die senkrechte Achse Z-Z oder um

Erfindung dargestellt. Es zeigt 50 eine zu dieser parallelen Achse. Dieser Ausgang kann

F i g. 1 eine perspektivische schematische Darstel- in üblicher Weise integriert werden, um die Gesamt-

lung einer Vorrichtung nach der Erfindung, drehung zu ermitteln.

F i g. 2 eine Draufsicht auf den schwingenden Teil Die Wirkungsweise ergibt sich aus F i g. 2. Wie der Vorrichtung nach Fig. 1 in der Ruhelage und dargestellt, hat die Lippe L normalerweise im schwinden beiden Grenzlagen der Schwingung, wobei das 55 gungsfreien Zustand kreisförmige Gestalt, wie sie Ausmaß der Schwingung der Deutlichkeit halber durch die ausgezogene Linie in F i g. 2 dargestellt ist. übertrieben dargestellt ist, Wie bereits erwähnt, sind die Grenzlagen der radia-

Fig. 3 eine schematische Da;stellung einer Aus- len Schwingung der Lippe in strichpunktierten und

führungsform der Erfindung mit zugeordneten elek- gestrichelten Linien eingezeichnet. Die Lippe L

trischen Kreisen, 60 schwingt in radialer Richtung im Bereich 10 zwischen

F i g. 3 a ein detaillierter Ausschnitt aus F i g. 3 mit den Punkten 12 und 14, im Bereich 18 zwischen den

einem abgewandelten elektrischen Kreis, Punkten 20 und 22, im Bereich 26 zwischen den

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung einer ande- Punkten 28 und 30 und im Bereich 34 zwischen den

ren Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Er- Punkten 36 und 38. Alle diese Punkte sind Schwin-

findung mit zugeordneten elektrischen Kreisen und 65 gungsbäuche in der stehenden Welle, die durch den

F i g. 5 eine Zusammenstellung der Wellenformen Schwingungserzeuger E erzeugt werden, der hierzu

innerhalb der Vorrichtung und der Steuerkreise nach mit einer geeigneten Frequenz erregt wird. Zwischen

F i σ 4 den erwähnten Schwingungsbäuchen liegen Knoten-

punktbereiche 16, 24, 32 und 40 im wesentlichen um rungsbeispiel ein auf einer Unterlage 54 drehbarer 45° in Umf angsrichtung zur Achse X-X versetzt. In Tisch. Die Plattform P ist durch ein nicht dargestelldiesen Punkten ergibt sich im wesentlichen keine ra- tes Schneckengetriebe und eine Handkurbel 56 drehdiale Schwingung, wenn die Plattform stillsteht. Es bar, wobei die Drehbewegung durch eine Anzeigeeinist jedoch festzustellen, daß beim Schwingen der 5 richtung feststellbar ist. Die Glocke B kann somit zuLippe in die elliptische Form 12, 22, 28 und 36 die sammen mit der Plattform P um die senkrechte Achse Bogenlänge zwischen den Knotenbereichen 16 und 40 Z-Z mit einer durch die Drehzahl der Handkurbel 56 bzw. 24 und 32 sich vergrößert, während die Bogen- bestimmten Geschwindigkeit gedreht werden,
länge zwischen den Bereichen 16 und 24 bzw. 32 Die Plattform P trägt eine Stütze 58 für den und 40 abnimmt. Die Knotenpunktbereiche 24 und io Schwingungserzeuger E, der in der Achse X-X aus-40 versuchen sich also entgegengesetzt dem Uhr- gerichtet zur Lippe L der Glocke B angeordnet ist. zeigersinn von der schwingungsfreien Mittellage zu Ferner trägt die Plattform P eine Stütze 60 zur Aufbewegen, während die Knotenpunktbereiche 16 und nähme des Wandlers R in dem Bereich der Lippe L 32 aus ihren schwingungsfreien Lagen im Uhrzeiger- an einer 45° zur Achse X-X versetzten Stelle, wobei sinn sich zu bewegen suchen. Nimmt die Lippe L die 15 er in einer zur senkrechten Achse Z-Z senkrechten entgegengesetzte Grenzlage ein, die durch die Punkte Ebene liegt.

14, 20, 30 und 38 bestimmt ist, so bewegen sich die Der Lippe L werden durch den Schwingungserzeu-

Knotenpunktbereiche 24 und 40 im Uhrzeigersinn ger E radiale Schwingungen erteilt. Hierzu dient eine

von der schwingungsfreien Mittellage fort, während Mikrometerhülse 70 α, die auf der Stütze 58 befestigt

sich eine Bewegung der Knotenpunktbereiche 16 und 20 ist und einen beweglichen Teil 70 b enthält, der in

32 in Umf angsrichtung entgegengesetzt dem Uhrzei- radialer Richtung durch Drehen des Stellknopfes 70 c

gersinn ergibt. zur Lippe L einstellbar ist. Die Mikrometerhülse 70 a

Die Knotenpunktbereiche 16, 24, 32 und 40 be- ist gegen die Stütze 58 durch eine nicht dargestellte

wegen sich also in Umfangsrichtung infolge der auf Isolierbüchse elektrisch isoliert. Die Lage der Stütze

die Glocke ausgeübten radialen Schwingungen, wobei 35 58 für den Schwingungserzeuger E ist in bezug zur

diese Bewegungen mit der gleichen Frequenz erfolgen Lippe L durch Schrauben 62 mit T-Kopf einstellbar,

wie die radialen Schwingungen aufweisen. Wird die die in radiale Schlitze 52 der Plattform greifen und

Plattform P um die senkrechte Achse Z-Z gedreht durch bogenförmige Schlitze in einer Grundplatte 64

oder bewegt sie sich so, daß eine Komponente in Um- der Stütze 58 treten, um eine Einstellung in dieser

fangsrichtung zur Achse Z-Z entsteht, so erzeugen 30 Richtung zu ermöglichen.

die Umfangsbewegungen der Knotenpunktbereiche Die Spitze des beweglichen Teils 70 b liegt in ge-16, 24, 32 und 40 radiale Kräfte. Diese ergeben sich ringem Abstand von der Lippe L. Eine Spannungsaus der Coriolisbeschleunigung in Verbindung mit differenz zwischen dem beweglichen Teil 70 b des den im wesentlichen linearen Umfangsschwingungen Mikrometers und der Lippe L bestimmt ein elektro- und der Drehbewegung der Plattform. Die vorher von 35 statisches Feld, das die Lippe L in Richtung auf die radialen Schwingungen freien Bereiche erhalten eine Spitze des beweglichen Glieds 70 ^μ ablenkt. Die zuradiale Schwingung, deren Größe durch die ur- geführte Spannung ist eine Wechselspannung mit sprünglichen Umfangsschwingungen und die Winkel- einer Frequenz, die im wesentlichen der Eigenfregeschwindigkeit der Plattform P um die senkrechte quenz der Lippe L entspricht, wobei jedoch zu beAchse Z-Z bestimmt ist. Es ergibt sich hieraus, daß 40 rücksichtigen hl, daß diese kein freier Körper ist, der Wandler R bei stillstehender Plattform P keinen sondern nut der Glocke B ein Ganzes bildet, wodurch Ausgang liefert; er ergibt jedoch einen Ausgang. die Eigenfrequenz beeinflußt wird. Die Schwingungswenn die Plattform P um die senkrechte Achse Z-Z erzeugung erfolgt durch einen Oszillator 90, der in gedreht wird. Selbsterregung mit im wesentlichen der Resonanzfre-

Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform 45 quenz der Glocke B gelangt, beispielsweise 1600 Hz.

eines Geräts nach der Erfindung ist die Glocke B Der Ausgang dieses Oszillators 90 wird durch einen

symmetrisch zur senkrechten Achse Z-Z ausgebildet Verstärker 94 verstärkt und durch einen Halbwcllen-

und ist mit der Plattform P über einen Teller 42 ver- gleichrichter 98 gleichgerichtet Die sidi ergebende

bunden. Die Glocke B wird z. B. aus einem Block Spannung wird dem beweglichen Glied 70 b des Mi-

der Aluminiumlegierung 2024-T4 gedreht wobei der 5° krometers zugeleitet, das also eine Folge von gleich-

Teller 42 in einer senkrecht zur Achse Z-Z liegenden gerichteten Halbwellenimpulsen erhält, die in der

Ebene liegt Die Glocke B ist mit dem Teller 42 durch Eigenschwingungsfrequenz der Glocke B aufeinan-

den Hals S verbunden, von dem aus sich die Glocke derfolgen. Die einzelnen Impulse liegen also in genau

napfförmig nach oben erstreckt Der mittlere Raum gleicher Phase und verstärken die Schwingung der

44 wird durch konkav-konvexe Seitenwände 46 ge- 55 Glocke, so daß diese eine wesentlich größere Energie

bildet und endet oben in der zylindrischen lippe L. erhält und die Größe der Schwingung wesentlich grö-

Die Glocke B wird mit abnehmender Wandstärke ßer wird als bei einem einzigen schwingungsanregen-

vom mittleren Bereich 44 zur Lippe L hin gebildet. den Puls. Mit anderen Worten wirkt die Lippe L der

Der Napf ist im wesentlichen halbkugelförmig, so daß Glocke B ähnlich einem elektrischen Schwingungs-

die Seitenwandung 46 einen im wesentlichen konstan- 60 kreis hohen Gütefaktors Q.

ten Krümmungsradius um den Schnittpunkt der Die Amplitude der erzeugten Schwingung ist durch

Achsen X-X, Y-Y und Z-Z hat Die Lippe L hat je- den Abstand der Spitze des beweglichen Teils 70 b

doch — wie erwähnt — im wesentlichen zylindrische des Mikrometers 70 von der Lippe L wie auch von

Form zur Achse Z-Z und weist eine im wesentlichen der Größe der aufeinanderfolgenden dem beweglichen

konstante Dicke auf. 65 Teil 70 b zugeleiteten Spannungsimp ilse gegeben.

Der Teller 42 der Glocke B ist über T-förmige Der Wandler R kann beispielsweise ein Abstands-

Klemmstücke 50 in radialen Schützen 52 der Platt- messer einer bekannten Bauart seir» Ein derartiger

form P festgespannt Die Plattform P ist im Ausfüh- Abstandsmesser hat eine Abf ihlelektrode 76

(Fig. 3a) mit einer zentralen isolierten Sonde76a. Koaxial zur Sonde 76 a und von dieser isoliert ist eine Schutzelektrode 76 b vorgesehen, die in geeigneter Weise mit der Stütze 60 verbunden ist. Die Schutzelektrode und die Sonde sind durch nicht dargestellte Isolationen von der Stütze 60 elektrisch isoliert. Die Sonde und die Schutzelektrode reichen bis dicht an die Lippe L, so daß die Kapazität zwischen der Sonde und der Lippe L ein Maß für die radiale Ausbiegung der Lippe im Bereich der Sonde ist. Die Schutzelektrode 76 b verringert hierbei die Wirkung des elektrischen Streufeldes zwischen der Sonde und der Lippe L und schützt die Sonde ferner vor Fremdfeldern. Die Stellung der Stütze 60 ist zur Lippe L über Schrauben 62 mit T-Kopf einstellbar, die in radiale Schlitze 52 der Plattform P greifen und durch bogenförmige Schlitze in einer Grundplatte 64 der Stütze 60 treten, um eine Einstellung in dieser Richtung zu ermöglichen.

Die ganze Wandlereinrichtung ist in F i g. 3 bzw. 3 α schematisch dargestellt. Die Einrichtung kann aus einem Oszillator 110 bestehen, der mit einer geeigneten Frequenz, beispielsweise 5OkHz, arbeitet und eine im wesentlichen konstante Spannung am Ausgang als Trägerwelle liefert. Der Ausgang des Oszillators 110 wird einem kapazitiven Spannungsteiler zugeleitet, der aus einem Kondensator 112 und der Kapazität zwischen der Sonde 76 a und der Masse 114, an der die Glocke liegt, bestimmt ist.

Schwingt die Lippe L und bedingt damit eine veränderliche Kapazität zwischen der Sonde 76 und der Masse 114, so ändert sich die Spannung am Punkt 116, wobei diese Änderung von der Größe der radialen Ausbiegung der Lippe L abhängig ist und eine Frequenz aufweist, die der Frequenz der Lippenschwingung entspricht. Die so am Punkt 116 modulierte Spannung wird in einem Verstärker 117 verstärkt und anschließend durch einen Gleichrichter 118 gleich gerichtet, um eine Frequenzkomponente zu erzeugen, die der Frequenz der Kapazitätsänderung an der Sonde 76 a (beispielsweise 1600Hz) entspricht. Ein Anschluß an Masse 115 ist vorgesehen, um eine Rückkopplung am Verstärker 117 des Abstandsmessers zu ermöglichen, die durch die an Masse liegende Glocke B notwendig ist.

Der Ausgang des Gleichrichters 118 ist mit einem Filter 102 verbunden, das als Schmalbandfilter für die der Lippe L aufgedrückte Frequenz, beispielsweise 1600Hz, ausgebildet ist, so daß der Ausgang des Filters 102 zum Leiter 104 eine Sinuswelle ist, deren augenblickliche Amplitude durch die radiale Schwingung der Lippe L bestimmt ist Diese Welle wird durch den Phasenmesser 106 gemessen und angezeigt. Der Phasenmesser kann ein phasenempfindlicher Demodulator sein, der Phase und Amplitude eines zu erfassenden Signals in bezug zu Vergleichswerten anzeigt Der Phasenmesser 106 liefert bei dem erfmdungsgemlßen Gerät ein der Umfangsgeschwindigkeit der Plattform P um die senkrechte Achse Z-Z proportionales Signal, das positiv bei Drehung im Uhrzeigersinn und negativ bei Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn ist

Für Zwecke der Einjustierung ist es erwünscht, eine Anzeige der Größe des Ausganges des Filters 102 in Beziehung zum Ausgang des Oszillators 90 zu haben. Wie Fig. 3 zeigt, kann hierzu der Ausgang des Filters 102 einem zweistrahligen Oszffioslcop 119 zugeleitet werden. Der eine Strahl des Oszflloskops 119 spricht auf den Ausgang des Oszillators 90 im Leiter 92 an, während der andere Strahl auf den Ausgang des Filters 102 anspricht, so daß die Amplituden der Schwingungen leicht beobachtet werden

können. Bei einer Stellung der Stütze 60 in Abstand von dem Knotenpunkt der stehenden Schwingung der Lippe L spricht die Sonde 76 ft auf aufgedrückte Schwingungen an, und es kann die Frequenz des Oszillators 90 geändert werden, während am Oszilloskop die Amplituden der Wellen des Filters 102 und des Oszillators 90 beobachtet werden. Durch Einstellung der Frequenz auf einen maximalen Ausgang des Filters 102 kann der Oszillator 90 auf die Eigenfrequenz der Glocke B eingestellt werden. Nach dieser Einstellung ist es dann möglich, die Stütze 60 in Umfangsrichtung einzustellen, bis der Ausgang am Filter 102 im wesentlichen verschwindet. Dies zeigt an, daß die Stütze im Bereich des Knotens liegt. Während des Betriebes kann dann der Ausgang des Filters 102 beobachtet werden, um die Drehung der Plattform P um die senkrechte Achse Z-Z zu ermitteln.

Das in F i g. 4 dargestellte Gerät ist so ausgebildet, daß die geeignete, der Lippe L aufgedrückte Frequenz automatisch eingehalten wird. Dem Gerät nach F i g. 3

as entsprechende Teile haben gleiche Bezugszeichen erhalten. Dieses Gerät hat einen zusätzlichen Wandler 80, der in der Achse X-X dem Schwingungserzeuger E diametral gegenüberliegt. Der Wandler 80 kann die gleiche Bauweise wie der Wandler R aufweisen und in gleicher Weise mit einer Trägerwelle erregt werden. Der Wandler 80 liefert eine Ausgangsspannung über ein Filter 84, das dem Filter 102 der Ausführungsform nach F i g. 3 entspricht, und diese Spannung hat einen Augenblickswert, der durch die radiale Lage der Lippe L am Punkt 26 bestimmt ist. Diese sinusähnliche Spannung wird durch einen Phasenschieber 88 um 90° phasenverschoben und über den Leiter 92 dem Verstärker 94 zugeleitet, der über den Leiter 96 den Gleichrichter 98 speist, wodurch die Elektrode 70 des Schwingungserzeugers E versorgt wird, die von gleicher Bauart wie bei dem Gerät nach F i g. 3 ist. Eine Rückkopplungsschleife führt von dem Schwingungserreger E über die Lippe L zum Wandler 80 und dann über das Filter 84, den Phasenschieber 88.

den Verstärker 94 und den Gleichrichter 98 zum Schwingungserzeuger £ zurück. Diese selbstschwingende Schaltung hat eine Eigenfrequenz, die im wesentlichen durch die mechanische Eigenfrequenz der radialen Schwingung der Lippe L bestimmt ist Die Rückkopplungsschleifenverstärkung, die durch den Schwingungserzeuger E, den Abfühler80, das Filter 84, den Phasenschieber 88, den Verstärker 94 und den Gleichrichter 98 gegeben ist legt die Amplitude der Schwingungen fest, die auf einem konstanten Wert bleibt solange die Rückkopplungsschleifenverstärkung konstant gehalten wird.

Bei dem Gerät nach Fig.4 ist der eine Eingang zum Phasenmesser 106 vom Filter 102 über einen Verstärker 103 zugeleitet, während der andere Eingang von dem Ausgang des Filters 84 über einen Verstärker 77 und einen Phasenschieber 79 eingebracht ist Der Phasenschieber 79 bewirkt eine Phasenverschiebung von im wesentlichen 90° zwischen den beiden Eingängen, wenn die Glocke B nicht umläuft.

Das Filter 102 ood der Verstärker 103 ergeben eine im wesentlichen sinusförmige Welle bei der aufgedrückten Frequenz, wenn die Glocke B um die senkrechte Achse Z-Z gedreht wird. Dieses Signal wird

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dem Phasenmesser 106 zugeleitet. Dieser erhält auch Wie bereits beschrieben, ist der Ausgang 86 des die Sinuswelle der aufgedrückten Frequenz über das Filters 84 (Fig. 4) ein Augenblicks wert, der durch Filter 84, den Leiter 86, den Verstärker 77 und den die Lage der Lippe L in bezug zum Wandler 80 bePhasenschieber 79. Letzterer ist so eingestellt, daß er stimmt ist. Diese Wellenform ist durch die Kurve 124 ein Signal am zweiten Eingang des Phasenmessers 106 5 in F i g. 5 dargestellt und ist eine Wechselspannung, liefert, das im wesentlichen mit dem Signal vom FiI- die im wesentliche phasengleich mit der Welle 122 ter 102 und Verstärker 103 in Phase liegt oder im der mechanischen Schwingung ist.
wesentlichen 180° phasenverschoben ist, wenn die In gleicher Weise ist der Ausgang 126 des Verstä:- Glocke um die senkrechte Achse Z-Z gedreht kers 94, der durch den Gleichrichter 98 gleichgerichwird. ίο tet ist, um die Halbwellenimpulse 120 zu bilden, durch

Der Phasenmesser 106 mißt die in gleicher Phase den Phasenschieber 88 phasenverschoben, wie F i g. 5 liegende Komponente des Signals vom Verstärker 103 zeigt. Die Bewegungen der Bereiche 16, 24, 32 und 40 in bezug zum Phasenschieber79. Wird die Glocke B (Fig. 2) erf ilgen entsprechend der radialen Ausbieum die senkrechte Achse Z-Z in einer Richtung ge- gung der Lippe L, und die dvrch die Coriolisbeschleudreht, so ändert sich diese Komponente in positivem 15 nigung erzeugte radiale Kraft ist in gleiche Phase mit Sinne. Dreht sici. die Glocke B jedoch um die Achse dieser Bewegung in Umfangsricbtung und ist von der Z-Z in der anderen Richtung, so erhöht sich diese Winkelgeschwindigkeit um die Achse Z-Z abhängig. Komponente in negativem Sinne. Durch den Phasen- Die Corioliskraft in den Bereichen 24 und 40 ändert vergleich dient das Gerät somit gleichzeitig der Mes- sich bei umlaufender Plattform P entsprechend der sung der Richtung und der Größe der Drehbewegung 20 Welle 128. Die sich ergebende radiale Bewegung in der Glocke B. Zusätzlich sind Fremdsignale in der den Bereichen 24 und 40 ist von gleicher Frequenz. Sonde 76 bei der aufgedrückten Frequenz 90" phasen- jedoch phasenverschoben, wie dies die Kurve 130 in verschoben mit den die Drehbewegung der Glocke B F i g. 5 zeigt. Diese Bewegungen werden wiederum anzeigenden Signalen, so daß diese von dem Phasen- von dem Wandler R abgefühlt, um die Ausgangsmesser 106 nicht erfaßt werden. Sie erscheinen daher 25 spannung am Filter 102 zu bilden, die durch die nicht in dessen Anzeige. Der Phasenmesser 106 ist Kurve 132 in F i g. 5 dargestellt ist.
auch verhältnismäßig unempfindlich gegen Fremd- Um optimale Ergebnisse zu erzielen, ist auf Bausignale, die nicht die aufgedrückte Schwingungsfre- art und Betriebsbedingungen besonders zu achten. quenz aufweisen, so daß das Gerät weitgehend ge- So ist eine hohe Meßgenauigkeit der Wandler 76 und räuschfrei arbeitet. 30 80 anzustreben, ferner eine maximale Amplitude der

Die Erzeugung der Schwingungen der Lippe L wird Ausbiegung der Seitenwände 46 der Glocke B und nun an Hand der Fi g. 5 erläutert, bei der verschie- der Lippe L. Die Bewegungen der Lippe sollten einen dene Wellenformen über gleiche Zeiten aufgetragen maximalen Ausschlag haben, jedoch die Spannungen sind. Bei anfänglich nicht erregter Glocke B, jedoch in dem Werkstoff der Glocke B innerhalb der elaeingeschalteter Rückkopplungsschleife, wird eine an- 35 stischen Grenzen halten. Hierbei ist es erwünscht, fängliche Änderung aus der Ruhelage durch einen daß die Elastizitätsgrenze des Werkstoffes der Stoß od. dgl. von dem Wandler 80 abgefühlt, ver- Glocke B möglichst hoch liegt, der Werkstoff jedoch stärkt und dem Schwingungserzeuger E zugeleitet. eine ausreichende Widerstandsfähigkeit und einen Diese Wirkung setzt sich in positivem Sinne fort, bis hohen Gütefaktor Q hat. Die maximale Ausbiegung sich die Rückkopplungsschleifenverstärkung so weit 40 für eine bestimmte Spannungsbelastung ist im wesentvermindert, daß sie die Schwingung gerade noch auf- liehen durch die Biegewirkung der Seitenwände 46 rechterhält Das heißt, daß zu Beginn der Erregung der Glocke B um den Hals 5 gegeben. Es wurde festdie Verstärkung groß ist und jede von dem Wand- gestellt, daß eine maximale Größe erreicht werden ler 80 abgefühite Schwingung verstärkt wird und dem kann, wenn ein maximaler Radius α und eine Min-Schwingungserzeuger E zur weiteren Erhöhung der 45 destwandstärke h (F i g. 4) gewählt wird.
Amplitude zugeleitet wird. Die Amplitude der Span- Um die Schwingung der Glocke B aufrechtzuerhalnung des Schwingungserzeugers E, die Abweichung ten, wie sie zuvor beschrieben wurde, ist eine wiederder Bereiche 10 und 26 (F i g. 2) der Lippe L und die holte Zuleitung von Energie zu den Seitenwänden 46 Amplitude am Wandler 80 erhohen sich demzufolge erforderlich, ohne daß die Stärke dieser Kraft ein fortschreitend bis zu dem Punkt, an dem die Rück- 50 Überschreiten der elastischen Grenzen des Werkkopplungsschleifenverstärkung zu fallen beginnt Das Stoffs bedingt Die Energiezuleitung bei jeder Schwin-Ergebnis ist eine Reihe von Impulsen, die von der gong ist vorzugsweise gering, nicht nur, um den Lei-Elektrode 70 geliefert, die gewünschte Schwingung stungsaufwand des Geräts zu verringern, sondern um der Glocke B in Eigenfrequenz anfachen. Beim Er- auch das Signal gegenüber Störsignalen groß zu regen dieser radialen Schwingungen liefert die Elek- 55 machen, so daß die erforderliche Kraft zum Untertrode 70 aufeinanderfolgend gleichgerichtete Impulse drücken der Einwirkung elektronischer Geräusche 120 (F i g. 5). Die radialen Bewegungen der Be- und Fluchtfehler des Schwingungserzeugers und der xeiche 10 und 26 der Lippe L erfolgen nach der WeI- Wandler geringer werden. Diese Einflüsse können lenfonn 122. Mit anderen Worten wird zunächst eine sonst als eingangsbedingte Signale angesprochen weranziehende Kraft auf den Bereich 10 der Lippe aus- 60 den. Es ist daher erwünscht, den Werkstoff mit einem geübt wenn sich diese in dem Punkt 14 befindet Die maximalen Wert Q auszuwählen. Der Wert Q ist das Anziehungskraft endet, wenn der Bereich 10 durch Verhältnis der in dem schwingenden System enthaldie spannungsfreie Mittellage geht und geht dann in tenen Energie zu der während einer Schwingung verdie andere Endlage 12 über, wo die weitere An- brauchten Energie. Werkstoffe, die einen günstigen ziehungskraft durch die nächste Halbwelle des Gleich- 65 ß-Wert haben und Elastizitätsgrenzen und Elastizirichters 98 abgesperrt ist. Die Lippe L bewegt sich tätsmoduli geeigneter Größe aufweisen und dabei dann durch die mechanische Federwirkung zu dem leicht bearbeitbar sind, sind Aluminiumlegierungen Punkt 14 zurück. wie beispielsweise 2024-T4, das im wesentlichen aus

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93,4% Aluminium, 4,5 °/o Kupfer, 1,5 °/o Magnesium und 0,6% Mangan besteht. Auch Silizium-Aluminiumbronze oder Verbindungen mit 96 % Kupfer, 3% Silizium, 1 % Mangan oder 91% Kupfer, 7% Aluminium und 2% Silizium sind geeignete Werkstoffe.

Die Glocke B ist vorzugsweise aus 2024-T6 Aluminium hergestellt, das einen Elastizitätsmodul von 0,742 ■ 10« kg/cm* und einen Wert Q von 3000 in Luft, 3100 in Helium und bis zu 12000 in einem Vakuum von 10~² Torr aufweist. Die Glocke ist auf eine Eigenfrequenz von 1600Hz mit einer Genauigkeit von 0,03 Hz oder weniger längs der Achse X-X und der zu dieser um 45° versetzten Achse des Wandlers R abgestimmt. Bei dem Gerät nach F i g. 3 besteht die Seitenwand 46 aus einem zylindrischen Randteil 48 und einem anschließenden kugelförmigen Teil 47 mit einem mittleren Radius α von 25,4 mm. Die Dicke der Seitenwände 46 ändert sich von dem Bereich 47 bis zum Wert A₀ im mittleren Bereich 44 entsprechend der Formel

h = ^h° (l

cos Qf,

worin Θ der sphärische Winkel von der Polarachse durch den Mittelpunkt 44 ist. Diese Ausbildung der Dicke der Wandung der Glocke B ergibt eine gleichmäßige Spitzenbelastung an allen Stellen. Der Rand 48 hat eine konstante Dicke von ^-, im Ausführungsbeispiel etwa 0,635 mm, und eine axiale Länge in Richtung der Achse Z-Z von etwa 6,35 mm. Diese Ausbildung erhöht das Moment der Lippe L, um eine erhöhte Abweichung zu erzielen, wenn die obenerwähnten Colioliskräfte auf den Rand einwirken.

Die Wandler 76 und 80 und der Schwingungserzeuser 70 °emäß Fig.4 haben beispielsweise einen Durchmesser von 2,032 mm, und die Wandlerelektroden haben einen Abstand von 0,0254 mm in radialer Richtung von der Lippe L, wenn diese schwingungsfrei ist Das Signal des Verstärkers 94 betragt 2230 Volt zwischen Null und dem Höchstwert und die Signale der Wandler 76 und 80 haben eine Empfindlichkeit von 230 Millivolt je 0,00254 mm Ablenkung Bei dem Gerät nach Fig. 4 smd die gemessenen Ausgänge der zu ermittelnden Drehbewegung linear bis zu Werten von 25° je Sekunde.

Die Knotenbereiche 16, 24, 32 und 40 und die Schwingungsbäuche 12, 20, 28 und 38 können axial nach unten an der Glocke B bis in den Mittelbereich 44 reichen, wo sie sich schneiden und die sich ergebenden Bewegungen sowohl in radialer als auch in tangential Richtung im wesentlichen Null werden. Der Hals S stört nicht die Erregung der Schwingungen, und die von der Umgebung über den Hals S zur Glocke B gelangenden Schwingungen aus der Umgebung werden von den Wandlern nicht erfaßt Das wichtigste konstruktive Merkmal der Glocke B besteht darin, daß sie symmetrisch zur senkrechten Achse Z-Z ausgebildet ist und im Bereich dieser Achse mit ihrer Mitte abgestützt ist Diese Symmetrie kann mit leichtem Aufwand durch normale Bearbeitung erreicht werden.

Das System kann mit höheren Frequenzen erregt werden, um eine größere Anzahl von Schwingungsbäuchen und Knoten zu erreichen, beispielsweise 6 oder sogar 8 an Stelle von 4 bei π = 2. Hierbei bilden sich Schwingungsbäuche und Knoten längs des Umfangs mit Winkelabstand voneinander, der 180
Grade entspricht, wobei η die Zahl der Schwin-

gungsbäuche oder Knoten über 180° ist.

Bei allen Ausführungsformen des Geräts nach der Erfindung ist es erwünscht, den Schwingungskörper so auszubilden, daß er eine verhältnismäßig kleine Energiezufuhr je Schwingung der aufgedrückten

ίο Schwingung in bezug zur aufgenommenen Energie erhält. Dies hat den Vorteil, den geringsten Energieverbrauch zu erhalten. Ferner ist es erwünscht, die Amplitude der Schwingungen über kurze Zeitläufe im wesentlichen konstant zu halten, wenn der Einfluß der Drehbewegung der Plattform gemessen werden soll. Auf Grund dieser Überlegungen ist es erwünscht, eine Schwingung mit hohem Gütefaktor Q zu erhalten und die damit bedingten langen Abklingzeiten. Die wesentlichen Einflüsse, die das Verhältnis Q der aufgenommenen Energie zur je Schwingung zugeleiteten Energie bestimmen, sind die Gestalt des Schwingungskörpers der Elastizitätsmodul des Werkstoffs des Schwingungskörpers, die Dichte des Werkstoffs des Schwingungskörpers und der Verlustbeiwert des Werkstoffs bei der Ausbiegung. Bei Verwendung eines Schwingungskörpers in Form einer Glocke erhöht sich zweckmäßig deren Dicke von der Lippe zur Achse der Glocke, um eine im wesentlichen gleichmäßige Biegespannung über die gesamte Oberfläche der Glocke zu erhalten. Der Elastizitätsmodul des Werkstoffs der Glocke sollte möglichst groß sein, so daß eine Schwingung großer Amplitude innerhalb der elastischen Grenzen des Werkstoffs bei geringsten Energieverlusten möglich wird. Die Dichte des Werkstoffes der Glocke bestimmt die gespeicherte Energie und die Frequenz und das Moment der Schwingungen und sollte ebenfalls so groß wie möglich gemacht werden. Auch die Energieverluste des Materials während der Schwingung bestimmen den Energieverlust je Schwingung und sollten möglichst klein gehalten werden. Wie bereits erwähnt, sind Aluminiumlegierungen 2024-T4 für die Erreichung dieser Eigenschaften besonders geeignet, obwohl auch andere Werkstoffe derartige Bedingungen erfüllen können.

Im Ausführungsbeispiel ist der Schwingungskörper als Glocke beschrieben, jedoch können abgewandelte napfähnliche Formen verwendet werden in Form von Schiffs- oder Kirchenglocken, ferner können auch Doppelfonnen verwendet werden, um eine kugelähnliehe Gestalt zu erhalten. Jedoch ist bei allen Formen ein nachgiebiger Ringbereich notwendig, der in radiale Schwingungen versetzt werden kann und erne stehende Welle mit Schwingungsbäuchen und Knotenpunkten ermöglicht In der vorstehenden Beschreibung sind nur die ausschlaggebenden Schwingungen erwähnt Tatsächlich unterliegt die Lippe L der Glocke komplexen Schwingungen einschließlich der radialen und in Umfangsrichtung liegenden Schwingung, die alle in irgendeiner Weise miteinander verbunden sind und gemessen werden können. Für den praktischen Einsatz sind jedoch die in der Beschreibung erwähnten radialen Schwingungen die wesentlichen.

Schließlich können unterschiedlichste hohle oder

auch massive Schwingungskörper an Stelle der beschriebenen glockenförmigen Schwingungskörper verwendet werden, solange sie radiale Schwingungen zu einer Achse ausüben können und hierbei stehende

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entstehen, so daß bei Drehen um die Achse Schwingungen in den Knotenpunktbereichen ;n. Es können somit auch hohle, ja sogar kugel- ; Schwingungskörper verwendet werden. Weikönnen die Schwingungen auch durch Druck cherwirkung ausgelöst werden, so daß auch

starre Schwingungskörper wie Scheiben, achtseitige Kristalle und Scheiben unregelmäßigen Umfanges, die massenausgeglichen sind, verwendet werden können, solange diese Schwingungskörper radiale Schwingungen der beschriebenen Art auszuführen imstande sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1

   Patentansprüche: bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem

   Schwingungserzeuger (E) dem Schwingungskör-

   Vorrichtung zum Messen der Drehbewegung per (B) erteilten Schwingungen mit einer im weum eine bestimmte Achse mit einer um die Achse 5 sentlichen der Eigenschwingungsfrequenz des drehbaren Plattform, die einen Schwingungskör- Schwingungskörpers entsprechenden Frequenz erper hohen Gütefaktors Q mit einem zur Achse zeugt werden.