DE2619448A1

DE2619448A1 - Ringfoermiger beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE2619448A1
Application number: DE19762619448
Authority: DE
Inventors: James Robert Erspamer; Howard Ray Mccombs
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1975-05-12
Filing date: 1976-05-03
Publication date: 1976-11-25
Also published as: JPS6026164B2; IT1073703B; FR2311310A1; DE2619448C2; JPS51137447A; GB1536169A; US3992951A; CA1067603A; FR2311310B1

Description

Patentanwälte Dipl.-lng. Curt Wallach

Dipl.-lng. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

26 1 QAAR DipL-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 3. MAl 1976

Unser Zeichen: 15 513 - Fk/Ne

Sperry Rand Corporation New York, USA

Ringförmiger Beschleunigungsmesser

Die Erfindung bezieht sich auf einen ringförmigen Beschleunigungsmesser.

In der deutschen Patentanmeldung P 25 51 798.0 der gleichen Anmelderin ist ein ringförmiger Beschleunigungsmesser (oder NeigungsmeßfUhler) beschrieben, bei dem eine Hilfselektrode zu Zwecken der Temperaturkompensation hinzugefügt ist. Im einzelnen ist diese Hilfselektrode so in dem Neigungsmeßfühler angeordnet, daß sie vollständig zu allen Zeiten in eine Elektrolytflüssigkeit eingetaucht ist. Weiterhin ist die Hilfselektrode elektrisch mit dem Ausgang eines Verstärkers gekoppelt, der die Drehung oder Neigung um eine Bezugsachse feststellt.

Vor der Einfügung dieser Hilfselektrode wies der Ausgang des Verstärkers eine Abhängigkeit von den temperaturabhängigen Charakteristiken der Elektrolytflüssigkeit auf. Die Hinzufügung dieser Hilfselektrode anstelle eines festen Widerstandes ergab einen temperaturabhängigen Parameter in der Verstärkerschaltung mit dem Ergebnis, daß der hier vorhandene temperaturabhängige Parameter aufgehoben wurde.

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Bei dieser Anordnung ergeben sich jedoch noch einige Schwierigkeiten. Beispielsweise wird irgendein Gleichspannungs- oder Ruhepotential, das von dem Verstärker am Ausgang erzeugt wird, der Hilfselektrode und damit auch der Elektrolytflüssigkeit zugeführt. Wenn das Gleichspannungspotential einen bestimmten Pegel erreicht, typischerweise mehr als einige 100 Millivolt, beginnt eine Polarisierung der Elektrolytflüssigkeit. Wenn sich die Polarisierung der Elektrolytflüssigkeit fortsetzen kann, ist der Beschleunigungsmesser innerhalb einer kurzen Zeitperiode nicht mehr betriebsfähig.

Um diese Polarisierung der Elektrolytflüssigkeit zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, ein Potentiometer einzufügen, durch das der Gleichspannungsausgang des Verstärkers auf 0 gebracht werden konnte. Diese Technik ist jedoch über längere Zeiten nicht konstant und sie ist gegenüber Temperatüränderungen und Impedanzänderungen zwischen den Elektroden in dem Beschleunigungsmesser empfindlich.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter ringförmiger Beschleunigungsmesser umfaßt ein nichtleitendes Gehäuse, das eine allgemein kreisringförmige und symmetrische innere Anordnung um eine Bezugsachse bildet, erste und zweite bogenförmige Elektroden, die in dem Gehäuse befestigt und einander gegenüberliegend angeordnet sind, eine dritte innerhalb des Gehäuses befestigte bogenförmige Elektrode, die zwischen den Enden der ersten und zweiten Elektroden angeordnet ist, eine vierte in dem Gehäuse befestigte Elektrode, von der entsprechende Teile gleiche Abstände von dem ersten, zweitenbzw. dritten Elektrode aufweisen, eine eine Impedanzcharakteristik aufweisende Elektrolytflüssigkeit, die sich in dem Gehäuse befindet und in die die ersten und zweiten Elektroden teilweise eingetaucht sind, während die dritte Elektrode vollständig und zumindest der der dritten Elektrode entsprechende Teil der vierten Elektrode vollständig in diese Elektrolytflüssigkeit eingetaucht ist, mit den Elektroden verbundene Verstärkereinrichtungen zur Lieferung eines Signals

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am Ausgang des Beschleunigungsmessers, das die Neigung des Beschleunigungsmessers um die Bezugsachse anzeigt, und eine mit den Verstärkereinrichtungen gekoppelte und auf diese ansprechende Kompensationsschaltung zur Peststellung irgendwelcher in den Verstärkereinrichtungen erzeugter Gleichspannungskomponenten zur Zuführung eines Kompensationssignals an die Verstärkereinrichtungen derart, daß die Gleichspannung praktisch beseitigt wird.

Wenn der Beschleunigungsmesser um seine Bezugsachse gedreht oder geneigt wird, bewegt sich die Elektrolytflüssigkeit in dem Beschleunigungsmesser und ruft eine Änderung der Impedanzen zwischen den Elektroden hervor. Die Verstärkereinrichtungen sprechen auf eine Änderung der Eingangs spannung ausgehend von dem Nullwert auf Grund einer Impedanzänderung an und erzeugen ein ensprechendes Ausgangssignal,

Die zur Verhinderung einer Polarisierung der Elektrolytflüssigkeit dienende Kompensationsschaltung stellt Gleichspannungen am Ausgang der Verstärkereinrichtungen fest und erzeugt in Abhängigkeit hiervon ein Signal, das dem Eingang der Verstärkereinriehtungen so lange zugeführt wird, bis das Gleichspannungspotential praktisch beseitigt ist. Weiterhin ist die Schaltung so ausgelegt, daß sie keine Auswirkung auf ja as Neigungssignal von den Verstärkereinrichtungen aufweist.

Es kann eine Halbleiterschaltung eingefügt werden die den Übertrager früherer vorgeschlagener Beschleunigungsmesser ersetzt, wobei das Potential einer Wechselspannungsquelle den Elektroden in exakter Weise über die Halbleiterschaltung zugeführt wird.

Weitere' vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den ünteransprüohen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen nooh näher erläutert.

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In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise schematische und teilweise perspektivische Darstellung eines Beschleunigungsmessers gemäß der deutschen Patentanmeldung P 25 51 798.0;

Fig. 2 ein Schaltbild, das einen Teil der Schaltung

einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers zeigt;

Fig. 3 ein Schaltbild, das eine Ausführungsform der

vollständigen Schaltung des Beschleunigungsmessers gemäß der Erfindung zeigt.

In Fig. 1 ist der ringförmige Beschleunigungsmesser oder Neigungsmeßfühler gemäß der deutschen Patentanmeldung P 25 51 798.0 dargestellt. Ein zylindrisches Gehäuse 11, das in seiner normalen senkrechten Stellung gezeigt ist (wobei die Mittel-Längsachse horizontal ist) ist mit einer Elektrolytflüssigkeit 12 bis zu einem Pegel 15 gefüllt. Das Gehäuse 11 enthält weiterhin zwei bogenförmige Elektroden 14 und I5, die einander gegenüberliegend angeordnet und an der inneren Oberfläche des äußeren Umfanges des zylindrischen Gehäuses 11 befestigt sind. Eine bogenförmige Hilfselektrode 16 ist zwischen den unteren Enden der Elektroden 14 und 15 angeordnet und ebenfalls an der inneren Oberfläche des Gehäuses 11 befestigt. Eine gemeinsame Mittelelektrode 17 ist an der inneren Oberfläche des inneren Umfanges des Gehäuses 11 derart befestigt, daß die Elektrode 17 gleiche Abstände von den Elektroden 14, 15 und l6 aufweist.

Die gestrichelt in Fig. 1 dargestellten Widerstände 21, 22 und •23 stellen die Impedanzen der Elektrolytflüssigkeit 12 zwischen den Elektroden 14, 15 bzw. 16 und der Elektrode 17 dar. Eine Wechselspannungsquelle 24, die mit der Primärseite eines Transformators 25 verbunden ist, ist über die Sekundärwicklung des

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Transformators 25 mit den Elektroden 14 und 15 verbunden, wobei die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung geerdet isb. Ein invertierender Eingang eines Verstärkers 26 ist mit der gemeinsamen Elektrode 17 verbunden und der Ausgang des Verstärkers 26 ist mit der Hilfselektrode l6 verbunden.

Die Betriebsweise dieses ringförmigen Beschleunigungsmessers oder Neigungsmeßfühlers ist ausführlich in der deutschen Patentanmeldung P 25 51 798.O beschrieben. Allgemein wird jedoch das längs der Sekundärwicklung des Transformators 25 erzeugte und den Elektroden 14 und I5 zugeführte Potential von dem Verstärker 26 gemessen. Wenn sich der Beschleunigungsmesser in seiner Normalstellung befindet, ist der Widerstand 21 gleich dem Widerstand 22, d.h., die Impedanz zwischen der Elektrode 14 und der Elektrode 17 ist gle ich der Impedanz zwischen der Elektrode 15 und der Elektrode 17. Wenn diese Impedanzen gleich sind, ist das Potential an der gemeinsamen Elektrode 17j das von dem Verstärker 26 gemessen wird, gleich 0 oder weist einen Nullwert auf. Wenn der Beschleunigungsmesser geneigt oder im Uhrzeigersinn (gemäß Fig. 1) um die Bezugsachse 27 gedreht wird, vergrößert sich der Teil der Elektrode I5, der in die Elektrolytflüssigkeit 12 eingetaucht ist, während sich der in die Elektrolytflüssigkeit 12 eingetauchte Teil der Elektrode 14 entsprechend verringert. Das Potential an der Elektrode I7 ändert sich daher ausgehend von dem Nullwert und es wird eine Anzeige dieser Verschiebung oder Verdrehung am Ausgang des Verstärkers 26 erzeugt. In gleicher Weise tritt eine gleiche jedoch entgegengesetzte Änderung des Nullpotentials für eine Drehung oder Neigung im Gegenuhrzeigersinn auf.

Die Hinzufügung der Hilfselektrode l6 in Kombination mit der elektrischen Verbindung dieser Elektrode mit dem Ausgang des Verstärkers 26 kompensiert das Ausgangssignal des ringförmigen Beschleunigungsmessers gegen Temperaturänderungen. Im einzelnen führt, wie dies in der Beschreibung der vorstehend genannten deutschen Patentanmeldung beschrieben ist, die Einfügung der

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Impedanz 23 in die Verstärkungsgleichung des Verstärkers 26 einen zweiten Parameter ein, der eine Temperaturabhängigkeit auf Grund der ElektrolytflUssigkeit aufweist und der die in den Impedanzen der Widerstände 21 und 22 auftretenden Auswirkungen der Temperaturänderung der Elektrolytflüssigkeit in dieser Gleichung aufhebt. Wie es weiter oben beschrieben wurde, wird die ElektrolytflUssigkeit durch die Einfügung der Hilfselektrode 16 irgendwelchen Gleichspannungs- oder Ruhepotentialen ausgesetzt, die von dem Verstärker 26 erzeugt werden und es kann sich hierdurch eine Polarisierung der Elektrolytflüssigkeit ergeben.

Fig. 2 zeigt (in voll ausgezogenen Linien) eine Ausführungsform einer Schaltung 30, die eingefügt werden kann, um eine Polarisierung der Elektrolytflüssigkeit zu beseitigen. Die Elektroden 14, 15, 16 und 17 sowie die dazwischen befindlichen Impedanzen (21, 22 und 23) sind mit dem Verstärker 26 in einer der Pig. I ähnlichen Weise verbunden. Zusätzlich ist ein Widerstand 31 zwischen dem Ausgang des Verstärkers 26 und dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 32 eingeschaltet. Ein Widerstand 33 ist zwischen Erde und den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 32 eingeschaltet. Ein Kondensator 3²J-* der vorzugsweise bipolar ist, ist zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 32 eingeschaltet, während ein Widerstand 35 zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 32 und dem Verbindungspunkt eines geerdeten Widerstandes 36 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 26 eingeschaltet ist.

Der Verstärker 32 bildet in Verbindung mit dem Widerstand 31 und dem Kondensator 3^ eine Integratorschaltung 37* die irgendeinen Gleiehspannungsausgang des Verstärkers 26 integriert. In Abhängigkeit von einem derartigen Gleiohspannungsausgang wird ein Signal am Ausgang des Verstärkers 32 erzeugt, das nach Zuführung über das durch die Widerstände 35 und 36 gebildete Widerstands-Teilernetzwerk dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 26 zugeführt wird. Die Zuführung dieses Ausgangssignals vom Verstärker 32 zum nichtinvertierenden Eingang des

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Verstärkers 2β wirkt in Richtung einer Verringerung des Ausganges des Verstärkers 26 auf eine Gleichspannung von 0 Volt. Weiterhin steuert der Ausgang des Verstärkers 52 den Verstärker 26 so lange an, bis effektiv eine Gleichspannung von 0 Volt erreicht wird.

Die RC-Zeitkonstante der Verstärkerschaltung 37 (die von dem Widerstandswert des Widerstandes 31 und der Kapazität des Kondensators 34 abhängt) ist so bemessen, daß sie sehr groß gegenüber der Periode der Frequenz des Ausgangssignals von dem Verstärker 26 ist, was die Neigung des Beschleunigungsmessers um die Bezugsachse 27 darstellt. Wenn beispielsweise die Frequenz der Wechselstrompotentialquelle 24 angenähert 5 kHz beträgt, so sind typische Werte für den Widerstand 31 und den Kondensator 34 10 Ohm bzw. 2,2 Mikrofarad. Die Wechselspannungsverstärkung des Verstärkers 26 ist in der gewünschten Weise durch die Impedanzen zwischen den Elektroden festgelegt, während die Gleichspannungsverstärkung des Verstärkers 26 den Wert von 0 erreicht.

Fig. 3 zeigt eine vollständige Ausführungsform des ringförmigen Beschleunigungsmessers, wobei gleiche Teile wie in den Figg. 1 und 2 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Insbesondere zeigt Fig. 3 die Einfügung einer Halbleiterschaltung 41, die den Transformator 25 gemäß dem früheren Vorschlag ersetzt.

Die Wechselspannungsquelle 24 1st zwJsjhen dem Eingangsanschluß E_IK und Erde eingeschaltet. Ein Widerstand 42 ist zwischen dem Eingangsanschluß E^ und dem nichtinvertierenden Eingang eines Verstärkers 43 eingeschaltet, während ein zweiter Widerstand 44 zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Verstärkers 43 eingeschaltet ist. Ein Widerstand 45 ist zwischen dem Ausgang des Verstärkers 43 und dem Verbindungspunkt des invertierenden Eingangs eines Verstärkers 46 und eines Widerstandes 47 eingeschaltet. Die freie Leitung des Widerstandes 47 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 46 verbunden während der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 46 über einen Widerstand 48 mit

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Erde verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 43 ist mit einer Elektrode 51 verbunden während der Ausgang des Verstärkers 46 mit einer Elektrode 52 verbunden ist.

Das Gehäuse 55 weicht von dem Gehäuse 11 nach Fig. 1 insofern ab, als die gemeinsame Elektrode 54 an der Innenfläche des äußeren Umfanges befestigt ist, während- die übrigen Elektroden 51, 52 und 55 an der Innenoberfläche des inneren Umfanges des Gehäuses 52 befestigt sind. Es ist jedoch zu erkennen, daß die beiden Anordnungen im Hinblick auf ihre Betriebsweise äquivalent sind und daß die Elektroden in weiteren abgeänderten Ausführungsformen angeordnet werden können, die auf gleiche Weise arbeiten.

Die Verstärker 43 und 46 sind ein Präzisionsverstärkerpaar mit sorgfältig eingestellten Verstärkungen. Weil der invertierende Eingang des Verstärkers 43 lediglich mit seinem eigenen Ausgang über den Widerstand 44 verbunden ist, muß die Verstärkung des Verstärkers 43 gleich +1 sein. Weiterhin ist, wenn der Wert des Widerstandes 45 gleich dem Wert des Widerstandes 47 ist, die Verstärkung des Verstärkers 46 gleich -1. Diese Anordnung stellt sicher, daß der Potential am Mittelpunkt oder Nullpunkt zwischen der Größe des Potentials am Ausgang des Verstärkers 43 und der Größe des Potentials am Ausgang des Verstärkers 46 aufrechterhalten wird. Daher liegt an der Elektrode 54 das Nullpotential an, solange die Impedanzen zwischen der Elektrode 54 und der Elektrode 51 sowie zwischen der Elektrode 54 und der Elektrode 52 gleich sind. Zusätzlich ermöglicht die Einfügung dieser Schaltung die Verwendung einer gemeinsamen Erdverbindung in dem gesamten Beschleunigungsmesser.

Es ist verständlich, daß der beschriebene ringförmige Beschleunigungsmesser temperaturkompensiert ist und Einrichtungen aufweist, die eine Polarisation der Elektrolytflüssigkeit in dem Gehäuse verhindern. Weiterhin haben die Einrichtungen zur Verhinderung einer Polarisation praktisch keine Auswirkung auf das Neigungssignal E_0UT von dem Beschleunigungsmesser und sie

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weisen keine Zeitabhängigkeit sowie keine Abhängigkeit von den Temperaturen und den Impedanzen der Elektroden in dem Gehäuse auf. Durch die Einfügung der Halbleiterschaltung 41 zur Ankopplung der Wechselspannungsquelle an die Elektroden des Beschiß unigungsmessers werden die Kosten, der Raumbedarf und die Masse des Beschleunigungsmessers weiter verringert.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche :

Ringförmiger Beschleunigungsmesser mit einem nichtleitenden Gehäuse, das eine allgemein kreisringförmige und symmetrische innere Anordnung um eine Bezugsachse bildet, mit ersten und zweiten bogenförmigen Elektroden, die in dem Gehäuse befestigt und einander gegenüberliegend angeordnet sind, mit einer dritten innerhalb des Gehäuses befestigten bogenförmigen Elektrode, die zwischen den Enden der ersten und zweiten Elektroden angeordnet ist, mit einer vierten in dem Gehäuse befestigten Elektrode, von der entsprechende Teile gleiche Abstände von den ersten, zweiten bzw. dritten Elektroden aufweisen, mit einer eine Impedanzcharakteristik aufweisenden Elektrolytflüssigkeit , die sich in dem Gehäuse befindet und in die die ersten urd zweiten Elektroden teilweise eingetaucht sind während die dritte Elektrode vollständig und zumindest derder dritten Elektrode entsprechende Teil der vierten Elektrode vollständig eingetaucht ist, und mit mit den Elektroden verbundenen Verstärkereinrichtungen zur Lieferung eines Signals am Ausgang des Beschleunigungsmessers, das die Neigung des Beschleunigungsmessers um die Bezugsachse anzeigt, gekennze ichnet durch eine mit den Verstärkereinrichtungen (26) gekoppelte und auf diese ansprechende Kompensationsschaltung (30) zur Peststellung irgendwelcher in den Verstärkereinrichtungen (26) erzeugter Gleichspannungskomponenten und zur Zuführung eines Kompensationssignals an die Verstärkereinriehtungen (26) derart, daß die Gleichspannung praktisch beseitigt ist.
2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung (30) eine Integratorschaltung (37) aufweist, die zwischen dem Ausgang und einem Eingang der Verstärkereinriohtungen (26) eingeschaltet ist.

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3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Integratorschaltung (37) einen Operationsverstärker (32), einen zwischen dem Ausgang der Verstärkereinrichtung (26) und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (32) eingeschalteten Widerstand (31) und einen Kondensator (34) einschließt, der zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers (32) und dessen invertierendem Eingang eingeschaltet ist·
4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands-Kondensator-Zeitkonstante des Widerstandes (31) und des Kondensators (34) ausreichend groß gegenüber der Frequenz des Neigungssignals ist, so daß das Neigungssignal durch die Kompensationsschaltung (30) nicht beeinflußt ist.
5» Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Wechselspannungsquelle (24;ν zwischen der Wechselspannungsquelle (24) und den Elektroden (51, 52, 54, 55) eingeschaltete Kopplungseinrichtungen (4l) zur Zuführung eines Wechselspannungspotentials mit einem definierten Mittelpunktspotential an die Elektroden.
6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtungen (41) zweite (43) und dritte (46) Verstärker mit zweiten und dritten Ausgängen einschließen, die jeweils mit den Elektroden (51, 52,

en 54, 55) verbunden sind, wobei die Verstärkung''des zweiten

des dritten Verstärkers (43, 46) bezüglich der Wechselspannungsquelle (24) in Größe gleich und in Polarität entgegengesetzt sind.

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