DE2840652A1 - Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungsmesser nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1 und insbesondere auf eine Temperatur-Kompensationseinrichtung zur Stabilisierung des Ansprechverhaltens des Beschleunigungsmessers bei auftretenden Temperaturänderungen.

Auf Beschleunigungen ansprechende Einrichtungen führen wesent liche Meßfunktionen in einer Vielzahl von Systemen aus. Mit den gesteigerten Leistungsanforderungen und dem Forschritt der zur Verfügung stehenden Technologie hat sich die Nachfrage nach Sensoren vergrößert, die durch eine verbesserte Empfindlichkeit, Stabilität, Zuverlässigkeit und Kompaktheit bei zusätzlich schneller Reaktionszeit und niedrigen Herstellungskosten gekennzeichnet sind. In den Anforderungen nach Stabilität und Empfindlichkeit ist die Anforderung eingeschlossen, daß die Präzision über einen weiten Temperaturbereich aufrechterhalten wird. Der gegenwärtige Stand der Technik ist dergestalt, daß es bislang schwierig gewesen ist, Verbesserungen hinsichtlich aller vorstehend genannter Charakteristiken gleichzeitig zu erzielen oder in einigen Fällen auch nur eine Verbesserung hinsichtlich einer Charakteristik ohne nachteilige Beeinflussung einer anderen Charakteristik zu erreichen. Ungeachtet dessen bestehen diese Anforderungen bei Flugzeug-Navigationssystemen und Raketen-Leitsystemen, bei denen ein einziger Beschleunigungsfühler mit überlegener Leistungsfähigkeit in all den erwähnten Bereichen gefordert wird.

Eine Funktion, die bei einem nicht-integrierenden Beschleunigungsmesser vorgesehen sein muß, betrifft die Rückführung der die Beschleunigung erfassenden Masse in eine vorbestimmte Ruhestellung, nachdem sie durch eine Beschleunigung verschoben worden ist. Eine Vielzahl von verschiedenen Systemen zur Ausführung dieser Kompensation ist in der Vergangenheit vorgeschlagen worden und wird gegenwärtig noch verwendet. Ein solches System, das als Kompensationssystem mit einem Permanentmagneten und einer beweglichen Spule bezeichnet werden kann, hat sich als vielversprechend hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der geringen

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Herstellungskosten erwiesen. Eine diesem System anhaftende Eigenschaft besteht jedoch darin, daß jegliche Veränderung hinsichtlich der magnetischen Flußdichte im Bereich der beweglichen Spule zu einer Veränderung des Ansprechverhaltens bei einer vorgegebenen Eingangsbeschleunigung führt. Die temperatürabhangige Permeabilität bekannter magnetischer Materialien stellt hierbei eine Ursache für die Veränderung der magnetischen Flußdichte dar. Obgleich die meisten stabilen magnetischen Materialien eine vergleichsweise geringe Temperaturabhängigkeit besitzen, ist jedoch bislang kein Material angetroffen worden, das die Anforderungen an Beschleunigungsmesser höchster Leistungsfähigkeit erfüllt»

Ein bekanntes Verfahren zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Beschleunigungsmessern bei veränderlichen Temperaturen sieht«die Schaffung einer stabilen Umgebungstemperatur für den Beschleunigungsmesser durch Heizeinrichtungen oder andere Temperatur-Steuereinrichtungen vor. Eine geeignete Temperatursteuerung ist jedoch sehr umfangreich, kostspielig und führt zu einer langsamen Reaktionszeit des Beschleunigungsmessers. Die Beschleunigungsmesser mit einer Temperatursteuerung sind daher nicht geeignet für Flugzeug-Navigationssysteme und Raketen-Leitsysteme, an die hohe Anforderungen gestellt werden,und sie erfüllen zudem nicht die an die Kostenseite bei diesen Anwendungen gestellten Anforderungen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungsmesser der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er eine überlegene Leistungsfähigkeit, ein lineares Ansprechverhalten und einen konstanten Eichfaktor auch bei einer sich ändernden Umgebungstemperatur aufweist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen en. ~hmbar.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine temperaturabhängige Beeinflussung des magnetischen Feldes des Beschleunigungsmessers

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erzielt, wobei dieser mit einem permanentmagnetischen Kreis und einer beweglichen Spule arbeitet. Die Beeinflussung erfolgt in einfacher Weise, zuverlässig und mit niedrigen Kosten, und sie beeinträchtigt nicht die schnelle Reaktionszeit des Beschleunigungsmessers. Die mit dem erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesser erzielten Leistungsdaten und die Zuverlässigkeit sind bislang bei einfachen und billigen Geräten dieser Art unerreicht.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungsmesser mit einem permanentmagnetischen Kreis zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, in welchem eine Spule angeordnet ist, die wenigstens einen Teil einer zwecks Bewegung relativ zu dem magnetischen Kreis aufgehängten Masse bildet, mit einem Servosystem zur Lieferung eines Stromes an die Spule, um die Masse in einer vorbestimmten Position in Bezug auf den magnetischen Kreis zu halten und mit einer Abgriffeinrichtung zur Lieferung eines die Verschiebung der Masse aus der vorbestimmten Position anzeigenden Signales. Eine Temperaturkompensation ist vorgesehen und umfaßt eine Temperaturerfassungseinrichtung zur Erzeugung eines Signales in Abhängigkeit von der Temperatur des permanentmagnetischen Kreises, eine dem permanentmagnetischen Kreis zugeordnete Hilfswicklung zur Korrektur des durch den permanentmagnetischen Kreis erzeugten magnetischen Feldes und einen Verstärker zur Lieferung eines Temperatur-Kompensationsstromes an die Hilfswicklung in Abhängigkeit von dem Temperatursignal.

Der permanentmagnetisehe Kreis umfaßt einen längs der Eingangsachse ausgerichteten Permanentmagneten und eine magnetisch permeable Hülse, die mit dem Permanentmagneten zusammenarbeitet und erste und zweite ringförmige Luftspalte definiert, in denen die magnetischen Felder radial nach innen und' radial nach außen gerichtet sind. Die Masse umfaßt einen tubusförmigen Spulenkörper, der konzentrisch zwischen dem Permanentmagneten und der Hülse aufgehängt ist und erste und zweite entgegengesezt gewickelte Ringspulen trägt, die in Reihe geschaltet sind und in den

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ersten und zweiten Ring luftspalten entsprechend eingeordnet sind. Die Ternperaturerfassungseinrichtung und die Hilfswicklung können vorzugsweise auf dem Permanentmagneten angeordnet sein,

Anhand eines in den Figuren dex* beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines

Beschleunigungsmessers mit einem System zur Temperaturkompensation; und

■Fig. 2 ein schematisches elektrisches Schaltungsdiagramm des Temperaturkompensationssystems für den Beschleunigungsmesser gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist ein linearer Beschleunigungsmesser 10 dargestellt, der ein Kraftausgleichs- bzw. Kompensationssystem mit einem Permanentmagneten und einer beweglichen Spule aufweist. Der Beschleunigungsmesser 10 weist einen permanentmagnetischen Kreis auf, der aus einem zylindrischen Permanentmagneten 11 und einer diesen konzentrisch umgebenden ringförmigen Hülse aus magnetisch permeablem Material besteht. Der Permanentmagnet 11 ist entlang der Eingangsachse 12 ausgerichtet und besitzt an gegenüberliegenden Enden Polschuhe 13 und 14. Die Hülse 15 erstreckt sich im wesentlichen gleich weit wie der Permanentmagnet 11 mit den Polschuhen 13 und 14 entlang der Eingangsachse 12, und diese Elemente bilden zusammen ein Paar von im Abstand angeordneten Ringbereichen 16 und 17, in denen entgegengesetzt gerichtete radiale magnetische Felder auftreten.

Die Hülse 15 dient ferner als ein zentraler Abschnitt eines Gehäuses, das die Endkappen 18 und 19 umfaßt, und in welchem eine tubusförmige Masse bzw. ein Spulenkörper 20 aufgehängt ist, dessen Symmetrieachse mit der Eingangsachse 12 zusammenfällt. Der Spulenkörper 20 trägt ein Paar von in Reihe geschalteten entgegengesetzt gewickelten Ringspulen 21 und 22, die

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in parallelen Ebenen zueinander angeordnet sind und im wesentlichen den gleichen Abstand wie die ringförmigen Bereiche des magnetischen Feldes voneinander aufweisen.

Der Spulenkörper 20 ist zwecks Bewegung entlang der Eingangsachse 12 mittels eines Paares scheibenförmiger Torsionsgeienkaufhängungen 23 und 24 aufgehängt, von denen jede grundsätzlich in Form von drei konzentrischen Ringen ausgebildet ist, die durch Torsionsglieder miteinander verbunden sind, wobei die Torsionsglieder auf zueinander parallelen Achsen liegen, die senkrecht zur Eingangsachse 12 gerichtet sind.

Der Beschleunigungsmesser 10 weist eine Positionserfassungs- bzw. Abgriffeinrichtung zur Erzeugung eines Signales auf, das die Verschiebung des Spulenkörpers 20 aus einer vorbestimmten Lage in Bezug auf das Gehäuse des Beschleunigungsmessers anzeigt. Die in Fig. 1 dargestellte Abgriffeinrichtung umfaßt zwei Paare von veränderlichen Kondensatoren, die ganz allgemein durch die Bezugsziffern 25 und 26 veranschaulicht sind. Jeder Kondensator wird zwischen einer beweglichen Platte, die den äußeren Ring einer der Aufhängungen 23 und 24 umfaßt,und einer benachbarten Kondensatorplatte gebildet, die fest in Bezug auf das Gehäuse des Beschleunigungsmessers angeordnet ist. Beispielsweise wird das Kondensatorpaar 26 zwischen dem äußeren Ring 27,der Aufhängung 24 und festen Platten 28 und 29 gebildet, wobei die festen Platten von stationären isolierenden Trägerscheiben 30 und 31 getragen werden.

Die Kondensatoren können als vier aktive Elemente in einem Brückenschaltkreis angeordnet werden, um ein Positionssignal zu erzeugen, das einem Servoverstärker in einem elektronischen Schaltkreis 32 zugeführt wird. Der Servoverstärker seinerseits liefert einen Kompensationsstrom an die Spulen 21 und 22, um auf diese Weise den Spulenkörper 20 in der vorbestimmten Lage, bezogen auf das Gehäuse des Beschleunigungsmessers,zu halten.

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Wie eir.gangs erläutert, ist ein unveränderliches magnetisches Feld für die sich bewegenden Spulen erforderlich, um einen konstanten Eichfaktor bzw. eine konstante Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers zu erzielen. Auf Grund der von der Temperatur abhängigen magnetischen Permeabilitätscharakteristik, die den bekannten magnetischen Materialien anhaftet, ist jedoch eine weitere Temperaturkorrektur bei Beschleunigungsmessern erforderlich, um die hohen an die Leistungsdaten gestellten Anforderungen zu erfüllen.

Gemäß Fig. 1 umfaßt das Temperaturkompensationssystem eine die Temperatur erfassende Wicklung 33, die um den Permanentmagneten 11 zwischen den Polschuhen 13 und 14 gewickelt ist und keine Induktivität erzeugt. Die Wicklung 33 besitzt einen Widerstand, der sich umgekehrt proportional zur Temperatur verhält, und sie kann aus Kupferdraht bestehen. Gemäß Fig. 2 bildet die Wicklung 33 einen Teil eines Widerstands-Brückenschaltkreises, der ein Signal an einen Differenzverstärker liefert. Der Brückenschaltkreis und der Verstärker 34 werden über eine Spannungsquelle V und ein Netzwerk von Widerständen 35, 36 und 37 mit den geeigneten Betriebsspannungen versorgt.

Der Verstärker 34 liefert einen Strom geeigneter Größe und Richtung an eine Hilfswicklung 38, die in Nachbarschaft der Wicklung 33 um den Permanentmagneten 11 gewickelt ist, wobei jedoch beide Wic^_agen durch ein dünnes ringförmiges Trennelement voneinander getrennt sind. Der Strom in der Wicklung 38 erzeugt eine magnetomotorische Kraft, die zu dem von dem permanentmagnetischen Kreis erzeugten magnetischen Fluß hinzuaddiert bzw. von diesem subtrahiert wird, wobei, das Vorzeichen der Beeinflussung des magnetischen Feldes durch die Richtung des Stromes in der Wicklung vorgegeben ist« Das Trennelement ist aus einem nicht magnetischen Material gebildet„ beispielsweise aus Berylliumkupfer, aiid dient als eine elektrostatische Abschirmung zwischen den Wicklungen 33 und 38. Es sei darauf verwiesen _t daß die Hilfswicklung 38 mit gleicher Wirksamkeit an verschiedenen Stellen innerhalb des magnetischen Kreises

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angeordnet werden kann. Bei vorgegebenem geeignetem Raum kann beispielsweise die Hilfswicklung im Innern der Hülse 15 angeordnet werden.

Der Verstärker 34 und bestimmte diesem zugeox-dnete Schaltkreise sind in einem elektronischen Schaltungspaket 39 gemäß Fig. 1 enthalten, Die die Temperatur erfassende Wicklung 33 ist elektrisch an einen Anschluß des Schaltungspaketes 39 angeschlossen. Dies erfolgt über eine Leitung 40, eine elektrische Durchführung 41 in der Endkappe 19 und eine elektrische Verbindung 42. In gleicher Weise ist die Wicklung 38 an einen Anschluß des Schaltungspaketes 39 über eine Leitung 43, eine elektrische Durchführung 44 und ein Verbindungsglied 45 angeschlossen.

Abdeckungen 46 und 47 umgeben die Schaltungspakete 31 und 39 sowie die Endkappen 18 und 19. Die Abdeckungen bestehen aus magnetisch permeablem Material, um eine magnetische Abschirmung zu erzielen, und sie können mit der Hülse 15 durch eine hermetische Abdichtung verbunden sein. Bestimmte elektrische Signale, wie beispielsweise die Spannung über der die Temperatur erfassenden Wicklung 33, werden aus den Abdeckungen herausgeführt, wie dies durch die Leitung 38 und die elektrische Durchführung veranschaulicht ist.

Gemäß Fig. 2 sind die Hilfswicklung 38 und die die Temperatur erfassende Wicklung 33 so angeordnet, daß sie eine negative Rückführung hinsichtlich des Verstärkers 34 bilden. Ein Rückkopplung swider stand 50 ist zwischen den Verbindungspunkt der Wicklungen 33 und 38 und Masse 51 geschaltet. Der Wert des Widerstandes 50 wird so gewählt, daß das Verhältnis der Stromänderung durch die Wicklung 38 zu der Temperaturänderung der Änderung des magnetischen Feldes entspricht, die durch den Permanentmagneten auf Grund einer Temperaturänderung erzeugt wird. Es hat sich herausgestellt, daß diese Parameter in einer im wesentlichen linearen Weise variieren und daß der Temperaturkompensationsschaltkreis ein im wesentlichen unveränderliches magnetisches Feld hinsichtlich der sich bewegenden Spulen

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vorgeben kann. Diese Anordnung führt somit im v/esentlichen zu einem konstanten Eichfaktor und zu einer konstanten Empfindlichkeit hinsichtlich des Beschleunigungsmessers 10.

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Claims (8)

\ 8. Se?. 1973 HONEYWELL INC. Honeywell Plaza 2840652 Minneapolis, Minn., USA Beschleunigungsmesser Patentansprüche:

1.1 Beschleunigungsmesser mit Temperaturkompensation, g e kennzeichnet durch ein Gehäuse;

einen in dem Gehäuse angeordneten permanentmagnetischen Kreis zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in einem bestimmten Bereich;

eine Masse mit einer Spule, wobei die Spule in einer Ebene senkrecht zu einer zentralen Achse der Spule liegt; ein Aufhängungssystem zur Lagerung der Masse dergestalt, daß die Spule in dem bestimmten Bereich quer zur Richtung des magnetischen Feldes angeordnet ist, wobei das Aufhängungssystem eine Bewegung der Masse in Bezug auf das Gehäuse gestattet;

eine Positions-Fühleinrichtung zur Erzeugung eines Positionssignales, das die Verschiebung der Masse aus einer vorbestimmten Position, bezogen auf das Gehäuse, anzeigt; einen Servoverstärker zur Erzeugung eines Kompensationsstromes auf Grund des Positionssignales;

elektrische Verbindungen zur Zuführung des Kompensationsstromes zu der Spule, wodurch die Masse in der vorbestimmten Position gehalten wird;

eine Temperaturerfassungseinrichtung zur Erzeugung eines Signales in Abhängigkeit von der Temperatur des permanentmagnetischen Kreises;

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ORIGINAL INSPECTED

eine der Temperaturerfassungseinrichtung zugeordnete Hilfswicklung zur Korrektur des in dem bestimmten Bereich erzeugten magnetischen Feldes;

einen beschalteten Verstärker zur Erzeugung eines Temperatur-Koinpensationsstromes auf Grund des Temperatursignales;

Mittel zur Zuführung des Temperatur-Kompensationsstromes zu der Hilfswicklung, wodurch die durch die Temperatur hervorgerufenen Veränderungen der magnetischen Feldstärke auf ein Minimum reduziert werden. .

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,

daß der permanentmagnetische Kreis so ausgebildet ist, daß durch ihn ein Paar von entgegengesetzt gerichteten magnetischen Feldern in getrennten zentral um die Eingangsachse angeordneten Ringbereichen erzeugt wird; daß die Masse einen Spulenkörper aufweist, der ein Paar von in Reihe geschalteten entgegengesetzt gewickelten Ringspulen in parallelen Ebenen trägt, wobei diese Ebenen im wesentlichen den gleichen Abstand wie die Ringbereiche des magnetischen Feldes aufweisen; und daß das Aufhängungssystem so ausgebildet ist, daß der Spulenkörper in dem Gehäuse zentral um die Eingangsachse gelagert ist uiiu. die darauf befindlichen Spulen in den Ringbereichen des magnetischen Feldes angeordnet sind, wobei das Aufhängungssystem eine Bewegung des Spulenkörpers entlang der Eingangsachse gestattet.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ,

daß der permanentmagnetische Kreis einen entlang der Eingangsachse ausaerichteten Permanentmagneten und eine den Permanentmagneten umgebende magnetisch permeable Hülse aufweist, wobei sich die Hülse im wesentlichen gleich weit wie der Permanentmagnet entlang der Eingangsachse

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erstreckt und die Hülse mit dem Permanentmagneten zusammenarbeitet, um ein Paar von Ringluftspalten zu bilden, die die Ringbereiche des magnetischen Feldes aufweisen; und

daß die Hilfswicklung aus einer Ringwicklung um die Eingangsachse zwischen dem Permanentmagneten und der magnetisch permeablen Hülse besteht.

4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperaturerfassungseinrichtung eine Wicklung auf dem Permanentmagneten umfaßt.

5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die die Temperatur erfassende Wicklung einen Widerstand aufweist, der sich im wesentlichen proportional zu der Permeabilitätsveränderung des Permanentmagneten bei einer Änderung der Temperatur verändert.

6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der beschaltete Verstärker aufweist:

einen Differenzverstärker mit invertierenden und nichtinvertierenden.Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluß;

Schaltungsmittel zum Verbinden der Hilfswicklung und der die Temperatur erfassenden Wicklung in einem negativen Rückführungsschaltkreis zwischen dem Ausgangsanschluß und dem invertierenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers ; und

eine Vorspannungseinrichtung zur Zuführung von Vorspannungen zu den invertierenden und den nicht-invertierenden Eingangsanschlüssen des Differenzverstärkers.

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7. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der negative Rückführungsschaltkreis einen Widerstand aufweist, der den Verbindungspunkt zwischen der Hilfswicklung und der die Temperatur erfassenden Wicklung mit einem Referenzpotential verbindet, wobei dieser Widerstand einen solchen Wert aufweist, daß sich der Strom durch die Hilfswicklung umgekehrt wie die Stärke des radialen magnetischen Feldes in Abhängigkeit von Temperaturänderungen verändert.

8. Beschleunigungsmesser mit einem permanentmagnetischen Kreis zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, in welchem eine Spule angeordnet ist, die wenigstens einen Teil einer zwecks Bewegung relativ zu dem magnetischen Kreis aufgehängten Masse bildet, mit einem Servosystem zur Lieferung eines Stromes an die Spule, um die Masse in einer vorbestimmten Position in Bezug auf den magnetischen Kreis zu halten und mit einer Abgriffeinrichtung zur Lieferung eines die Verschiebung der Masse aus der vorbestimmten Position anzeigenden Signales, gekennzeichnet durch

eine Temperaturerfassungseinrichtung zur Erzeugung eines Signales in Abhängigkeit von der Temperatur des permanentmagnetischen Kreises;

eine dem permanentmagnetischen Kreis zugeordnete Hilfswicklung zur Korrektur des durch den permanentmagnetischen Kreis erzeugten magnetischen Feldes; und Mittel zur Zuführung des Temperatur-Kompensationsstromes zu der Hilfswicklung, wodurch temperaturbedingte Veränderungen der magnetischen Feldstärke auf ein Minimun reduziert werden.

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