DE3590263C2 - - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Digital-Beschleunigungsmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Digital-Beschleunigungsmesser ist durch die US-PS 36 43 513 bekanntgeworden.

Linear-Beschleunigungsmesser werden üblicherweise als Bauteile von Trägheits-Bezugssystemen in der Luftfahrt, auf Schiffen und bei Bohrarbeiten eingesetzt. Die Rolle eines Linear-Be­ schleunigungsmessers in einem solchen System besteht darin, ein Signal zu liefern, das Beschleunigung oder Geschwindig­ keitsänderungen entlang einer Achse bezeichnet und typischer­ weise in einen Systemcomputer eingegeben wird. Ein in großem Umfang eingesetzter Beschleunigungsmesser erzeugt ein analoges Stromsignal, das der linearen Beschleunigung entlang der Emp­ findlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers proportional ist. Um für den Systemcomputer brauchbar zu sein, muß ein sol­ ches analoges Beschleunigungssignal digitalisiert und bevor­ zugt integriert werden zur Bildung eines Geschwindigkeitsän­ derungen darstellenden Digitalsignals. Dabei ist ein synchro­ ner Betrieb der Beschleunigungsmesser/Digitalisierer-Kombina­ tion zu fordern, da da Sammeln von Daten, deren Korrektur sowie Navigationsberechnungen in Echtzeit erfolgen und keine Information verlorengehen darf, was der Fall wäre, wenn ein Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Umsetzer verwendet werden würde.

Bekannte Beschleunigungsmesser/Digitalisierer-Konstruktionen verwenden einen in einem gesonderten Gehäuse untergebrachten Beschleunigungsmesser, der über ein elektrisches Kabel mit einer gedruckten Schaltung verbunden ist, die den Digitali­ sierer enthält. Komplette Trägheits-Bezugssysteme umfassen drei derartige Analog-Beschleunigungsmesser und drei solche gedruckten Schaltungen. Da sowohl die Analog-Beschleunigungs­ messer als auch die Digitalisierer temperaturempfindlich sind, kann die Steuerung und Voraussage von Temperaturgradienten unter sämtlichen denkbaren Umgebungsbedingungen für solche Systeme sehr schwierig sein. Zwar können der Beschleunigungs­ messer und der Digitalisierer in bezug auf Temperatur geson­ dert kalibriert werden, wenn jedoch die Bauteile zu einem kom­ pletten System zusammengebaut sind, ist eine Justierung unver­ meidlich. Ferner sind der Platzbedarf, das Gewicht und der Energiebedarf von Analog-Beschleunigungsmessern und Digitali­ sierern beträchtlich und das sind wesentliche Faktoren bei Anwen­ dungen in Luftfahrzeugen. Dessen ungeachtet werden bekannte Beschleunigungsmesser und Digitalisierer bisher nicht norma­ lerweise in einem einzigen geschlossenen Gehäuse kombiniert, und zwar teils wegen der mangelnden Flexibilität, die aus einer solchen Anordnung resultiert. Zum Beispiel haben die meisten Beschleunigungsmesser/Digitalisierer-Konstruktionen einen bestimmten Dynamikbereich, der nur durch Auswechseln eines oder mehrerer elektronischer Bauelemente modifizierbar ist. Somit kann eine Beschleunigungsmesser/Digitalisierer-Konstruk­ tion mit bekannten Bauelementen keinesfalls sowohl für Anwen­ dungszwecke mit hoher Beschleunigung wie etwa in Fern­ lenksystemen von Flugkörpern als auch für Anwendungszwecke mit geringer Beschleunigung wie etwa in der Raumfahrt ein­ gesetzt werden.

Es ist ein Digital-Beschleunigungsmesser bekannt (US-PS 36 43 513), der aus einem Analog-Beschleunigungsmesser und einem nachgeschalteten Digitalisierer besteht, die beide in aneinander angrenzenden Baukörpern untergebracht sind. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung ist jedoch dabei der Analog-Beschleunigungsmesser nicht als selbständige modulare Einheit ausgebildet, er ist ohne Zusammenwirken mit den in den angrenzenden Baukörpern untergebrachten Bauelementen nicht für sich funktionsfähig zur Abgabe eines Analogsignals proportional der ermittelten Beschleu­ nigung. Außerdem weist der Beschleunigungsmesser entspre­ chend der genannten Literaturstelle keine Schnittstelle auf, deren Bauteile zur Veränderung des Dynamikbereichs nach Lösen einer Kapsel zugänglich sind.

Bei der Konstruktion der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, daß die Anbringung von Fühlern in einem abge­ schlossenen Baukörper an sich ebenso bekannt ist (US-PS 41 14 450) wie die Verwendung flexibler Isolierstoffstrei­ fen auf denen sich Bauteile befinden, die unter sich nach Art der gedruckten Schaltungen miteinander verbunden sind und wobei die gedruckten Leitungszüge auch Verbindungen zu anderen Bauteilen eines Moduls herstellen (US-PS 38 73 899).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Digital-Beschleunigungsmesser, der aus einem Analog- Beschleunigungsmesser mit einem nachgeschalteten Digitali­ sierer besteht, die beide in aneinander anschließenden Baukörpern untergebracht sind, einen Aufbau anzugeben, der die thermische Gesamtstabilität eines Digital-Beschleuni­ gungsmessers aufweist, dessen gesamte Bestandteile in einem einzigen, gemeinsamen Raum untergebracht sind, wobei aber dessen Hauptbestandteile voneinander leicht trennbar sind und bei dem in einfacher Weise eine Änderung des Dyna­ mikbereichs ohne zusätzliche Korrektur des thermischen Verhaltens durchführbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht des Digi­ tal-Beschleunigungsmessers nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht des zusammengebauten Digital- Beschleunigungsmessers;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Digital-Beschleunigungs­ messers, wobei Teile weggebrochen sind;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Digital-Beschleuni­ gungsmesser, wobei die Anschlüsse an den Analog- Beschleunigungsmesser gezeigt sind; und

Fig. 5 ein elektrisches Blockschaltbild des Digital-Be­ schleunigungsmessers.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des Digital-Beschleunigungsmessers, der einen linearen Analog- Beschleunigungsmesser 20, einen Digitalisierer 40, eine Kapsel 70 und einen biegsamen elektrischen Verbinder 80 umfaßt. Beim Zusammenbau des Digital-Beschleunigungsmessers wird die Kapsel in Anlage an dem Analog-Beschleunigungsmesser positioniert unter Bildung eines geschlossenen Raums, in dem der Digitali­ sierer 40 und ein Teil des biegsamen elektrischen Verbinders 80 angeordnet sind. Eine Schnittstellenschaltung mit einem Widerstand R 1 und einem Kondensator C 1 (Fig. 3 und 4) ist ebenfalls in dem geschlossenen Raum angeordnet. Der biegsame elektrische Verbinder 80 verläuft durch eine Öffnung in der Kapsel 70, wie noch erläutert wird, und hat die Funktion, elektrische Anschlüsse zwischen den Analog-Beschleunigungs­ messer-, Digitalisierer- und Schnittstellenschaltungs-Unter­ einheiten herzustellen sowie elektrische Signale zwischen diesen Untereinheiten und externen Geräten zu übertragen.

Der Analog-Beschleunigungsmesser 20 umfaßt einen zylindrischen Körper 22 und einen damit einstückigen dreieckigen Befesti­ gungsflansch 24. Der Flansch 24 weist drei Befestigungslöcher 26 zum Befestigen des Digital-Beschleunigungsmessers an einer Instrumenten-Baueinheit auf. Die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers ist mit 30 bezeichnet. Gemäß Fig. 3 weist ein Ende des zylindrischen Körpers 22 einen durchmesser­ kleineren Abschnitt 32 auf, von dem mehrere Steckerstifte aus­ gehen, von denen einer mit 28 bezeichnet ist. Diese Stecker­ stifte stellen die elektrische Verbindung zwischen dem Analog- Beschleunigungsmesser und weiteren Geräten her, wie noch er­ läutert wird.

Der Digitalisierer 40 weist eine Hybridschaltung auf, die noch im einzelnen beschrieben wird. Der Digitalisierer ist in einem Körper 41 enthalten, von dem sich mehrere Steckerstifte er­ strecken, von denen einer mit 42 bezeichnet ist.

Die Kapsel 70 besteht aus einer zylindrischen Buchse 72 und einer Endkappe 74, wie am besten aus Fig. 3 hervorgeht. Die Endkappe 74 ist so geformt, daß sie den Digitalisierer 40 auf­ nimmt, und dieser kann in der Endkappe mit wärmeleitendem Kleber oder anderen geeigneten Mitteln festgelegt sein. Die Buchse 72 hat eine solche Größe, daß zwischen ihr und dem durchmesserkleineren Abschnitt 32 des zylindrischen Körpers 22 des Analog-Beschleunigungsmessers eine enge, wärmeleitende Passung erzielt wird. Dadurch wird eine kompakte einteilige Einheit gebildet, und zwischen dem Analog-Beschleunigungsmes­ ser und dem Digitalisierer wird eine gute Wärmeleitbahn unter­ halten, wodurch Temperaturgefälle minimiert werden. Ein klei­ ner Teil der Buchse 72 ist ausgeschnitten unter Bildung einer Öffnung 76, durch die der biegsame elektrische Verbinder 80 geführt ist.

Der biegsame elektrische Verbinder 80 stellt elektrische An­ schlüsse zwischen dem Analog-Beschleunigungsmesser, dem Digi­ talisierer und der Schnittstellenschaltung sowie zwischen sol­ chen Untereinheiten und externen Geräten her. Er umfaßt ein Band, auf das mehrere elektrisch leitende Streifen geätzt sind. Der biegsame elektrische Verbinder 80 hat einen im we­ sentlichen rechteckigen ersten Endabschnitt 82 mit einer Mehr­ zahl Anschlußstellen, einen halbkreisförmigen mittleren Ab­ schnitt 84 mit Anschlußstellen 90 sowie einen kreisrunden zweiten Endabschnitt 86 mit Anschlußstellen 92. Die Anschluß­ stellen 88, 90 und 92 bestehen jeweils aus einer freien elek­ trisch leitfähigen Steckfläche mit einer kleinen Öffnung zur Aufnahme eines Steckerstifts. Wenn der Digital-Beschleuni­ gungsmesser vollständig zusammengebaut ist, nimmt der biegsame elektrische Verbinder 80 eine im wesentlichen abgeflachte S-Form an (Fig. 3), wobei der Analog-Beschleunigungsmesser 20 mit dem Verbinder 80 am mittleren Abschnitt 84 und der Digi­ talisierer 40 mit dem Verbinder am zweiten Endabschnitt 86 verbunden ist. Die Steckerstifte 28 des Analog-Beschleuni­ gungsmessers 20 sind mit dem biegsamen Verbinder 80 über An­ schlußstellen 90 verbunden, und die Steckerstifte 42 des Digi­ talisierers sind mit dem Verbinder 80 über Anschlußstellen 92 verbunden. Ferner ist mit den Anschlußstellen 90 die Schnitt­ stellenschaltung mit dem Widerstand R 1 und dem Kondensator C 1 verbunden. Die Anschlußstellen 88 des biegsamen elektrischen Verbinders 80 dienen dem Verbinden der Einheit mit anderen Geräten in einem Trägheits-Bezugssystem. Isolierkleber 94 ist auf diejenigen Teile der Steckerstifte des Analog-Beschleuni­ gungsmessers und des Digitalisierers aufgebracht, die durch den biegsamen elektrischen Verbinder verlaufen.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild des Digital-Beschleunigungs­ messers. Dabei stellen die auf der rechten Seite gezeigten Signalleitungen (z. B. BESCHLEUNIGUNGSMESSER-TEMPERATUR) An­ schlüsse an externe Geräte über Anschlußstellen 88 des bieg­ samen elektrischen Verbinders 80 dar. Der lineare Beschleuni­ gungsmesser 20 erzeugt ein analoges Stromsignal auf Leitung 36, dessen Größe der Beschleunigung des Beschleunigungsmessers 20 entlang seiner Achse 30 proportional ist. Dieses analoge Stromsignal wird in ein entsprechendes analoges Spannungssi­ gnal von der Schnittstellenschaltung 96 mit dem Widerstand R 1 und dem Kondensator C 1 umgesetzt. Das resultierende analoge Spannungssignal (ANALOGBESCHLEUNIGUNG) wird über den biegsamen Verbinder 80 ausgegeben und ferner dem Digitalisierer 40 zuge­ führt. Der Wert des Widerstands R 1 bestimmt das Verhältnis zwischen dem analogen Stromsignal auf Leitung 36 und dem ANALOGBESCHLEUNIGUNG-Spannungssignal und ist auf der Grundlage des gewünschten Dynamikbereichs des Digital-Beschleunigungs­ messers gewählt. Die Schnittstellenschaltung 96 weist ferner einen durch den Kondensator C 1 gebildeten Tiefpaß auf, der etwa vorhandene HF-Störkomponenten ausfiltert.

Die Funktion des Digitalisierers 40 besteht darin, das ANALOG­ BESCHLEUNIGUNG-Signal in digitale Ausgangssignale +Δ V und -Δ V umzusetzen. Das +Δ V-Signal besteht aus einer Serie von Impul­ sen, deren jeder ein bestimmtes Inkrement der Geschwindigkeit in der einen Richtung entlang der Achse 30 bezeichnet. In gleicher Weise besteht das -Δ V-Signal aus einer Serie von Impulsen, deren jeder ein bestimmtes Inkrement der Geschwin­ digkeit in der Gegenrichtung entlang der Achse 30 bezeichnet. Der Digitalisierer 40 besteht aus einem Absolutwert-Glied 44, einem Integrierer 50, einem Vergleicher 52 und einer Steuer­ logik 54. Das Signal ANALOGBESCHLEUNIGUNG wird dem Absolut­ wert-Glied 44 als Eingang zugeführt, woraufhin dieses Glied ein Signal auf Leitung 46, das die Größe des ANALOGBESCHLEU­ NIGUNG-Signals darstellt, und ein Signal auf Leitung 48 er­ zeugt, das dessen Vorzeichen bezeichnet, d. h. die Beschleuni­ gungsrichtung entlang der Achse 30. Das VORZEICHEN-Signal auf Leitung 48 steht externen Geräten über den biegsamen Verbinder 80 zur Verfügung. Das Größensignal auf Leitung 46 wird dem Integrierer 50 zugeführt. Dieser erzeugt ein Signal auf Lei­ tung 51, das dem Integral des Größensignals auf Leitung 46 entspricht. Wenn die Größe des Signals auf Leitung 51 (d. h. das Integral der Beschleunigung über die Zeit) einen vorbe­ stimmten Wert übersteigt, erzeugt der Vergleicher 52 auf Lei­ tung 53 ein Ansteuersignal 53 zur Steuerlogik 54.

Die Steuerlogik 54 erhält auf Leitung 56 von einem externen Gerät über den biegsamen Verbinder 80 ein kontinuierliches TAKT-Signal. Infolge jedes Ansteuersignals vom Vergleicher 52 liefert die Steuerlogik 54 einen Impuls auf Leitung 58 oder Leitung 60 und ferner ein Signal RÜCKSETZEN zum Integrierer 50 auf Leitung 62, so daß der Integrierer einen neuen Integra­ tionsvorgang beginnt. Die Steuerlogik 54 trifft eine Auswahl zwischen den Leitungen 58 und 60 aufgrund des vom Absolutwert- Glied 44 empfangenen Vorzeichensignals. Wenn z. B. das Signal auf Leitung 48 anzeigt, daß das ANALOGBESCHLEUNIGUNG-Signal positiv ist, liefert die Steuerlogik 54 einen Impuls auf Lei­ tung 58, wenn der Integrierer 50 den vorbestimmten Integral­ wert hat. In gleicher Weise liefert die Steuerlogik 54, wenn das Signal auf Leitung 48 ein negatives ANALOGBESCHLEUNIGUNG- Signal anzeigt, einen Impuls auf Leitung 60, wenn der Inte­ grierer 50 den vorgegebenen Integralwert hat. Die von der Steuerlogik 54 auf den Leitungen 58 und 60 ausgegebenen Impul­ se werden mit den Taktimpulsen auf Leitung 56 synchronisiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Impulse auf den Leitungen 58 und 60 mit den Vorderflanken dieser Taktim­ pulse synchronisiert, so daß die Höchstfrequenz der +Δ V- und -Δ V-Signale die halbe TAKT-Frequenz beträgt.

Der Dynamikbereich des Digital-Beschleunigers kann ohne wei­ teres durch die Auswahl bestimmter Werte für den Widerstand R 1 eingestellt werden. Wie bereits beschrieben, bestimmt der Wert von R 1 das Verhältnis zwischen dem analogen Stromsignal vom Analog-Beschleunigungsmesser 20 und dem ANALOGBESCHLEUNIGUNG- Signal, das dem Digitalisierer 40 zugeführt wird. Die Frequenz des Taktsignals bestimmt die höchste Impulsausgangsrate auf den Leitungen 58 und 60 und somit die Empfindlichkeit des Digital-Beschleunigungsmessers.

Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, sind der Widerstand R 1 und der Kondensator C 1 in dem geschlossenen Raum zwischen der Kapsel 70 und dem Analog-Beschleunigungsmesser 20 angeordnet. Diese Komponenten können somit ohne weiteres ausgetauscht werden, um den Dynamikbereich des Digital-Beschleunigungsmessers zu ändern. Diese Komponenten sind dennoch gemeinsam mit den übri­ gen Untereinheiten des Digital-Beschleunigungsmessers in der­ selben Einheit untergebracht und unterliegen somit vorherseh­ baren Temperaturänderungen in bezug auf die übrige Einheit. Die Zugänglichkeit dieser Bauteile beeinträchtigt somit nicht die Zuverlässigkeit oder das einfache Kalibrieren des angege­ benen Digital-Beschleunigungsmessers.

Der Analog-Beschleunigungsmesser 20 hat einen inneren Tempe­ raturfühler (nicht gezeigt). Dieser erzeugt ein BESCHLEUNI­ GUNGSMESSERTEMPERATUR-Signal auf Leitung 34 (Fig. 5), das ex­ ternen Geräten über den biegsamen Verbinder 80 zur Verfügung steht. In ähnlicher Weise enthält der Digitalisierer 40 einen inneren Temperaturfühler 64, der ein DIGITALISIERERTEMPERATUR- Signal auf Leitung 66 erzeugt, das die Temperatur im Digitali­ sierer bezeichnet. Beide Temperatursignale können in einen Systemcomputer eingegeben werden, der sie mit vorbestimmten Modellen in Beziehung setzt und die auf Leitungen 58 und 60 empfangenen Geschwindigkeitssignale entsprechend einstellt.

Claims (5)

1. Digital-Beschleunigungsmesser bestehend aus einem Analog-Beschleunigungsmesser zur Ermittlung der Be­ schleunigung längs einer vorgegebenen Bezugsachse, an dessen Gehäuse eine Kapsel anliegt zur Aufnahme eines Digitalisierers, der die analogen Signale des Beschleu­ nigungsmessers in digitale umwandelt, und weiter be­ stehend aus Leitungen zur Verbindung des Analog-Be­ schleunigungsmessers mit dem Digitalisierer innerhalb des Gehäuses und der Kapsel und zur Verbindung des Digital-Beschleunigungsmessers mit externen Geräten, dadurch gekennzeichnet,
daß der lineare Analog-Beschleunigungsmesser (20) als selbständige modulare Einheit ausgebildet ist;
daß der Digitalisierer (40) als selbständige modulare Einheit ausgebildet ist;
daß eine Schnittstellenschaltung, die aus einem oder mehreren Bauteilen (R 1, C 1) besteht, durch Ent­ fernen der Kapsel (70), die am Gehäuse des linearen Analog-Beschleunigungsmessers (20) angebracht ist, zugänglich sind;
daß ein elektrischer Verbinder (80) vorgesehen ist zur Verbindung des linearen Analog-Beschleunigungs­ messers, des Digitalisierers (40) und der Schnitt­ stelle untereinander sowie zur Verbindung des Digi­ tal-Beschleunigungsmessers nach außen, bestehend aus einem einzigen biegsamen Isolierstoffstreifen, in den mehrere Streifenleiter eingebettet sind und der durch eine Öffnung in der Kapsel (70) nach außen geführt ist und der drei in Abständen vonein­ ander angeordnete Gruppen von Anschlußstellen (82, 84, 86) aufweist mit einer ersten Gruppe (82), die außerhalb der Kapsel (70) liegt, zum Anschluß des Digital-Beschleunigungsmessers an ein externes Ge­ rät, und mit zweiten (84) und dritten (86) Gruppen von Anschlußstellen, die innerhalb der Kapsel (70) angebracht sind zur Verbindung des linearen Analog- Beschleunigungsmessers (20) mit dem Digitalisierer (40);
daß die beiden modularen Einheiten (20, 40) miteinander in engem thermischen Kontakt stehen, und
daß der Dynamikbereich des Digital-Beschleunigungs­ messers durch Lösen der Kapsel (70) vom Gehäuse des linearen Analog-Beschleunigungsmessers (20) durch Austausch von Bauteilen der Schnittstelle (z. B. R 1) veränderbar ist.

2. Digital-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Widerstand (z. B. R 1) der Schnittstelle ein Strom fließt, der proportional der Beschleunigung ist und daß daher die an diesem Widerstand abfallende Spannung ebenfalls der gemessenen Beschleunigung ent­ spricht und daß der Dynamikbereich des Digital-Be­ schleunigungsmessers durch Austausch dieses Widerstan­ des veränderbar ist.

3. Digital-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse des linearen Analog-Beschleunigungs­ messers (20) sowie in der Kapsel (70) in der der Digitalisierer (40) untergebracht ist, je ein Tempera­ turfühler (z. B. 64) angeordnet ist und daß die von ihnen gelieferten Signale auf Leitungen (34, 66) nach außen geführt werden.

4. Digital-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der biegsame Isolierstoffstreifen des elektrischen Verbinders (80) zwei Kröpfungen von jeweils ca. 180° zwischen der zweiten (84) und der dritten Gruppe (86) von Anschlußstellen aufweist, so daß ein zwischen der zweiten und der dritten Gruppe von Anschlußstellen be­ findlicher Abschnitt des biegsamen Streifens zwischen dem linearen Analog-Beschleunigungsmesser (20) und dem Digitalisierer (40) angeordnet ist.

5. Digital-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ein oder mehreren Bauelemente (R 1, C 1) zwischen dem genannten Abschnitt des biegsamen Streifens des elektrischen Verbinders (80) und einem an die zweite Gruppe von Anschlußstellen (84) angrenzenden zweiten Abschnitt des biegsamen Streifens angeordnet sind.