NO132007B - - Google Patents

Description

Akselerometer til måling av vinkelakselerasjoner.

Den foreliggende oppfinnelse angår et akselerometer til måling av vinkelakselerasjoner og befatter seg særlig med å skaffe et akselerometer til bruk på skip.

God stabilisering av et skips rullebevegelse krever konti-nuerlig kjennskap til verdiene for rullevinkel, rullehastighet og rulleakselerasjon. Integrerende forsterkere gjør det mulig å bestemme rullehastighet og rullevinkel ved suksessive integreringer fra målinger av rulleakselerasjonen. Det behøves derfor bare å få tilfredsstillende målinger av rulleakselerasjonen.

I et kjent akselerometer er en rotor fritt lagret i en stator som er festet til den konstruksjon hvis vinkelakselerasjon skal måles. Når statoren undergår akselerasjon, bevirker treghetsmomentet av rotoren at denne blir forskjøvet i forhold til statoren. En føler avføler forskyvningen og frembringer via en servokrets og et momentorgan et kraft-par på rotoren for å holde den hovedsakelig i en utgangsstilling i forhold til statoren. Kraftparet er proporsjonalt med vinkelakselera-sjonén, og en indikasjon av kraftparet gir derved en indikasjon av vinkelakselerasjonen.

Imidlertid er kjente former for akselerometere av denne art be-heftet med praktiske vanskeligheter, og det er derfor en hensikt med den foreliggen.de oppfinnelse å skaffe en akselerometerutførelse som letter disse.

Oppfinnelsen går ut på et akselerometer til måling av vinkel-akseleras j oner , omfattende en dynamisk balansert rotor dreibart lagret i en stator, en induktiv føler innrettet til å avføle forskyvning av rotoren fra en utgangsstilling i forhold til statoren, og et induktivt momentutøvende organ som innbefatter to spoler, samtidig som føleren har en tilknyttet kilde for oscillerende fluks slik anordnet at dreining av rotoren i forhold til statoren bevirker variasjon i den magnetiske motstand mellom kilden og føleren, og denne via en fasefølsom detektor er forbundet med det momentutøvende organ for å endre strøm-mene gjennom spolene differensielt og dermed frembringe et moment på rotoren proporsjonalt med statorens vinkelakselerasjon for å holde rotoren hovedsakelig i dens utgangsstilling, og den fasefølsomme detektor gir et utgangssignal proporsjonalt med det-moment som utøves på rotoren av det momentutøvende organ, idet både føleren og det momentutøvende. organ er montert på statoren og plasert på tvers av en dermed sammenvirkende del av rotoren og slik at de tillater begrenset dreining av rotoren i forhold til statoren.

Akselerometeret ifølge oppfinnelsen erkarakterisert vedat avstanden mellom det momentutøvende organ og den dermed samvirkende del av rotoren er påtagelig større enn avstanden mellom føleren og den dermed samvirkende del av rotoren slik at der i det vesentlige ikke forekommer noen endring i den magnetiske motstand mellom det moment-utøvende organs spoler og den del av rotoren som samvirker med det momentutøvende organ, når statorens vinkelakselerasjon forandrer seg.

Fortrinnsvis samvirker føleren og det momentutøvende organ med samme del av rotoren, nemlig en ferro-magnetisk stav ånbragt på tvers av rotorens dreieakse. !V.ed en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er føleren og det momentutøvende organ plasert på motsatte sider av den - ferro-magnetiske stav. Et trekk ved den foreliggende oppfinnelse går ut på at føleren innbefatter to spoler anbragtpå statoren i samme avstand fra rotorens dreieakse, og at den tilknyttede kilde for oscillerende fluks innbefatter en tredje spole anbragt på statoren i samme avstand fra de to følerspoler og tilsluttet en oscillator.

En utførelsesform vil nå bli beskrevet som eksempel under hen-visning til tegningen, •Fig. 1 viser et akselerometer ifølge oppfinnelsen delvis aksialt gj ennomskåret.

Fig. 2 er et enderiss av akselerometeret på fig. 1.

Fig. 3 er et koblingsskjerna for føleren og en momentgenerator hos akselerometeret på fig. 1. Fig. 4 viser bølgeformer som forekommer i forskjellige deler av koblingen på fig. 3.

Fig. 5 viser momentgeneratoren, pg

fig. 6 viser skjematisk en anordning til stabilisering av skip, innbefattende akselerometeret på fig. 1-5-

Det viste akselerometer omfatter en dynamisk utbalansert rotor 11 som er lagret radialt og aksialt i en stator 12 ved hjelp av luftlagre 13.-.- Til rotoren 11 er der festet en utbalansert rektangulær stav 14 av bløttjern. Hele rotoranordningen er således utbalansert. Staven 14 er plasert mellom - på den ene side - en føler 15 som er montert på statoren og avføler forskyvning av rotoren i forhold til statoren, og - på den annen side - en momentgenerator 16 som likeledes er montert på statoren, og som kan utøve et dreiemoment på staven 14 og dermed på rotoren 11.

Duving, løft og brottsjø betegner lineære akselerasjoner, mens gir, stamping og rulling betegner vinkelakselerasjoner. Da rotoranordningen 11 og 14 er utbalansert, forårsaker lineære akselerasjoner ingen forskyvning av rotoren. Vinkelakselerasjoner ved gir og stamping motvirkes av lagerstivhet. Den aksiale og radiale lagerstivhet kan overstige 17.000 kp/cm. Den meget lave friksjon av luftlagre bevirker at rotorens motstand mot vinkelakselerasjoner om aksen blir ytterst liten. Akselerometeret er således meget følsomt.

Føleren 15 omfatter en E-formet kjerne med en vikling 17, 18 og 19 på hvert av de tre ben. Kjernen er symmetrisk om midtbenet, og de ytre spoler 17 og 19 er like.

En oscillator 20 leverer sitt utgangssignal til spolen 18. Når staven 14 står parallelt med polflatene på bena, blir reluktansene av de magnetiske veier mellom spolene 18 og 17 og mellom spolene 18 og 19 de samme, og fluksen i de ytre ben hvor spolene 17 og 19 sitter, frembringer like spenninger i disse spoler. Når staven 14 forskyves i forhold til statoren, vil fluksen i bena bli forskjellige på grunn av forskjellen i reluktansene mellom spolene 18 og 17 og spolene 18 og

19. Der vil således bli frembragt forskjellige spenninger i spolene

17 og 19. Spolene er anordnet slik at spenningene er i fase med oscillatoren.

Spolene 17Pg 19 er koblet til inngangen til en differensiell forsterker 21. Utgangssignalet fra den differensielle forsterker vil enten være i fase med eller i faseopposisjon til utgangssignalet fra oscillatoren 20, alt etter om spenningen over spolen 19 eller over spolen 17 er størst, og dermed alt etter rotasjonsretningen for staven 14. Amplituden av utgangssignalet fra den differensielle forsterker vil avhenge av størrelsen av forskyvningen av staven 14.

Utgangen fra den differensielle forsterker 21 er tilsluttet kollektoren hos en transistor 22 som virker som en synkron detektor. Basis 23 hos transistoren 22 er forbundet med den ene av utgangsklemmene på oscillatoren 20 via en motstand 24. Under den positive halvbølge av oscillatorens utgangsspenning får basis-emitterforbindelsen hos transistoren 22 forspenning i forovergående retning, og transistorens kollektor-emitterkrets blir ledende. Under den negative halvbølge får basis-emitterforbindelsen hos transistoren 22 forspenning i motsatt retning, og kollektor-emitterkretsen blir gjort ikke-ledende. Således slipper transistoren utgangssignalet fra den differensielle forsterker frem bare når utgangsspenningen fra oscillatoren er positiv. Under rotasjon i én retning blir det den positive halvbølge av den differensielle forsterkers utgangsspenning som transistoren slipper igjennom,

og ved rotasjon i den motsatte retning blir det den negative halvbølge som transistoren slipper igjennom.

Utgangssignalet fra transistoren tilføres en glatte-krets som omfatter en motstand 25 og en stor kapasitet 26. Glatte-kretsen skaffer et glattet utgangs-likestrømsignal hvis størrelse avhenger av størrelsen av rotorens forskyvning, og hvis polaritet avhenger av forskyvningens retning.

Det glattede utgangssignal blir tilført en forsterker 27 som inn-fører en frekvensavhengig foranliggende faseforskyvning for å stabili-sere styringen i samsvar med normal servoteknikk.

Utgangssignalet fra forsterkeren 27 tilføres en mottakt-kraftfor-sterker 28 i form av et par forsterkertransistorer med en felles emitter-krets som gir sterk negativ tilbakekobling og inneholder en konstantstrøm-krets 29. Utgangen fra forsterkeren 28 er tilkoblet over basis på transistorene 30 og 34 i paret.

Momentgeneratoren 16 omfatter en E-formet kjerne med en spole 31, 32 og 33 på hvert ben. Spolene 31 og 32 er like og er innkoblet i koHektorkretsen for transistorene 30 og 34. Takket være konstant-strømkretsen 29 blir summen av strømmen 1^og I2i kollektorkretsene konstant. I serie med spolene 31 og 32 i kollektorkretsene sitter to motstander 35 og 36. Disse motstander er like, og spenningsfallene over dem blir dermed proporsjonale med strømmene henholdsvis 1^og 1^.

Spolen 33 er tilkoblet direkte over likestrømkilden 37 og blir således matet med en konstant strøm I-j.

Fig. 5 viser momentgeneratoren 16, staven 14 og de kraftlinjer som forårsakes av strømmen 1^, I2 og I3. Da luftspalten mellom staven og momentgeneratoren er stor i forhold til de bevegelser staven kan ventes å utføre, blir reluktansen og magnetveiene mellom spolene praktisk talt konstant.

Flukstettheten i midtbenet kan uttrykkes som

hvor $-j2_ er den fluks i det av spolen 33 omgitte ben som forårsakes av strømmen i spolen 31 og 4^2er ^en fluks i det av spolen 33 omgitte ben som forårsakes av strømmen I2i spolen 32 etc. Man får da hvor er en konstant som avhenger av reluktansen av magnetveiene mellom spolene 31 og 32 og mellom spolene 32 og 33, og K' likeledes er en konstant. Da 1^og 1^+ I2er konstante, blir også konstant. Staven blir ikke påvirket av noe dreiemoment fra midtbenet. Flukstettheten i det ben som omgis av spolen 315er gitt ved

hvor K2og er konstanter.

På lignende måte er flukstettheten i det ben som omgis av spolen 32, gitt ved

Den kraft som utøves på staven av det av spolen 31 omgitte ben 1, er proporsjonal med f5, 2, og den kraft som utøves på staven 32 av det av spolen 32 omgitte ben 2, er proporsjonal med Dreiemomentet T på staven blir således proporsjonalt med - B2 p. Man får dermed hvor er konstant, og ved innsetning finner man

hvor K er konstant da 1^+ I2 er konstant.

To utgangsklemmer 40 og 41 er forbundet med den ene ende av hver sin av de to motstander 35 og 36. Da spenningsfallene over. motstandene 35 og 36 er proporsjonale med henholdsvis 1^ og I2, blir potensialforskjellen mellom utgangsklemmene 40 og 4l proporsjonal med 1^- I2og dermed med det moment som utøves på staven.

Momentet T og den vinkelakselerasjon 9 som momentet bevirker, er sammenknyttet ved ligningen

T = Jø

hvor J er treghetsmomentet av rotoren 11 med staven 14 om rotasjons-aksen. Da J er konstant, blir dermed

Potensialforskjellen mellom klemmene 40 og 41 blir således proporsjonal med den av momentgeneratoren frembragte vinkelakselerasjon av rotoren. På grunn av den lukkede sløyfe som dannes av den beskrevne kobling, frembringer momentgeneratoren 2 et dreiemoment som hovedsakelig vil holde staven og dermed rotoren i dens utgangsstilling ved å bevirke en akselerasjon som er proporsjonal med og rettet motsatt den av rulle-bevegelsen forårsakede akselerasjon i forhold til statoren. Dermed blir utgangssignalet ved klemmene 40 og 41 proporsjonalt med rulle-akselerasj onen.

Fig. 6 viser en anordning hvor akselerometeret på fig. 1-5

benyttes til stabilisering av et skip. Akselerometeret, som er antydet ved 50, er tilkoblet en integrerende forsterker 51 som i sin tur er koblet til en ytterligere integrerende forsterker 52. Utgangssignalene fra de integrerende forsterkere 51 og 52 er proporsjonale med rullings-hastighet og rullingsvinkel. Utgangssignalene fra akselerometeret 50

og de integrerende forsterkere 51 og 52 blir via variable motstander henholdsvis 53>54 og 55 tilført en summerende forsterker 56. Disse motstanders ohmverdier innstilles for å gi den forlangte virkemåte. Utgangssignalet fra den summerende forsterker benyttes til å påvirke

en servoventil 57 som styrer en hydraulisk pumpe til drift av en hydraulisk motor 58, som i sin tur påvirker en finne 59 som inngår i en stabiliseringsanordning. Finnen rager ut i vannet fra skipet og kan svinges av den hydrauliske motor for å utøve et korrigerende dreie-

moment på skipet. En transduktor 60 på finnen gir et utgangssignal proporsjonalt med finnevinkelen, og dette utgangssignal tilbakekobles til den summerende forsterker for å slutte en negativ tilbakekoblings-sløyfe.

De integrerende forsterkere reduserer støysignaler frembragt av akselerometeret og reduserer derved deres virkning på stabilisatorens funksjon. Forutsatt at rotorens akse er parallell med skipets midt-

linje, kan akselerometeret flyttes hvor som helst i skipet uten å endre sitt utgangssignal, da vinkelakselerasjonen er konstant over hele skipet. Akselerometeret kan bestemme rulleakselerasjoner så små som 0,001 se radianer/sek<2>.

Claims (13)

1. Akselerometer til måling av vinkelakselerasjoner, omfattende en

   dynamisk balansert rotor dreibart lagret i en stator, en induktiv føler innrettet til å avføle forskyvning av rotoren fra en utgangsstilling i forhold til statoren, og et induktivt momentutøvende organ som innbefatter to spoler, samtidig som føleren har en tilknyttet kilde for oscillerende fluks slik anordnet at dreining av rotoren i forhold til statoren bevirker variasjon i den magnetiske motstand mellom kilden og føleren, og denne via en fasefølsom detektor er forbundet med det momentutøvende organ for å endre strømmene gjennom spolene differensielt og dermed frembringe et moment på rotoren proporsjonalt med statorens vinkelakselerasjon for å holde rotoren hovedsakelig i dens utgangsstilling,. og den fasefølsomme detektor gir et utgangssignal proporsjonalt med det moment som utøves på rotoren av det momentutøvende organ, idet både føleren og det momentutøvende organ er montert på statoren og plasert på tvers av en dermed sammenvirkende del av rotoren og slik at de tillater begrenset dreining av rotoren i forhold til statoren,karakterisert vedat avstanden mellom det moment-utøvende organ (16) og den dermed samvirkende del (14) av rotoren (11) er påtagelig større enn avstanden mellom føleren (15) og den dermed samvirkende del (14) av rotoren (11) slik at der i det vesentlige ikke forekommer noen endring i den magnetiske motstand mellom det moment-utøvende organs spoler (31>32) og den del (14) av rotoren (11) som samvirker med det momentutøvende organ (16), når statorens (12) vinkel-akseleras jon forandrer seg.
2. 2. Akselerometer som angitt i krav 1,karakterisertved at føleren (15) og det momentutøvende organ (16) samvirker med samme del av rotoren, nemlig en ferro-magnetisk stav (14) anbragt på tvers av rotorens dreieakse.
3. 3. Akselerometer som angitt i krav 2,karakterisertved at føleren og det momentutøvende organ er plasert'på motsatte sider av den ferro-magnetiske stav.
4. 4. Akselerometer som angitt i et av kravene 1 - 3,karakterisert vedat føleren innbefatter to spoler (17>19) anbragt på stato-r ren i samme avstand fra rotorens dreieakse, og at den tilknyttede kilde for oscillerende fluks innbefatter en tredje spole (18) anbragt på statoren i samme avstand fra de to følerspoler (17,'19) og tilsluttet en oscillator (20).
5. 5. Akselerometer som angitt i krav 4,karakterisertved at paret av følerspoler (17, 19) er anordnet symmetrisk med hensyn på et plan gjennom rotorens (11) dreieakse.
6. 6. Akselerometer som angitt i krav 4 eller 5>karakterisert1 ved at paret av følerspoler (17, 19) er anbragt på de ytre ben av en E-formet ferro-magentisk kjerne og den tredje spole er anbragt på kjernens midtben.
7. 7. Akselerometer som angitt i krav 4, 5 eller 6,karakteri-ser f ved at følerspolene (17, 19) er tilkoblet den fasefølsomme detektor (22) via en differensiell forsterker (21).
8. 8. Akselerometer som angitt i krav 7,karakterisertved at den fasefølsomme detektor er en synkron detektor (22).
9. 9. Akselerometer som angitt i et av de foregående krav,karakterisert vedat de to spoler ( 31, 32) hos det momentutøvende organ er anbragt symmetrisk med hensyn på et plan gjennom rotorens dreieakse.
10. 10. Akselerometer som angitt i krav 9,karakterisertved at spoleparet hos det momentutøvende organ er anbragt i samme avstand fra en tredje spole (33) hos det momentutøvende organ, anbragt på statoren.
11. 11. Akselerometer som angitt i krav 10,karakterisertved at spoleparet hos det momentutøvende organ er anbragt på de ytre ben av en E-formet ferro-magnetisk kjerne og organets tredje spole er anbragt på kjernens midtben.
12. 12. Akselerometer som angitt i et av de foregående krav,karakterisert vedat det momentutøvende organs spoler er tilkoblet kollektorkretsen for hver sin transistor (30, 34) hvis emittere er tilsluttet en felles konstant-strøm-krets (29).
13. 13. Akselerometer som angitt i et av de foregående krav, hvor rotoren bæres i statoren ved hjelp av luftlagre,karakterisertved at rotoren (11) har et flensparti til å sette luftlageret (13) i stand til å forhindre enhver aksial bevegelse av rotoren (11) i forhold til ståtoren (12).