DE888477C - Drehbeschleunigungsmesser - Google Patents

Drehbeschleunigungsmesser

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DE888477C
DE888477C DES16551D DES0016551D DE888477C DE 888477 C DE888477 C DE 888477C DE S16551 D DES16551 D DE S16551D DE S0016551 D DES0016551 D DE S0016551D DE 888477 C DE888477 C DE 888477C
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DE
Germany
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rotary
axis
measuring
ship
frame
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Expired
Application number
DES16551D
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English (en)
Inventor
Hermann Dipl-Ing Dr Hort
Franz Stoecklein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/14Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of gyroscopes

Description

  • Drehbeschleunigungsmesser Man kann, wie bekannt, die Drehbeschleunigung mittels eines Drehpendels messen, dessen Drehachse (Meßachse) über eine Feder mit dem Meßobjekt verbunden ist, so daß, wenn M das Drehmoment, O das Trägheitsmoment des Pendels und q7 den Drehweg bedeutet, auf Grund der physikalischen Beziehung M = O ? die Rückstellkraft bzw. die Verdrehung der Feder ein Maß für die Drehbeschleunigung ç darstellt. Um diese Anordnung bei schwingungsfähigen Systemen, wie Schiffen oder Flugzeugen, -mit einfachen mechanischen bzw. elektrischen Mitteln verwenden zu können, ist vorgeschlagen worden, die Meßachse über eine fast starre Feder an das Schiff anzuschließen, damit die Eigenschwingungsdauer des Drehpendels klein wird gegenüber der des Schiffes und somit der Meßwert hinsichtlich Amplitude und Phase richtig angezeigt wird. Die fast starre Feder bedingt naturgemäß entsprechend kleine Meßausschläge des Drehpendels, so daß zur Erzielung einer hinreichenden Anzeigegenauigkeit z. B. mechanische Übersetzungen erforderlich wären. Die Reibung und die störende Massenwirkung der mechanischen Übersetzungen beeinträchtigen die Empfindlichkeit der Meßeinrichtung, so daß, um diesen Mängeln zu begegnen, das Drehpendel ein großes Trägheitsmoment erhalten und mit einer entsprechend schweren steifen Feder versehen werden müßte.
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehbeschleunigungsmesser nach Art eines Drehpendels, dessen Meßachse über eine fast starre Feder mit dem schwingungsfähigen Meßobjekt (Schiff, Flugzeug od. dgl.) verbunden ist. Zur Vermeidung der erwähnten Schwierigkeiten ist erfindungsgemäß auf der Meßachse ein langer Meßarm angeordnet, der direkt ohne mechanische Übersetzung eine vorzugsweise elektrisch wirkende Anzeigevorrichtung oder die reibungsfrei arbeitende Schaltvorrichtung einer die Ausschläge mit Kraft nachbildenden Nachlaufeinrichtung betätigt.
  • Der neuen Bauart liegt die Erkenntnis zugrunde, daß in erster Linie die obengenannten Störkräfte die Größe des Meßpendels bedingen. Vermeidet man daher erfindungsgemäß weitgehend diese Stprkräfte, so kann bei erhöhter Genauigkeit und Empfindlichkeit das Trägheitsmoment und die Meßfeder des Pendels wesentlich kleiner gehalten werden. Da die relativ zum Meßobjekt erfolgenden Meßausschläge maximal nur wenige Grad betragen, ist der Raumbedarf trotz des langen Meßarmes gering. Hinzu kommt noch, daß bei den praktisch in Frage kommenden Anwendungsfällen meist nicht die Drehbeschleunigung allein, sondern noch weitere Größen zu messen und verschiedene Hilfsgeräte unterzubringen sind. Zum Beispiel wird bei der messenden Untersuchung des Schlingervorganges auf Schiffen neben der Schlingerwinkelbeschleunigung auch der Schlingerwinkel selbst benötigt. Bei Verweridung des erfindungsgemäßen Gerätes als Schlingerwinkelbeschleunigungsmesser kann man zweckmäßig den Schlingerwinkelzeiger, etwa einen Horizontkreisel, und den Schwungkörper des Beschleunigungsmessers in Richtung des langen Meßarmes über- bzw. nebeneinander (letzteres bei sich horizontal erstreckendem Meßarm) anordnen.
  • Der Horizontkreisel liegt hierbei gewissermaßen im Schatten des langen Meßarmes, so daß der Raum in günstiger Weise ausgenutzt ist und der lange Meßarm keinen zusätzlichen Raumbedarf erfordert.
  • Als Schwungmasse des Drehpendels kann ein auf der Drehachse (Meßachse) sitzendes Schwungrad dienen; besser ist die Verwendung von zwei gleichen Maßen, die symmetrisch zur Meßachse an den beiden Enden eines auf der Meßachse angebrachten und in Richtung des langen Meßarmes verlaufenden Trägers sitzen. Die Benutzung. von schweren Massen als Schwungmasse bedingt trotz der erfindungsgemäßen Maßnahmen immer noch ein verhältnismäßig großes Drehpendel, um die erforderliche Verstimmung des Drehpendels gegenüber dem Meßobjekt und das notwendige Trägheitsmoment zu erreichen. Es empfiehlt sich daher, das Drehpendel in an sich bekannter Weise als Kreiselrahmen (Trägheitsrahmen) auszubilden, dessen senkrecht zur Meßachse verlaufende Präzessionsachse elastisch an eine Nullstellung bezüglich des Rahmens gefesselt ist. Ist J der Drall des Kreiselläufers und f die Federkonstante der Präzessionsfeder, so ist das Trägheitsmoment des Kreisel-J rahmens gegeben durch den Ausdruck 0 = F2 . Das durch die Massenverteilung relativ zur Drehachse bedingte Trägheitsmoment wird also ersetzt durch ein viel größeres, auf die Kreiselwirkung zurückzuführendes scheinbares Trägheitsmoment Die Anzeige und Ablesung der Meßergebnisse erfolgt in einfachster Weise mittels eines am freien Ende des langen Meßarmes sitzenden Zeigers, der vor einer schiffsfesten Skala spielt. Diese einfachste Anzeigevorrichtung wird nur in den seltensten Fällen den Anforderungen genügen. Besser sieht man daher eine elektrische Anzeige vor, indem der Ausschlag des langen Meßarmes möglichst rückwirkungsfrei elektrische oder magnetische Wirkungen auslöst, die den Ausschlag eines Galvanometers oder sonstigen elektrischen Meßinstrumentes zur Folge haben. Der lange Meßarm kann auch die Schaltvorrichtung einer die Hebelausschläge mit Kraft nachbildenden Nachlaufeinrichtung betätigen. Durch Einschaltung von Übersetzungen in die Nachlaufeinrichtung wird eine Nachlaufbewegung von merklichem Ausmaß erhalten, die z. B. ein Steuergerät gemäß der so ermittelten Drehbeschleunigung einstellt, ohne daß dabei schädliche Rückwirkungen auf den Meßvorgang eintreten.
  • Das freie Ende des langen Meßarmes bildet hierbei mit einem Nachlauforgan den praktisch rückwirkungsfreien Abgriff für eine Verstärkereinrichtung, wie z. B. einen Röhrenverstärker oder einen Magnet-~verstärker.
  • Fig. I zeigt als Ausführungsbeispiel in schaubildlicher Darstellung einen erfindungsgemäßen Schlingerwinkelbeschleunigungsmesser mit Nachlaufsteuerung; Fig. 2 ist eine Abänderung für Galvanometeranzeige.
  • An zwei schiffsfesten Lagerböcken I und 2 ist der Rahmen 3 mittels der Achse 4 drehbar gelagert.
  • Die Drehachse 4 hat die Längsrichtung des Schiffes, also auch die Richtung der Schlingerachse. Der Rahmen trägt zwei Präzessionskreisel 5 und 6, deren Präzessionsachsen 7 und 8 senkrecht zur Pendel-oder Meßachse 4 verlaufen. Die Kreiselläufer, deren Umlaufachsen in der Nullstellung senkrecht zur Rahmenebene stehen, drehen sich entgegengesetzt, so daß sie spiegelbildlich präzedieren. Hinsichtlich ihrer Präzessionsbewegungen sind sie über die Zahnradsegmente g und 10 miteinander gekoppelt. Die Präzessionsfedern II und 12 greifen einerseits an einem auf der Achse 8 aufgekeilten Hebel I3, andererseits am Rahmen 3 an, dadurch ist die Präzessionsbewegung der Kreisel elastisch an die in der Figur dargestellte Nullage bezüglich des Rahmens gefesselt.
  • Die gezeichnete Anordnung von zwei gegenläufig rotierenden Kreiseln hat den Vorteil der Unabhängigkeit gegenüber Drehbewegungen in anderen Ebenen.
  • Die in dieser Hinsicht im Schiffsbetrieb vorkommenden Drejikreisfahrten sind jedoch in ihrer Zeitdauer wesentlich länger als die Eigenschwingungsdauer des Kreiselsystems unter dem Einfluß der Präzessionsfedern, so daß für die Benutzung als Schlingerwinkel beschleunigungsmesser in der Regel ein Trägheitsrahmen mit einem einzigen Kreisel genügt. Dadurch werden die Zahnradsegmente 9 und 10 mit ihren Reibungen vermieden.
  • Die Elastizität des Drehpendels wird gebildet durch die Spiralfeder I4, die mit ihrem inneren Ende auf der Drehachse 4 und mit ihrem äußeren Ende an dem schiffsfesten Teil 15 befestigt ist. Die Feder ist so steif, daß sie als fast starr anzusehen ist, wodurch eine hinreichende Verstimmung zwischen den Eigenschwingungsdauern von Beschleunigungsmesser und Schiff erreicht wird. Nach den Erfahrungen mit technischen Beschleunigungsmessern kann z. B. die Verstimmung I:5 betragen. Die Form der Feder ist belanglos; es könnte z. B. auch eine Stabfeder Anwendung finden.
  • Bei auftretenden Schlingerbewegungen versucht der Kreiselrahmen vermöge seiner Trägheit seine waagerechte Lage gegenüber dem Horizont beizubehalten. Da er über die Feder 14 an das schlingernde Schiff angeschlossen ist, übt er deshalb entgegen der rückwirkenden Kraft der Feder 14 ein Drehmoment 0 ç auf die Meßachse aus, das bei der beispielsweise angegebenen Verstimmung eine maximale Verdrehung von etwa 2 bis 5° gegenüber dem Schiff zur Folge hat. 0 ist das (scheinbare) Trägheitsmoment des Kreiselrahmens, f ist die Schlingerwinkelbeschleunigung, für die der Pendelausschlag ein Maß ist. Die nach Vorstehendem bedingten Winkelausschläge der Meßachse 4 sind praktisch schon sehr klein, und um so schwieriger und ungenauer wird daher die Ablesung sein.
  • Erfindungsgemäß ist daher auf der Meßachse 4 ein langer Meßarm vorgesehen, durch den die geringen Winkelausschläge deutlich wahrnehmbar und der Messung zugänglich gemacht sind. Das in Fig. I gezeigte Ausführungsbeispiel ist mit einer Nachlaufeinrichtung versehen, zu der der Magnetverstärker 17 und der Elektromotor I8 gehören. Die Steuerung der Nachlaufbewegung des Nachlaufmotors erfolgt vom freien Ende des Armes I6 aus über einen induktiven Abgriff. Zu diesem Zweck sitzt an dem freien Ende des Armes I6 ein magnetisch leitender Körper I9, dem ein z. B. als Dreifingereisen ausgebildeter Wechselstromerzeuger 20 zugeordnet ist, der in einer schiffsfesten Führung 21 parallel zur Bahn des Körpers 19 verschiebbar ist. Das Dreifingereisen 20 steht über die Zahnräder 22 bis 28 in Antriebsverbindung mit dem Nachlaufmotor I8. Das Zahnrad 28 greift in eine Verzahnung am äußeren Umfang des Dreifingereisens 20 ein. Die bei einem Drehpendelausschlag auftretenden Induktionswirkungen zwischen 19 und 20 setzen, im Magnetverstärker I7 hinreichend verstärkt, den Motor 18 in Gang im Sinne einer Nachführung des Dreifingereisens 20 an die Ausschläge des Armes I6 mit seiner Endmasse 19. An derWelle3o, die über den Kegelradtrieb 29 in gleicher Weise vom Nachlaufmotor 18 angetrieben wird, kann nunmehr ein der Schlingerwinkelbeschleunigung proportionaler Drehweg abgenommen werden und steht somit hier als Meß- oder Steuerwert zur Verfügung.
  • Der lange Meßarm ist oberhalb seiner Drehachse 4 mit einem, Gegengewicht 3I versehen. Außerdem ist an ihm eineDämpfungseinrichtung angebracht, um alle störenden Eigenschwingungen des Drehpendels gegenüber den Schiffsschwingungen schnell abzudämpfen, so daß der reine Beschleunigungsverlauf der Schlingerbewegungen gemessen und dargestellt wird. Die Dämpfungseinrichtung ist als Wirbelstrombremse ausgebildet und enthält eine auf dem Meßarm I6 möglichst weit außen befestigte Segmentscheibe 32, die sich mit einem entsprechend großen Weg zwischen den Polen zweier schiffsfester Elektromagnete 33 und 34 bewegt und dadurch in bekannter Weise die Wirbelstromdämpfung erzeugt.
  • Durch den Fortfall jeglicher mechanischer Übersetzung ist ein mit höchster Präzession arbeitender Beschleunigungsmesser geschaffen. Die Fehlerquellen sind beinahe vollkommen ausgeschaltet. Das Pendel hat nur die geringe Reibung in den Lagerböcken I und 2 zu überwinden. Im übrigen ist jede weiter auftretende Störkraft vermieden bzw. durch Nachsteuerkräfte gedeckt.
  • Die Galvanometeranzeige des Meßergebnisses ohne Nachsteuereinrichtung zeigt Fig. 2. Der Meßarm 16 des im übrigen in gleicher Weise ausgebildeten Drehpendels trägt an seinem freien Ende eine Spule 35, der gegenüberliegend eine schiffsfeste Spule 36 zugeordnet ist, die von einer Wechselstromquelle 37 aus erregt wird. Die Teile 35 und 36 bilden einen Drehtransformator mit dem Rotor 35 und dem Stator 36. Die Ausschläge des Armes 16 gegenüber der festen Spule 36 haben proportionale Induktionsspannungen im Rotor 35 zur Folge, die über biegsame Bänder 38 einem Galvanometer 39 zugeführt werden, das, richtig geeicht, unmittelbar die Beschleunigung anzeigt.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Drehbeschleunigungsmesser nach Art eines Drehpendels, dessen Drehachse (Meßachse) über eine fast starre Feder mit dem schwingungsfähigen Meßobjekt (Schiff, Flugzeug od. dgl.) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Meßachse ein langer Meßarm angeordnet ist, der ohne mechanische Übersetzung eine vorzugsweise elektrisch wirkende Anzeigevorrichtung oder die Schaltvorrichtung einer die Hebelausschläge mit Kraft nachbildenden Nachlaufeinrichtung betätigt.
  2. 2. Drehbeschleunigungsmesser nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Anzeigevorrichtung nach Art eines Drehtransformators mit einer am Hebelende sitzenden beweglichen Wicklung (Rotor) und einer festen Wicklung (Stator) ausgebildet ist, so daß die eingestellte z. B. mittels eines Galvanometers angezeigte Spannung ein Maß für die Drehbeschleunigung darstellt.
  3. 3. Drehbeschleunigungsmesser nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung als der induktive Abgriff eines Magnetverstärkers ausgebildet ist, an dessen Ausgang der Nachlaufmotor angeschlossen ist.
  4. 4. Drehbeschleunigungsmesser nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine am äußeren Ende des langen Meßarmes angreifende, gegen das Meßobjekt (Schiff, Flugzeug od. dgl.) abgestützte Dämpfungseinrichtung.
  5. 5. Drehbeschleunigungsmesser nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehpendel als an sich bekannter Kreiselrahmen (Trägheitsrahmen) mit einem oder mehreren Kreiseln ausgebildet ist, dessen senkrecht zur Meßachse verlaufende Präzessionsachse elastisch an eine Nullstellung bezüglich des Rahmens gefesselt ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1099361B (de) * 1952-08-29 1961-02-09 Wiesing Ab Vorrichtung fuer die Ableitung von Steuerkommandos zum Heranfuehren eines Luftfahrzeuges an einen Leitstrahl

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1099361B (de) * 1952-08-29 1961-02-09 Wiesing Ab Vorrichtung fuer die Ableitung von Steuerkommandos zum Heranfuehren eines Luftfahrzeuges an einen Leitstrahl

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