DE2327744A1

DE2327744A1 - Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE2327744A1
Application number: DE19732327744
Authority: DE
Inventors: William Edward Griffiths
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1972-06-07
Filing date: 1973-05-30
Publication date: 1973-12-20
Also published as: GB1362121A; FR2188168A1; FR2188168B1

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS

DR.-ING. HANS LEYH ■> 2327744

München 71, Melchiorstr. 42

Unser Zeichen: ^ 12 654

FERRANTI LIMITED

Hollinwood-Lancashire

England

Beschleunigungsmesser

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsmesser mit Kraftausgleich und mit Einrichtungen zum Erzeugen eines gleichförmigen Magnetfeldes.

Beschleunigungsmesser mit Kraftausgleich haben im wesentlichen eine Masse, die auf einem Arm sitzt, so daß sie sich bei einer auf die Masse wirkenden Beschleunigungskraft senkrecht zu dem Arm bewegen kann. Der Arm trägt einen Aufnehmer, der das Ausmaß der Bewegung relativ zu einer gegebenen Position anzeigt und der Ausgang dieses Aufnehmers wird benutzt, um den Erregerstrom eines Elektromagneten so zu steuern, daß die Verschiebung des Armes im wesentlichen aufgehoben wird. Beschleunigungsmesser mit Kraftausgleich werden dort benutzt, wo die Beschleunigungskräfte in einer Richtung· parallel zu der gegebenen Position des Armes auftreten können, was zu Fehlern führen würde, wenn die

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Verschiebung des Armes nicht rückgängig gemacht würde. Die bekannten Beschleunigungsmesser mit Kraftausgleich sind sehr komplex aufgebaut und mit einer Vielzahl von Aufnehmern und Verstärkern zur Steuerung des Erregerstromes des Elektromagneten versehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungsmesser mit Kraftausgleich zu schaffen, der billig und konstruktiv einfach aufgebaut ist und zuverlässig arbeitet.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine elektrische Wicklung, die drehbar in dem Magnetfeld angeordnet ist und die sich senkrecht zu dem Feld um eine zu dem Feld senkrechte Achse drehen kann, ferner durch eine Trägheitsmasse, die relativ zu der Wicklung fest und im Abstand von deren Achse angeordnet ist, einen elektrischen Schalter, der abhängig von der Bewegung der Masse über einen vorgegebenen Winkelbereich relativ zu einer stabilen Position betätigbar ist, um einen Stromfluß in der Wicklung zu erzeugen, um diese in einem solchen Sinn zu drehen, daß sie der Winkelbewegung der Masse entgegenwirkt;

Beispielsweise Ausfuhrungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers zeigt.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung zum Betrieb des Beschleunigungsmessers nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in Form eines Schaubildes die Zusammenhänge zwischen Beschleunigung und Zeit.

Fig. 4a zeigt eine weitere Schaltung zum Betrieb des Beschleunigungsmessers nach Fig. 1 und

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Fig. 4b zeigt Wellenformen von Signalen, die mit der Schaltung nach Fig. 4a erhalten werden»

Der Beschleunigungsmesser IO nach Fig. 1 enthält einen im wesentlichen zylindrischen Magneten Il mit Polen 12 und 13 längs der zylindrischen Oberfläche. Der Magnet ist konzentrisch in einem Hohlzylinder 14 aus ferromagnetisehern Material angeordnet, wobei ein ringförmiger Luftspalt 15 gebildet ist. Somit wird ein _ύ magnetischer Kreis geschaffen _s in welchem der magnetische Fluß durch den Luftspalt im wesentlichen senkrecht zu dessen Begrenzungen verläuft, d.h. radial zur Längsachse des Magneten« Die Gleichmäßigkeit des Feldes im Luftspalt 15 wird durch Abflaehungen 16 am Magneten unterstützt, durch welche der Luftspalt entfernt von den Polen vergrößert und das Feld im wesentlichen auf die Nachbarschaft der Pole eingeschränkt wird_o

Eine Wicklung 17 ist auf ein rechteckiges Formstück 18 aus elektrisch isolierendem Material aufgewickelt» das um die Längsachse des Magneten und innerhalb des Magnetfeldes drehbar ist. Die Wicklung hat flexible elektrische Anschlüsse 19." Am Formstück 18 ist ferner ein Arm 20 angebracht, der sich senkrecht zur Ebene der Wicklung 17 erstreckt» Der Arm 20 trägt einen Kontakt 21 und bildet die Trägheitsmasse.

Im Abstand vom Kontakt 21 sind ortsfeste Kontakte 22 und 23 angeordnet. Je einer der Kontakte ist auf jeder Seite des Armes 20 vorgesehen. Der Arm 20 hat eine Mutter 24, die relativ zur Drehachse verstellbar ist, wodurch der Arm in jedem gewünschten Maß abgeglichen werden kann«

Die elektrischen Verbindungen des Basehleunigwngsmessers 10 sind in Fig. 2 dargestellt» Wie die Figur geigt, ist ein Ende der Wicklung 17 über einen Widerstand 25 an Erde gelegt» Das andere Ende ■der Wicklung kann an eine positive oder an @ine negative Speise-

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leitung über einen der Transistorschalter 26 oder 27 angeschlossen werden. Die Basis des Transistors 26 ist an den ortsfesten Kontakt 22 gelegt und die Basis des Transistors 27 ist an den ortsfesten Kontakt 23 gelegt. Jeder der beiden Transistoren wird durch den Arm 22 in leitenden Zustand gebracht, wenn der Kontakt 21 den entsprechenden ortsfesten Kontakt berührt, so daß die Basis des betreffenden Transistors an Erdpotential liegt. Wenn der Transistor 26 leitend ist, so fließt ein Strom durch die Wicklung 17 in Richtung des Pfeiles 29. Der durch die Wicklung 17 fließende Strom fließt außerdem durch den Widerstand 25, an dem eine entsprechende Spannung erzeugt wird.

Die Wicklung 17 ist so auf das Formstück 18 gewickelt, daß wenn die Kontakte 21 und 22 geschlossen sind, daß dann der in der Wicklung, fließende Strom diese in Gegenuhrzeigerrichtung in Fig. 1 dreht, um die Kontakte 21 und 22 zu öffnen und den Stromfluß zu unterbrechen. Sind die Kontakte 21 und 23 geschlossen, so wird die Wicklung 17 in anderer, d.h. in Uhrzeigerrichtung gedreht, wodurch die Kontakte geöffnet werden.

Wenn im Betrieb der Beschleunigungsmesser keiner Beschleunigung unterliegt, bleibt der Kontakt 21 des Armes 20 in Ruhe, wobei der Arm 20 zwischen den Kontakten 22 und 23 durch die Schwerkraft gehalten wird. Ist der Beschleunigungsmesser einer Beschleunigung in Richtung des Pfeiles 30 (nach rechts in Fig» I) ausgesetzt, so veranlaßt die Trägheit des Armes 20 diesen hinter dem übrigen Teil der Vorrichtung nachzueilen, wodurch die Kontakte 21 und 22 geschlossen werden» Hierdurch wird ein StromfluS in der Wicklung 17 erzeugt, so daß die Wicklung sich in Gegenuhrzeigerrichtung dreht und die Kontakte öffnen. Wenn der Beschleunigungsmesser weiterhin beschleunigt wird, so wird der Arm 20 erneut auf den Kontakt 22 zu bewegt. Die Kontakte 21 und 22 schließen und öffnen daher in fortgesetzter Folge während der Dauer der Beschleunigung.

Der durch die Wicklung 17 fließende Ström und damit die am Wider-

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stand 25 abfallende Spannung sind intermitierend, die Spannung am'Widerstand kann jedoch an den Klemmen 31 gemessen und gemittelt werden, um einen auf die Stärke der Beschleunigung bezogenen Wert zu erhalten. Die Zeit, über die die Kontakte 21 und 22 geschlossen sind, ist proportional der Stärke der Beschleunigung und die mittlere Spannung nimmt linear mit der Stärke der Beschleunigung zu.

Die Vorrichtung ist symmetrisch aufgebaut, so daß ein Betrieb in zwei Richtungen möglich ist, wobei eine Beschleunigung des Beschleunigungsmessers in Richtung des Pfeiles 32 ein intermittierendes Schließen und öffnen der Kontakte 21 und 23 zur Folge hat,, wobei eine Spannung entgegengesetzter Polarität am Widerstand 25 erzeugt wird.

Die Betriebsweise in zwei Richtungen ist besonders vorteilhaft wenn der Beschleunigungsmesser einer Schwingungskraft ausgesetzt ist, die der Beschleunigungskraft überlagert ist. In Fig. 3 ist eine Beziehung zwischen der Beschleunigung a und der Zeit t dargestellt. Wenn die Beschleunigung konstant, der Beschleunigungsmesser und/oder der Teil, an dem er befestigt ist, jedoch einer periodischen Schwingung ausgesetzt ist, so verändert sich der Augenblickswert der Beschleunigung mit der Zeit, wie bei 33 gezeigt ist. In diesem Fall gibt der Ausgang durch das Schließen und Unterbrechen der Kontakte 21 und 22 einen Durchschnittswert a¹ für die Durchschnittsbeschleunigung und diese ist gleich der wirklichen Beschleunigung.

Wenn jedoch die Beschleunigungskraft gering ist oder wenn die überlagerte Schwingung stark ist, so kann, wie bei 34 gezeigt ist, der Augenblickswert der Beschleunigung negativ werden. Bei einem Betrieb nur in einer Richtung, d.h. ohne den ortsfesten Kontakt 23, würde der Beschleunigungsmesser diesen negativen Teil nicht berücksichtigen und einen falschen Wert angeben. Der Betrieb in zwei Richtungen ermöglicht die Berücksichtigung der negativen Be-

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schleunigung, so daß die durchschnittliche Beschleunigung gleich der wirklichen Beschleunigung a¹' ist.

Eine weitere Betriebsweise kann unter Verwendung der Schaltung nach Fig. 4a aufgeführt werden. Die Wicklung 17 liegt in Reihe mit einem Widerstand 35 und einem Stromverstärker 36 in Darlington-Schaltung, über den sie an eine positive Speiseleitung 37 angeschlossen ist.

Ein'Zeitgeber-Kondensator 38 ist ah eine Leitung 37' mit Null-Potential gelegt, und er wird von der Speiseleitung 37 mittels eines konstanten Stromes durch einen Transistor 39 so aufgeladen, daß die Spannung über dem Strom linear mit der Zeit zunimmt.

Der Kondensator ist so mit dem Verstärker 36 verbunden, daß der Strom durch den Verstärker 36 (und damit der Wicklung 17) linear mit der Spannung am Kondensator 38 zunimmt. Der Kondensator ist ferner an einen Schaltkreis 40 angekoppelt, der einen programmierbaren üni-Junction-Transistor aufweist, der aus zwei Transistoren 41 und 42 gebildet ist. Ein Spannungsteiler 43 aus zwei Widerständen 44 und 45, die zwischen den Speiseleitungen liegen, erzeugt ein Bezugspotential an ihrer Verbindungsstelle 46, so daß, wenn das Emitterpotential des Transistors 41 dieses Bezugspotential übersteigt, die Transistoren 41 und 42 leiten und den Kondensator entladen. Eine Diode 47 kompensiert Temperatureinwirkungen am Emitter-Basis-Übergang des Transistors 41. Ein Widerstand 48 schafft eine Kriechstrecke von der Kathode der Diode 47 zur Null-Leitung.

Ein Schalter 49 liegt in Reihe mit dem Spannungsteiler und er umfaßt die Kontakte 21 und 22 des Beschleunigungsmessers.

Im Betrieb und wenn der Beschleunigungsmesser in Ruhe ist, ist der Schalter 49 geöffnet. Der Verbindungspunkt 46 liegt daher auf Null-Potential und wegen des Widerstandes 48 arbeitet der Schalt-

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kreis 40 unmittelbar, so daß der Kondensator 48 beginnt sich aufzuladen. Die Spannung am Kondensator kann daher nicht steigen und es kann kein Strom durch die Wicklung 17 fließen.

Wenn der Beschleunigungsmesser einer Beschleunigung ausgesetzt ist, so daß der Schalter 49 geschlossen ist, steigt das Potential im Punkt 46 auf einen vorgegebenen Wert und der Schaltkreis-40 wird abgeschaltet, wodurch der Kondensator 38 linear geladen wird und der Strom durch die Wicklung 17 linear ansteigt» Wenn der Strom einen Wert erreicht, der ausreicht, um die Trägheitsmasse gegen* die Beschleunigungskraft zu drehen, wird der Schalter 49 geöffnet und das Potential am Punkt 46 fällt« Der Schaltkreis 40 arbeitet sofort, wodurch der Kondensator 38 entladen und der Stromfluß durch die Wicklung 17 gesperrt xtfird. Wenn der Beschleunigungsmesser weiterhin einer Beschleunigung ausgesetzt ist, so wird die Trägheitsmasse erneut so bewegt, daß der Schalter 49 geschlos- « sen ist und der Kondensator 38 sich aufzuladen beginnt» Diese · Wirkungsweise wiederholt sich und sie ist in der Wellenform nach Fig. 4b dargestellt.

Die Wellenform zeigt wie der Strom durch die Wicklung 17 (gemessen als Spannung am Widerstand 35) sich über der Zeit verändert. Die Wellenform umfaßt eine Anzahl von Spitzen, die eine Sägezahn-Welle 50 für eine Beschleunigungshöhe a, bilden» Bei einer höheren Beschleunigung a₂ dauert es langer bis der Strom auf den höheren Wert angestiegen ist, der erforderlich ist, um die Kraft zu überwinden, die auf die Trägheitsmasse wirkt und die Periode der Wellenform 51 nimmt proportional zur Stärke der Beschleunigung zu.

Wenn die Beschleunigungskraft so stark ist, daß der Kondensator auf ein Potential aufgeladen wird_s das größer ist als das am Punkt 46 ehe der Schalter 49 öffnet, so beginnt der Schaltkreis 40 zu arbeiten. Der Kondensator 38 wird entladen und da· Schaltkreis 40 wird abgeschaltet wenn der Kondensator wieder aufgeladen wird. Im

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und über dem Niveau der Beschleunigung a^ schwingt somit das System mit einer konstanten Frequenz.

Aus Fig. 4b ergibt sich, daß der Wert a-j die Grenze der zu messenden Beschleunigung bildet. Bei einem Wert unterhalb von a^ ist die Periode der Wellenform proportional zur Stärke der Beschleunigung a oder der Wellenformfrequenz f %ς—·

Mit Hilfe eines nicht gezeigten komplementären Schaltkreises, der an der Klemme 53 an die Wicklung 17 angeschlossen wird, kann der Beschleunigungsmesser für Beschleunigungskräfte in entgegengesetzten Richtungen ausgelegt werden.

Der Beschleunigungsbereich, in welchem der Beschleunigungsmesser anspricht, hängt von der Trägheitsmasse des Armes 20 ab. Die effektive Trägheitsmasse kann durch Erhöhung oder Erniedrigung des Gewichtes des Armes durch das Gegengewicht der Mutter 24 verändert werden.

Der Betriebsbereich des Beschleunxgungsmessers kann ferner durch Veränderung der Empfindlichkeit der Bewegung variiert werden, indem die Stärke des Magnetfeldes im Luftspalt 15 verändert wird. Dies kann dadurch erfolgen, daß der Zylinder 14 am Punkt 35 und an einem diesem Punkt diametral gegenüberliegenden Punkt getrennt wird, wodurch ein zweiter Luftspalt in dem magnetischen Kreis gebildet wird. Die Empfindlichkeit' kann durch Verstellen der Länge des Luftspaltes variiert werden. Andererseits, können, wenn eine geeignete Energiequelle zur Verfügung steht, elektromagnetische Wicklungen bei 35 und diametral gegenüber aufgewickelt werden, um die Stärke des Feldes im Luftspalt zu verändern.

Die Kontakte 22 und 23 können durch strahlungsempfindliche Einrichtungen in der Bahn eines Strahles ersetzt werden, der beispielsweise von einer lichtemittierenden Diode kommt, wobei die

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Schaltung der Transistoren erfolgen kann, wenn der Arm 20 den Strahl unterbricht.

Wenn der Beschleunigungsmesser in einer horizontalen Ebene verwendet wird,, so wirkt keine Schwerkraft auf den Arm 20, um diesen in der neutralen Position zwischen den Kontakten 22 und 23 zu halten, wenn keine Beschleunigung vorliegt. Hier können Spiralfedern verwendet werden, wie sie gewöhnlich bei Instrumenten mit sich bewegender Spule benutzt werden, wobei diese Federn so eingestellt und der Arm so positioniert werden kann, daß der Beschleunigungsmesser beim Fehlen einer Beschleunigung keinen Ausgang abgibt. Die Federn können sehr schwach sein, d.h. sie üben eine sehr geringe Rückstellkraft auf den Arm aus und da die gesamten Abweichungen des Armes von der gewünschten Position nur innerhalb von etwa + 0,025 nun liegen können, ist ihre Wirkung unter den Bedingungen einer Beschleunigung vernachläSigbar.

Wird der Beschleunigungsmesser in einer vertikalen Ebene verwendet, jedoch bezüglich der Stellung nach Fig. 1 gedreht, so daß der Arm 20 normalerweise nicht vertikal verläuft, so kann die Wirkung der Schwerkraft auf den Arm durch Anlegen eines Gleichstromes an die Wicklung 17 ausgeglichen werden, der den Kontakt 21 zwischen den Kontakten 22 und 23 hält, ohne die Ausgleichswirkung, die durch die Mutter 24 erzeugt wird, zu beeinträchtigen.

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Claims

A 12 654 Ansprüche

1. J Beschleunigungsmesser mit Kraftausgleich, mit einer Ein- ^-- richtung zur Erzeugung eines gleichförmigen Magnetfeldes, gekennzeichnet durch eine elektrische Wicklung (17), die in dem Magnetfeld senkrecht zu diesem und um eine zu dem Feld senkrechte Achse drehbar ist, eine Trägheitsmasse (20), die mit der Wicklung (17) fest verbunden und im Abstand von deren Achse angeordnet ist, einen elektrischen Schalter, der auf eine Auslenkung der Masse (20) um einen vorgegebenen Winkel aus einer stabilen Position anspricht, um einen Stromfluß in der Wicklung (17) zu erzeugen, um diese entgegengesetzt zu der Winkelbewegung der Masse (20) zu drehen.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Trägheitsmasse einen Arm (20) aufweist, der von der Achse der Wicklung (17) ausgeht.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der elektrische Schalter einen am Arm (20) angebrachten Kontakt (21) und wenigstens einen ortsfesten Kontakt (22 oder 23) aufweist, der im Winkelabstand von der stabilen Stellung der Trägheitsmasse angeordnet ist.

4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der elektrische Schalter einen Empfänger für elektromagnetische Strahlung aufweist, der auf eine Änderung der empfangenen Strahlungsmenge an-

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spricht/ die durch eine Bewegung des Armes (20) veränderbar ist.

5. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch den elektrischen Schalter ein konstanter Gleichstromfluß durch die Wicklung (17) erzeugt wird, wenn der Schalter geschlossen ist.

6. Beschleunigungsmesser nach einem der. Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß durch den elektrischen Schalter ein Gleichstromfluß durch die Wicklung (17) mit linear zunehmender Stärke erzeugt wird, wenn der Schalter geschlossen ist«

7. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Stärke des Stromes jedesmal wenn der Schalter geschlossen ist von Null aus zunimmt.

8. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch, gekennzeichnet , daß die Trägheitsmasse durch die Schwerkraft in ihrer stabilen Position gehalten ist.

9. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Trägheitsmasse in ihrer stabilen Position durch Spiralfedern gehalten ist, die um die Achse der Wicklung (17) angeordnet sind.

10. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzei chnet, daß die Trägheitsmasse in ihrer stabilen Position mit Hilfe eines Gleich-

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stromes gehalten ist, der durch die Wicklung (17) fließt und einer Drehung der Trägheitsmasse aufgrund der Schwerkraft entgegenwirkt.

11. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Betriebsbereich des Beschleunigungsmessers durch Änderung der Stärke des Magnetfeldes veränderbar ist.

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