-
Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit über Grund eines Wasser-
oder Luftfahrzeuges Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung der
Geschwindigkeit über Grund eines Wasser- oder Luftfahrzeuges unter Benutzung eines
in oder auf dem Fahrzeug befindlichen Körpers relativ großer Masse, der bei auftretenden
Besthleunigungen oder Verzögerungen des Fahrzeuges infolge seines Beharrungsvermögens
Druclc- oder Zugkräfte auf Kupplungsglieder zwischen der Masse und dem Fahrzeuge
erzeugt. Die Erfindung besteht darin. daß die Kupplungsglieder Schwingungsgebilde
sind, deren Eigenfrequenz in Abhängigkeit von den Zug- oder Druckkräften veränderlich
ist. Die Kupplungsglieder können gemäß der Erfindung aus Saiten bestehen. Die Auswertung
der Meßanordnung kann erfindungsgemäß durch Differenzbildung der von den Kupplungsgliedern
gelieferten Schwingungszahlen erfolgen. Zwecks Erleichterung der Messung ist es
zweckmäßig, die in den Kupplungsgliedern (Schwingungserzeugern) gebildeten Schwingungen
erfindungsgemäß einer konstanten Frequenz, vorzugsweise 40 Hz, zu überlagern.
-
Nach einem Hauptgesetz der Mechanik ist die absolute Geschwindigkeit
eines Körpers zur Zeit t, der sich zur Zeit to in Ruhc befand, gleich dem Integral
aller Beschleunigungen b vom Zeitpunktto bis zum Zeitpunkt t:
Die Beschleunigungen äußern sich als Kräfte k, die der Masse m des Körpers pro portional
sind k=m-b, b=k. m Es gilt also auch
Es ergibt sich also die absolute Geschwindigkeit eines Körpers nach Größe und Richtung,
wenn alle an ihm auftretenden Beschleunigungskräfte nach Größe und Richtung integriert
werden: Es ist bereits ein Geschwindigkeitsmesser für Fahrzeuge zu Land, zu Wasser
und in der Luft vorgeschlagen worden, der aus einem Beschleunigungsmesser und einem
damit
verbundenen Elektrizitätszähler besteht, derart, daß der
Beschleunigungsmesser zur Regelung des dem Elcktrizitätszähler von einer Stromquelle
konstanter Spannung zugeführten Stromes entsprechend der jeweiligen Geschwindigkeitsänderung
dient.
-
Es ist auch schon ein auf dem Beharrungsgesetz beruhender Beschleunigungsmesser
vorgeschlagen worden. bei dem eine dem jeweiligen Trägheitswiderstand das Gleichgewicht
haltende Gegenkraft ausgewertet xvird, derart, daß diese eiiie Äiaßzahl der Momentanbeschleunigung
nach Größe und Richtung darstellende Gegenkraft durch die zwischen Begrenzungskörpern
lose befindliche und an ihnen anliegende und daher dem Trägheitsgesetz folgende
Trägheitsmasse nach dem Mikrophonprinzip unter Zuhilfenahme einer unabhängigen Kraftquelle
entweder unmittelbar oder mittels Relaiszwischenschaltung elektrisch ausgelöst wird.
Hierbei ist die Trägheitsmasse pendelartig aufgehängt oder axial verschiebbar gelagert.
-
Bei Verdrehungsmessern ist ferner gelegentlich eine Saitenanordnung
vorgeschlagen worden, derart, daß die messende Saite senkrecht zur Wellenachse zwischen
zwei die Meßlänge abgreifenden Klemmringen ausgespannt ist. Bei einer anderen Vorrichtung
zum - Ausgleich der Zentrifugalwirkung bei Nerdrehungsmessern mit schwingender Stahlsaite
ist die Ausbildung so gewählt, dail winkelversetzt oder unmittelbar neben oder auch
parallel zu der Torsionssaite eine gleichartige zweite Saite angeordnet ist. leren
beide Enden auf einem gemeinsamen Träger befestigt sind.
-
Demgegenüber besteht die Erfindung darin, da die bei Bewegungszustandsänderungen
des Fahrzeuges durch eine im Innenl desselhell gegenülier dem Fahrzeug unbeweglich
aufgehängte, zweckmäßig in bezug auf Zentrifugalkräfte auskoml)ensierte Nasse erzeugten
Beschleunigungs- bzw. Verzögerungskräfte mit der Masse verbundene Schwingungserzeuger
in Ein- oder Mehrzahl beeinflussen, deren von den jeweiligen Beschleunigungs-oder
Verzögerungskräften abhängige Schwingungszahlen ein Maß für die absolute Geschwindigkeit
und damit den absoluten Weg des Fahrzeugs bilden.
-
I)ie Schwingungszahlen der durch die Masse entgegengesetzt beeinflußten
Schwingungserzeuger werden gesondert auf je eine Zählvorrichtung, beispielsweise
ein Zählrelais, zur Einwirkung gebracht. Die Zählvorrichtungen übertragen ihre Bewegungen
auf die Kegelräder eines Differentials in entgegengesetzten Drehrichtungen. Bei
gleicher Schwingungszahl der Schwingungserzeuger und damit bei gleicher entgegengesetzter
Drehgeschwindigkeit der Kegelräder bleibt das Differentialhauptrad in Ruhe, bei
unterschiedlichen Schwingungszahlen dagegen und damit bei verschiedener Drehgeschwindigkeit
der Kegelräder wird dem Differentialhauptrad eine Drehbewegung erteilt. die als
Zeigerausschlag sichtbar und meßbar gemacht wird und ein Maß für die absolute Geschwindigkeit
des Fahrzeuges ist. I)as Differentialhauptrad kann selbstverständlich auch zwei
veränderliche \Viderstände bewegen, bei deren Verschiebung je ein in Kippschwingungsschaltung
liegender Kondensator erregt wird.
-
Die Kippschwingungsfrequenzen der beiden Kondensatoren werden über
ein Zählrelais atif die Räder eines zweiten l)ifterentials übertragen, so daß die
Drehbewegung des zweiten Differentialhauptrades ein Maß für den absoluten Weg des
Fahrzeuges darstellt.
-
I)ie an der im Innern des Fahrzeuges aufgehängten Nasse auftretenden
Beschleunigungs- bzw. Verzögerungskräfte können durch Anordnung mehrerer Schwingungserzeuger
in verschiedene Komponenten, beispielsweise in die Nordsüd- und Ostwestkomponenten
oder in Richtung der Falirzeuglängs- und -querachse liegenden Komponenten, zerlegt
werden, wobei die eine Komponente empfindlicher als die andere sein kann. Diese
Maßnahme bildet jedocll nicht den Gegenstand der Erfindung.
-
I)ie Anordnung gemäß der Erfindung wirkt als Druckempfänger, da die
Masse gegenüber dem Fahrzeug unbeweglich aufgehängt ist. und die Messung der Beschleunigungs-bzw.
Verzögerungskräfte erfolgt im Gegensatz zu einem Bewegungsempfänger praktisch vollkommen
trägheitslos.
-
Die Erfindung ist in einer beispielsweisen Ausführungsform schematisch
dargestellt, und es bedeuten: Abb. 1 die Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung
mit zwei Schwingungserzeugern und Zählvorrichtung.
-
Al)h. 7 die Darstellung gemäß Abb. I mit einem zwischengeschalteten
Frequenzgenerator, Abb. 3 die Aufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung mit vier
Schwingungserzeugern.
-
Gemäß Abb. 1 sind zwei Stahlsaiten 1 und 2 in den Punkten 3 und 4
fest eingcspannt, über die Stege 5 und 6 geführt und an dem Körper 7 mit der Masse
m befestigt.
-
I)as Gewicht des Körpers 7 wird durch die Saite 8 aufgenommen. Die
ganze Apparatur sei kardanisch aufgehängt und durch Kreisclkräfte in der Horizontalebene
stabilisiert.
-
Durch in der Abb. 1 angedeutete Rückkopplungseinrichtungen 9 und
10 werden die
Saiten zu ungedämpften Schwingungen in ihrer Grundfrequenz
angeregt. Diese Grundfrequenzen n1 bzw. n2 können mittels der Magnetsysteme 11 bzw.
12 abgenommen werden. Bedeutet P die Spannung einer Saite, so ist ihre Grundfrequenz
n = c|'P.
-
Dabei bedeutet c eine Konstante, die von der Länge und Masse der
Saite abhängt.
-
Werden die beiden Saiten durch Verschieben der Stege 5 bzw. 6 auf
den gleichen Ton abgestimmt, so ist, da die Spannung P in beiden Saiten die gleiche
ist, n1 = n2 = n = c # #P.
-
Wirkt nun auf den Körper 7 eine zusätzliche Kraft #P in der Richtung
von 1 nach 2, so wird die Spannung der Saite I erhöht, die der Saite 2 verringert.
Die entsprechenden Grundfrequenzen sind dann n1 = c #P + #P n2 = c #P - #P.
-
Durch Reihenentwicklung ergibt sich
!)ie Differenz der beiden Töne ergibt
Solange #P klein gegenüber P ist, können #P die höheren Potenzen von vernachlässigt
P werden. (Bei #P < 0,1 P ist der absolute Fehler kleiner als 0,13%.) Es ergibt
sich v = n1 - n2 = n/P # #P, d. h. alle an der Masse m in der Richtung von 1 nach
2 auftretenden Beschleunigungskräfte ergeben Schwebungen der beiden Saiten, deren
Frequenz proportional der Beschleunigung ist.
-
#P b = k/m = m P b = # v. m # n Die ursprüngliche Spannung P, die
ursprüngliche Frequenz n und die Masse m sind Konstanten, also ist b = c1 # v -
Es ergibt sich demnach die in der Richtung von 1 nach 2 herrschende Geschwindigkeit,
wenn alle Nulldurchgänge der Schwebungen, d. h. der Differenz der Saitenschwingungen
in der Zeit von t0 bis t, addiert werden. Zu diesem Zwecke werden alle Schwingungen
der Saiten 1 und 2 auf je ein Zählrelais 15 bzw. 16 über an sich bekannte Vorrichtungen
13 bzw. 14 zur Einwirkung gebracht und die Nulldurchgänge der einzelnen Saiten durch
die Zählvorrichtungen 15 bzw. 16 summiert. Wirken nun die beiden Zählrelais 15 und
16 auf je ein Kegelrad 17 bzw. 18 eines Differentials, so ist die Drehung des Differentialhauptrades
19 gleich der Differenz der Nulldurchgänge der Schwingungen der Saiten 1 und 2,
d. h. gleich der Anzahl der Nulldurchgänge der Schwebungen zwischen den beiden Saiten.
Die Drehung des Differentialhauptrades 19 wird auf ein mit diesem in Eingriff stehendes
Kegelrad 20 übertragen, auf dessen Achse ein über einer Skala 22 gleitender Zeiger
angebracht ist, so daß der Drehwinkel α des Differentialhauptrades 19 direkt
abgelesen werden kann.
-
Da Zählrelais im allgemeinen Frequenzen über So Hz nicht aufnehmen
können, die Schwingungszahlen der Saiten meistens jedoch darüber liegen, so wird
zweckmäßig, wie in Abb. 2 dargestellt ist, ein Generator 23 vorgesehen, der eine
konstante Frequenz ng erzeugt, die etwa 40 Hz über bzw. unter der Saitenschwingung
n liegt. Durch Überlagerung der Saitenschwingungen und der Schwingung des Generators
23 ergeben sich die Differenzfrequenzen N1 = fll -N2 = flg die über die Zählrelais
15 und 16 auf die beiden Kegelräder 17 und 18 eines Differentials
wirken.
Das Differentialhauptrad 19 utid auch das von ihm angetriebene Kegelrad 20 bleibt
in Ruhe, solange die Schwingungen der Saiten I und 2 gleich sind. Wird durch beschleunigte
Kräfte die Gleichheit gestört so zeigt das Differential die Summe der Nulldurchgänge
der Schwebungen beider Saiten an. Der Drehwinkel α des Differentialhauptrades
19 ist demnach proportional der absoluten Geschwindigkeit in der Richtung von I
nach 2. Es ist a = . v, wobei c eine Konstante ist.
-
Die Empfindlichkeit der Apparatur kann durch geeignete Wahl der Masse
m, der Saiten und deren Vorspannung beliebig vergrößert bzw. verkleinert werden.
Ebenso ist es möglich, der Äfeßanordnung eine beliebige Reizschwelle zu geben. dadurch.
daß durch eine mehr oder weniger feste mechanische oder elektrische Kopplung der
Saiten 1 und 2 ein Bereich geschaffen wird. innerhalb dessen die eine Saite die
andere mitnimmt. so daß in diesem Bereich keine Schwebungen auftreten. Temperaturschwankungen
können durch einen Thermostaten. Luftdruckschwankungen durch Aufstellung in einem
luftverdünnten bzw. luftleeren Raum vermieden werden.
-
Der von einem I(örper zurückgelegte Wegs ist:
Demnach ist in der erfindungsgemäßen Anordnung:
d.h. durch eine Integration des Winkels a von to bis t ergibt sich der Weg, den
der Körper in der Richtung von 1 nach 2 zurückgelegt hat. Diese Integration kami
beispielsweise so durchgeführt werden, daß das Differentialhauptrad 19 über das
Kegel rad 20 zwei veränderliche Widerstände dreht, wobei die Differenz dieser Widerstandswerte
w1 und w2 als Funktion des Drehwinkels durch die Formel w1 = -w2 = 1/α gegeben
ist. Werden über diese Widerstandswerte w1 und w2 je ein Kondensator c1 bzw. c2
in einer Kippschwingungsschaltung aufgeladen. so ist die Differenzfrequenz der Kippschwingungen
proportional dem Drehwinkel α.
-
Diese Differenzfrequenz kann nunmehr ihrerseits, ähnlich wie oben
beschrieben, durch Zählrelais, Synchronmotoren o. dgl. beispielsweise dadurch integriert
werden. daß über je ein Zählrelais je eine Seite eines Differentials angetrieben
wird. Der Drehwinkel ß dieses zweiten Differentials ist dann beiden Kippschwingungsgeräte,
d. h. gleich dem Weg.
-
Werden, wie in Abb. 3 dargestellt ist, die Saiten I und 2 der Nordsüdrichtung
und ein genau gleiches Saitenpaar 24 und 25 mit derselben Zusatzapparatur der Richtung
Ostwest zugeordnet, so ergiht sich, da sich sowohl Kraft als auch Geschwindigkeit
und Weg als Vektoren gleich verhalten, durch die Ablesung an dem Nord- bzw. Ostdifferential
die jeweilige Geschwindigkeits- bzw. Wegkomponente der Masse m in Nordsüd- bzw.
-
Ostwestrichtung und damit die wahre absolute Geschwindigkeit und der
Weg dieser Masse in der Ebene.
-
Durch Hinzufügung eines dritten Saitenpaares, das auf der von den
beiden Saitenpaaren I, 2 und 2A, 25 gebildeten Ebene senkreeht steht, kann Geschwindigkeit
und Weg im Raum ermittelt werden.
-
Bei dieser Anordnung in Raumkoordinaten brauchen Zentrifugalkräfte
nicht kompensiert zu werden.
-
Es kann ebenso das eine Saitenpaar 1 und 2 in Längsschiffs-, das
andere Saitenpaar 24 und 25 in Querschiffsrichtung orientiert werden, und es ergeben
sich die Geschwindigkeitskomponenten in der Längsschiffs- und Querschiffsrichtung.
Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Messung in Querschiffsrichtung empfindlicher
als in Längsschiffsrichtung zu machen, eine Möglichkeit, die wichtig ist, da die
Beschleunigungs- bzw.
-
Geschwindigkeitsänderungen in Querschiffsrichtung im Regelfalle kleiner
als in Längsschiffsrichtung sind. Die Anordnung kann auch getrennt aufgestellt werden,
derart, daß Querschiffs- und Längsschiffskomponente beide selbständig registiert
werden können.
-
Werden diese Komponenten durch ein mit dem Kompaß in Verbindung stehendes
Goniometer in die Nordsüd- bzw. Ostwestkomponenten zerlegt, so ergeben sich die
wahren Geschwindigkeiten im Raum. Hierbei müssen allerdings durch die Schiffsdrehungen
bedingte Zentrifugalkräfte kompensiert werden.
-
Die auftretende Zentrifugalkraft ist gleich v # w, wobei v die Umfangsgeschwindigkeit
und w die Winkelgeschwindigkeit bedeuten.
-
Da v am Geschwindigkeitsmesser und w am Kompaß abgelesen werden können,
ist eine solche Kompensation möglich.
-
Es ist möglich, die für die Ranmorientierung vorgesehene Anordnung
auch für die Schiffsorientierung und umgekehrt zu verwenden.