DE2128422A1 - Angular speedometer - Google Patents
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Description
Patentanwalt
6 Frankfurt/Main l.Ammelburgstr. 34 2 1 2 8 A 2 Patent attorney
6 Frankfurt / Main left Ammelburgstr. 34 2 1 2 8 A 2
Frank fürt am Main, den l\. Juni 1971Frank fürt am Main, the l \. June 1971
H 31 P 268H 31 P 268
HONEYWELL INC.
27OI Fourth Avenue South Minneapolis, Minn./USAHONEYWELL INC.
27OI Fourth Avenue South Minneapolis, Minn./USA
" Winkelgeschwindigkeitsmesser" Zusatz zu Patent 1 298 336"Angular Speedometer" addendum to patent 1,298,336
Aus der deutschen Patentschrift 1 298 336 ist ein Winkelgeschwindigkeitsmesser mit einem an drei als Schwingungsknoten dienenden Lagerstellen eines Trägers gehaltenen Schwingdraht bekannt, dessen auf der einen Seite der mittleren Lagerstelle befindlicher Abschnitt im Feld eines ersten Magneten liegt und durch Zufuhr eines Erregerwechselstromes in Schwingungen versetzt wird, während sein auf der anderen Seite der mittleren Lagerstelle befindlicher zweiter Abschnitt im Feld eines zweiten Magneten liegt, dessen Feldrichtung gegenüber derjenigen des ersten Magneten um 90° bezogen auf die Schwingdrahtachse versetzt ist, und wobei die beim Drehen des Trägers um die Sehwingdrahtachse im zweiten Abschnitt induzierte in ihrer Größe von der Winkelgeschwindigkeit und in ihrer Phasenlage gegenüber dem SrregerwechDelstrom von der Drehrichtung abhängige Wechselspannung am zweiten Drahtabschnitt abgegriffen und aiu; bewertet wird.From the German patent specification 1 298 336 an angular speed meter is with an oscillating wire held at three bearing points of a carrier that serve as oscillation nodes known whose section located on one side of the central bearing is in the field of a first magnet and is made to vibrate by supplying an alternating excitation current, while being on the other side of the middle The second section located on the bearing point lies in the field of a second magnet whose field direction is opposite to that of the first magnet is offset by 90 ° with respect to the oscillating wire axis, and when rotating the carrier around the The oscillating wire axis in the second section induced in its size on the angular velocity and in its phase position depending on the direction of rotation compared to the alternating exciter current AC voltage tapped on the second wire section and aiu; Is evaluated.
. Kür einen guten V/irkungsgrad und eine hohe Genauigkeit eines fjolchnn Winkel fen; chwindigkoitsi,esters int es erforderlich, daß dor ochwln^draht etwa auf seiner mechanischen Resonanzfrequenz iichv/inj't und zv/ar idt einer fjoniu überwachten Amplitude. Zu dl· ::ei;i Zv/eck muß der SehW-i r\(_;vU\"jht durch oinen Strom erruft v/fi"ien, ües.,f:n Frequenz in der Nähe der Eigenfrequenz des 3c;::'.·/j tigtii'ah'. o:; liogt. Bei Annäherung der Antriebs frequenz an. There is also a good degree of efficiency and a high degree of accuracy in a fjolchnn angle; chwindigkoitsi, esters int it is necessary that the ochwln ^ wire is approximately at its mechanical resonance frequency iichv / inj't and zv / ar idt a fjoniu monitored amplitude. To dl · :: ei; i Zv / eck, the SehW-i r \ ( _; v U \ "jht generated by a current v / fi" ien, ües., F: n frequency close to the natural frequency of the 3c ; :: '. · / J tigtii'ah'. O :; liogt. When the drive frequency approaches
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die Eigenfrequenz des Schwingdrahtes wächst jedoch die Schwingungsamplitude sehr schnell an. Würde man mit einer konstanten Antriebskraft arbeiten, so würde die Amplitude bis zur Zerstörung des Schwingdrahtes anwachsen. Aus diesem Grunde muß die Amplitude des Erregerwechselstromes derart gesteuert werden, daß die mechanischen Schwingungen des Schwingdrahtes mit einer bestimmten konstanten Amplitude erfolgen.however, the natural frequency of the vibrating wire increases as the vibration amplitude increases very quickly. If one were to work with a constant driving force, the amplitude would be to the point of destruction of the vibrating wire grow. For this reason, the amplitude of the alternating excitation current must be controlled in such a way that that the mechanical vibrations of the vibrating wire take place with a certain constant amplitude.
Bei bekannten Winkelgeschwindigkeitsmessern der obengenannten Art ist der Schwingdraht über einen Transformator an den Schwingkreis eines Oszillators angeschlossen, welcher in der Nähe der Eigenfrequenz des Schwingdrahtes schwingt. Infolge der hohen Güte des Schwingdrahtes versucht sich der Oszillator dabei auf , die Eigenfrequenz des Schwingdrahtes einzustellen. Die Schwingungsamplitude wird durch Sättigungserscheinungen im Oszillator gesteuert und hängt deshalb in starkem Maße von den elektrischen Eigenschaften des Oszillators und der Schwingdrahtgüte ab. Somit -;-j£v!-'i~rp. jjgliche Änderungen der UmgebungsVerhältnisse, beispielsweise der Schwingdrahttemperatur und Schwingdrahteigenspannung, eine entsprechende Kompensation in der elektronischen Schaltung des Oszillators. Dies ist besonders dann unerwünscht, wenn der Winkelgeschwindigkeitsmesser über einen großen Temperaturbereich mit hoher Präzision arbeiten soll, wie dies in Flugzeugen und Plugkörpern der Fall ist, und wenn möglichst geringer Raumbedarf und niedriges Gewicht des Winkelgeschwindigkeitsraessera bedeutsam für seine Einsatzmöglichkeiten sind.In known angular velocity meters of the type mentioned above, the vibrating wire is connected via a transformer to the resonant circuit of an oscillator which vibrates in the vicinity of the natural frequency of the vibrating wire. Due to the high quality of the vibrating wire, the oscillator tries to set the natural frequency of the vibrating wire. The oscillation amplitude is controlled by saturation phenomena in the oscillator and therefore depends to a large extent on the electrical properties of the oscillator and the quality of the oscillating wire. Thus -; - j £ v! - 'i ~ rp. Any changes in the ambient conditions, for example the oscillating wire temperature and oscillating wire intrinsic voltage, a corresponding compensation in the electronic circuit of the oscillator. This is particularly undesirable when the angular speed meter is to work with high precision over a large temperature range, as is the case in aircraft and plug bodies, and when the lowest possible space requirement and low weight of the angular speedometer are important for its possible applications.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber Schwankungen der Umgebungstemperatur, der Versorgunrsspannung und sonstigen Störeinflüssen möglichst unempfindlichen Winkelgeschwindigkeitsmesser zu schaffen, bei dem die bisher erforderlichen Kompensationsmaßnahmen für derartige Störeinflüsse entfallen oder zumindest stark reduziert werden können.The present invention is based on the object of providing protection against fluctuations in the ambient temperature, the supply voltage and other interfering influences to create the most insensitive angular velocity meter possible, in which the previously required Compensation measures for such disruptive influences are dispensed with or can at least be greatly reduced.
•Von einem WinkelKeschwindigkeitsmesser der im deutschen Patent• From an angular speedometer in the German patent
. " 109851/1265. "109851/1265
1 298 336 beschriebenen Art ausgehend wird die gestellte Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß an den ersten Abschnitt des Schwingdrahtes eine den Erregerstrom liefernde Stromquelle und eine die im ersten Drahtabschnitt beim Schwingen im Magnetfeld induzierte Spannung messende Schaltungsanordnung «angeschlossen sind, daß der Ausgang dieser Schaltungsanordnung mit einem Eingang des Erregerstromerzeugers über eine positive Rückkopplungsschaltung mit veränderbarem Verstärkungsgrad verbunden ist und daß der Verstärkungsgrad der Rückkopplungsschaltung durch die im ersten Drahtabschnitt induzierte Spannung gesteuert auf eine praktisch konstante Schwingungsamplitude des Schwingdrahtes geregelt wird.The task at hand is based on the type described in 1 298 336 solved according to the present invention in that the excitation current is applied to the first section of the vibrating wire supplying current source and measuring the voltage induced in the first wire section when oscillating in the magnetic field Circuit arrangement «are connected that the output of this circuit arrangement with an input of the excitation current generator is connected via a positive feedback circuit with variable gain and that the gain of the Feedback circuit through the induced in the first wire section Voltage controlled to a practically constant oscillation amplitude of the vibrating wire is regulated.
Zur Beeinflussung des Rückkopplungsgrades des Rückkopplungskreises und damit der Amplitude des den Schwingdraht erregenden Wechselstromes wird also als Kenngröße für die jeweilige Schwingungsamplitude die im ersten Schwingdrahtabschnitt induzierte Gegen-EMK verwendet. Selbst wenn sich die Schwingungsfrequenz ändert, beispielsweise infolge von Änderungen von Umgebungsbedingungen des Schwingdrahtes oder wenn sich letzterer infolge längeren Gebrauchs dehnt, ändert sich die Gegen-EMK nicht, so'daß auch die Schwingungsamplitude konstant bleibt. Dies hat zur Folge, daß auch die durch die am zweiten Schwingdrahtabschnitt abgegriffene Spannung dargestellte Anzeipegröße des Winkelgeschwindigkeitsmessers von etwaigen Änderungen der Betriebsbedingungen des Schwingdrahtes nicht beeinflußt und damit die angezeigte Winkelgeschwindigkeit von solchen Einflüssen unabhängig ist. Der Maßstabsfaktor des Winkelgeschwindigkeitsmessers, d.h. das Verhältnis von Winkelgeschwindigkeit zu der erzeugten Meßspannung, bleibt also konstant. Man erreicht durch die Erfindung eine wesentlich bessere Amplitudenregelung als bisher und kann hierdurch die Schwingungen genauer auf der mechanischen Eigenfrequenz des Schwingr drahtes halten. Die Amplitudenregelung hängt nicht von Eigenschaften der Schaltung oder der Güte des Schwingdrahtes ab,To influence the degree of feedback of the feedback circuit and thus the amplitude of the vibrating wire that excites The alternating current is therefore used as a parameter for the respective oscillation amplitude that is induced in the first oscillating wire section Back EMF used. Even if the oscillation frequency changes, for example as a result of changes in Ambient conditions of the vibrating wire or if If the latter expands as a result of prolonged use, the back EMF does not change, so that the oscillation amplitude is also constant remain. The consequence of this is that the display variable also represented by the voltage tapped off at the second oscillating wire section of the angular velocity meter is not affected by any changes in the operating conditions of the vibrating wire and thus the indicated angular velocity is independent of such influences. The scale factor of the angular velocity meter, i.e. the ratio of the angular velocity to the generated measuring voltage remains constant. The invention achieves a significantly better amplitude control than before, and this enables the vibrations to be based more precisely on the mechanical natural frequency of the vibrator hold the wire. The amplitude control does not depend on the properties of the circuit or the quality of the oscillating wire,
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sondern wird durch die Kennwerte der Rückkopplungsschaltung bestimmt. Wegen der Unabhängigkeit von der Güte des Schwingdrahtes kann man auf die bisher erforderlichen aufwendigen und Leistung verbrauchenden Maßnahmen zur Temperaturregelung oder Temperaturkompensation verzichten. Da bei den meisten Anwendungsfällen solcher Schwingdraht-Winkelgeschwindigkeitsmesser Gewicht und Platzbedarf des Gerätes von entscheidender Bedeutung sind, eröffnet die Erfindung diesen Geräten zusätzliche Anwendungsgebiete.but is determined by the characteristics of the feedback circuit. Because of the independence of the quality of the oscillating wire one can rely on the previously required complex and power-consuming measures for temperature control or waive temperature compensation. As in most applications of such vibrating wire angular speed meters Weight and space requirements of the device are crucial Important, the invention opens up additional areas of application for these devices.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiels erläutert. Die Zeichnung zeigt die Erregerschaltung für den ersten Schwingdrahtabschnitt, welcher Teil des Schwingdrahtes in einem Winkelgeschwindigkeitsmesser ist, wie er im einzelnen im deutschen Patent 1 298.336 beschrieben wurde. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird deshalb der mechanische Aufbau des Winkelgeschwindigkeitsmessers und dessen Betriebsweise nicht erneut beschrieben, sondern als aus der genannten deutschen Patentschrift bekannt vorausgesetzt.The invention is explained below with reference to an embodiment shown schematically in the drawing. The drawing shows the excitation circuit for the first vibrating wire section, which is part of the vibrating wire in an angular velocity meter as described in detail in German Patent 1,298,336. To avoid repetition, therefore becomes the mechanical structure of the angular velocity meter and its mode of operation is not described again, but rather as known from the aforementioned German patent specification provided.
Entsprechend der schematischen Darstellung der Zeichnung ist der zwischen den von einem nicht dargestellten Träger gehaltenen Lagerstellen 2 und 3 ausgespannte erste Abschnitt 1 des elektrisch leitenden Schwingdrahtes im Feld der beiden Pole 4 und 5 eines Magneten angeordnet. Die magnetischen Kraftlinien verlaufen senkrecht zur Achse des Schwingdrahtes 1 parallel zur Zeichnungsebene. Fließt ein Wechselstrom durch den Schwingdrahtabschnitt 1, so beginnt letzterer in einer Ebene senkrecht. .zur Zeichnungsebene zu schwingen. Hierbei wird in dem Schwingdraht eine Gegen-EM.K induziert, die in Gegenphase zum Erregerwechselstrom ist.According to the schematic representation of the drawing, the first section 1 of the electrically conductive oscillating wire, which is held between the bearing points 2 and 3, which is not shown, is arranged in the field of the two poles 4 and 5 of a magnet. The magnetic lines of force run perpendicular to the axis of the vibrating wire 1 parallel to the plane of the drawing. If an alternating current flows through the oscillating wire section 1, the latter begins in a perpendicular plane. . to swing to the plane of the drawing. Here, a counter-E M .K is induced in the vibrating wire, which is in phase opposition to the alternating excitation current.
Der Schwingdrahtabschnitt 1 ist in eine Brückenrschaltung eingeschaltet, deren andere drei Brückenzweige durch je einen Wider-The oscillating wire section 1 is connected in a bridge circuit, the other three bridge branches each through a counter
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stand 6, 7 bzw. 8 gebildet sind. Diese Brückenschaltung dient der Messung der Gegen-EMK. Eine entsprechende Spannung steht an den Diagonalpunkten 9 und 10 der Brückenschaltung und wird den beiden Eingängen eines DifferentialVerstärkers 11 zugeführt, Die Widerstände 6 bis 8 der Brückensehaltung und des SchwingdrahtabSchnitts 1 sind derart gewählt, daß die Beziehung giltstand 6, 7 and 8 are formed. This bridge circuit is used the measurement of the back EMF. A corresponding voltage is present at the diagonal points 9 and 10 of the bridge circuit and is fed to the two inputs of a differential amplifier 11, the resistors 6 to 8 of the bridge structure and the oscillating wire section 1 are chosen such that the relationship holds
Rg R7 Rg R 7
ö— = η1 = C = konstant, R1 R8 ö- = η 1 = C = constant, R 1 R 8
wobei R1 der Widerstand des Schwingdrahtabschnittes 1 ist und Rc bis Rp die Widerstandswerte der Widerstände 6 bis 8 bedeu-where R 1 is the resistance of the oscillating wire section 1 and Rc to Rp are the resistance values of the resistors 6 to 8
D OD O
ten. Es läßt sich zeigen, daßten. It can be shown that
F - C · F
Eo - Ϊ+G EbF - C · F
E o - Ϊ + G E b
gilt, wobei E die Brückenausgangsspannung an den Klemmen 9 und 10 und E, die im Schwingdrahtabschnitt 1 induzierte Gegen-EMK ist.applies, where E is the bridge output voltage at terminals 9 and 10 and E, which is back EMF induced in vibrating wire section 1.
Die Brückenausgangsspannung wird in einem Operationsverstärker 11 verstärkt, dessen Ausgangssignal der Brückenspannung proportional und von solcher Polarität ist, daß durch seine Rückkopplung über einen positiven Rückkopplungskreis auf den Eingang des die Brückenschaltung speisenden Verstärkers If der Schwingdraht zu Schwingungen angeregt wird. Vom Ausgang des Verstärkers 11 führt eine Rückkopplungsleitung l;l zu einem Eingang 12 einer Schaltungsanordnung 13 mit steuerbarem übertragvnßsgrad. Hierbei kann es sich um ein steuerbares Dämpfungsglied oder um einen steuerbaren Verstärker handeln. Mit Hilfe der Schaltungsanordnung 13 wird der Gesamtverstärkungsgracl der Rückkopplungssohleife und damit des Oszillatorkreises gesteuert und damit die Schwingungsamplitude des Oszillator« beeinflußt. Zu diesem Zv/eck wird der Schaltungsanordnung 13 an einen! v;eiteren Eingang 15 ein Regelsignal zugeleitet, vrelches don Vorstärkungügrad des RÜckkopplungakreises beeinflußt.The bridge output voltage is amplified in an operational amplifier 11, the output signal of which is proportional to the bridge voltage and of such polarity that its feedback via a positive feedback circuit to the input of the amplifier If feeding the bridge circuit causes the oscillating wire to oscillate. A feedback line 1 leads from the output of the amplifier 11 ; l to an input 12 of a circuit arrangement 13 with a controllable degree of transfer. This can be a controllable attenuator or a controllable amplifier. With the aid of the circuit arrangement 13, the overall gain of the feedback solenoid and thus of the oscillator circuit is controlled and thus the oscillation amplitude of the oscillator is influenced. For this Zv / corner the circuit arrangement 13 is connected to a! A control signal is fed to another input 15, which influences the degree of amplification of the feedback circuit.
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Das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung 13 gelangt zu einem Treiberverstärker 16, beispielsweise einem Leistungsverstärker mit Ausgangs transformator oder einem Operationsverstärker. Der eine Verstärkerausgang ist an den einen Brückenspeisepunkt 17 und der andere Verstärkerausgang an den anderen Brückenspeisepunkt 18 angeschlossen, so daß ein Teil des Verstärkerausgangssignals dem Schwingdrahtabschnitt 1 zugeführt und damit der Rückkopplungskreis des Oszillators geschlossen wird. Neben dem Erregerstrom für den Schwingdrahtabschnitt 1 liefert der Treiberverstärker 16 auch den Anfangsstrom zum Anfachen der Schwingungen des Schwingdrahtes. The output signal of the circuit arrangement 13 reaches a driver amplifier 16, for example a power amplifier with output transformer or an operational amplifier. One amplifier output is connected to one bridge feed point 17 and the other amplifier output connected to the other bridge feed point 18, so that a portion of the amplifier output signal to the oscillating wire section 1 and thus the feedback loop of the oscillator is closed. In addition to the excitation current for the Vibrating wire section 1, the driver amplifier 16 also supplies the initial current for fanning the vibrations of the vibrating wire.
Die Schwingungsamplitude des Schwingdrahtabschnittes 1 wird über einen Regelkreis gesteuert, der die an den Ausgang des Verstärkers 11 angeschlossene Leitung 19 enthält. Das Wechselstromausgangssignal des Brückenverstärkers 11 wird in einer Schaltungsanordnung 20 gleichgerichtet und gesiebt und sodann in einem Vergleichsverstärker 22 mit der Spannung einer Präzisions-Bezugsspannungsquelle 21 verglichen. Der Vergleicher 22 erzeugt ein Regelabweichungssignal, welches der Differenz zwischen der verstärkten und gleichgerichteten Gegen-EMK und der Bezugsspannung der Spannungsquelle 21 entspricht. Dieses Regelabweichungssignal wird an den Steuereingang 15 der Schaltungsanordnung 13 zur Regelung des Verstärkungsgrades im Rückkopplungskreis 14, 13, 16 gelegt. Auf diese Weise wird der Verstärkungsgrad im Oszillatorkreis so geregelt, daß die der Schwingungsamplitude des Drahtabschnittes 1 proportionale Gegen-EMK nach Verstärkung und Gleichrichtung der Spannung der Bezugsspannungsquelle 21 gerade gleich ist. Somit bleibt die für den Skalenfaktor des Winkelgeschwindigkeitsmessers maßgebende Gegen-EMK konstant, selbst wenn sich die Eigenfrequenz des Schwingdrahtes ändern sollte.The vibration amplitude of the vibrating wire section 1 becomes Controlled by a control circuit which contains the line 19 connected to the output of the amplifier 11. The AC output signal of the bridge amplifier 11 is rectified and screened in a circuit arrangement 20 and then compared in a comparison amplifier 22 with the voltage of a precision reference voltage source 21. Of the Comparator 22 generates a control error signal, which is the difference between the amplified and rectified Back EMF and the reference voltage of the voltage source 21 corresponds. This control deviation signal is sent to the control input 15 of the circuit arrangement 13 for regulating the gain placed in the feedback circuit 14, 13, 16. on In this way, the gain in the oscillator circuit is controlled so that that of the oscillation amplitude of the wire section 1 proportional back EMF after amplification and rectification of the voltage of the reference voltage source 21 is just the same. This leaves that for the scale factor of the angular velocity meter decisive back EMF constant, even if the natural frequency of the vibrating wire should change.
Die in der Zeichnung wiedergesehene Schaltung ersetzt somitThe circuit shown in the drawing thus replaces
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den im obengenannten deutschen Patent als Erregerstromquelle für den ersten Drahtabschnitt dienenden Signalßenerator.in the above-mentioned German patent as an excitation current source Signal generator serving for the first wire section.
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