NO312859B1 - Pendelförer med ubegrenset dreibarhet om sin lengdeakse - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en føler som omfatter et første pendelsystem som er svingbart om en første aksel og forbundet med minst én detektor.

Oppfinnelsen har særlig befatning med følere for detektering av en innrettet, fysisk variabel, og har særlig befatning med magnetfeltfølere.

Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen pendelfølere, dvs. følere med et pendelsystem med minst én påmontert detektor, et elektronisk kort og elektriske ledninger som forbinder detektoren med det elektroniske kort.

I denne forbindelse skal det henvises til US-patentskrift 5.201.128.

Pendelsystemet tjener til å innrette detektoren. Nærmere bestemt vil et pendelsystem med bevegelsesfrihet i to retninger (om en rulleakse og en vippeaksel) holde detektoren i et konstant horisontalplan. Et pendelsystem med bevegelsesfrihet i én retning (bare om en rulleakse) vil innstille detektoren i en konstant retning i forhold til sensoren.

Hovedulempen ved slike følere skyldes tilstede-værelsen av de elektriske ledninger som kreves for å forbinde detektoren, som er bevegelig, men sensorens elektroniske kort som er fiksert og ikke kan monteres på pendelsystemet. De elektriske ledninger har i realiteten hemmende innvirkning på pendelmekanismen og begrenser følerkapasiteten slik det fremgår tydeligere av det eksempel som er vist i fig. 1.

Fig. 1 viser et utstrukket riss av et konvensjonelt pendelmagnetometer 2 0 med bevegelsesfrihet i to retninger for detektering av jordmagnetfeltets to horisontale komponenter. Denne detektor kan anvendes for å bestemme en kurs, eller en retning, eller helt enkelt for måling av et lokalt magnetfelt. Magnetometeret benyttes eksempelvis i forbindelse med undersjøisk oljeleting, hvorved tilstede-værende oljefelter spores ved måling av ekkoene fra en eksplosjon. Målingen utføres med hydrofoner som er fastgjort til en undersjøisk kabel som trekkes av et skip. Da retningen av hydrofonene må være kjent med stor nøyaktig-hetsgrad, og fordi kabelen kan tvinnes eller snoes, blir flere magnetometere av denne type anbrakt med regelmessige me11omrom 1angs kabelen.

I magnetometeret 2 0 inngår to innbyrdes rettvinklet plasserte detektorer 1 og 2 som skal måle hver sin av jordmagnetfeltets to komponenter. Detektorene 1 og 2 er montert på en pendelholder 3 som er svingbar i et kardang-system og opprettholdes i horisontalstilling ved hjelp av en motvekt 4. Holderen 3 er forbundet med en første aksel 6-1 som gjennom rullelagre (med kuler, nåler eller andre egnede deler) er opplagret i en ramme 7. Rammen 7 er i sin tur forbundet med en andre aksel 6-2 som styres i rullelagre i sensorhuset 8-1. Akselen i sensorhuset 8, i dette tilfelle akselen 6-2, er i det etterfølgende benevnt rulleakselen, og den midtre aksel 6-1 som er opplagret i rammen 7 blir benevnt vippeakselen. Begge aksler strekker seg i innbyrdes perpendikulære retninger AA' og BB1 . Sensoren er innkapslet i et vanntett ytterhus 8 som er fylt med dempende smøreolje. Rammen 8-1 danner den øvre del av ytterhuset 8, hvis nedre del 8-2 er skålformet og opptar hele pendelsystemet. De to detektorer 1 og 2 er forbundet med et ytre elektronisk kort 10 som er fastgjort øverst på rammen 8-1 gjennom strømledninger 5 som er vanntett innført gjennom ytterhuset. Innvendig i huset må ledningene ha en lengde som er tilstrekkelig til ikke å forhindre at pendelsystemet 3 når sin horisontalstilling, når ytterhuset bikkes. For å oppnå stor nøyaktig i hori-sontalinnstillingen, bør stivheten og tyngden av strøm-ledningene 5 være minst mulig. Derfor anvendes det vanligvis meget tynne, flettede kobberledninger med et syntetisk polyesterfiberbelegg.

Disse forholdsregler kan imidlertid ikke avhjelpe anordningens hovedmangel, nemlig den meget begrensede vinkelbevegelse hos pendelsystemet 3 i forhold til ytterhuset, på grunn av strømledningene. Den maksimalt mulige helning av føleren i forhold til lengdeaksen er teoretisk ± 180° i forhold til vertikalstillingen. I praksis er de maksimale helningsverdier betydelig lavere fordi maksi-mumshelningen, i det lange løp, medfører at strømled-ningene påføres overdreven slitasje, hvorved følerens pålitelighet nedsettes. Av den grunn er føleren 20 ifølge fig. 1 slik konstruert at pendelvekten 4 vil ligge an mot skålen 8-2 ved stor helning av føleren, hvilket motsvarer en maksimal stigningsdreining av 120° (dvs. + 60°) . Av samme årsak bringes rammen 7 i anlegg mot ytterhuset 8-1, ved en maksimal rulledreining av 12 0°.

I mange situasjoner er vippeaksebegrensningen aksep-terbar, men rullebegrensningen er en påtvunget hindring. I det ovennevnte, tilfelle kan det eksempelvis være ønskelig at føleren har ubegrenset dreiebevegelse om rulleaksen, fordi kabelen som holder magnetornetrene, kan tvinnes og følerne kan oppnå flere 360°-dreininger. Det bør bemerkes at den konvensjonelle føler ikke er anpasset til silke driftsbetingelser, fordi pendelsystemet kan bringes i anlegg og derved hindres i å nå horisontalstillingen. I andre situasjoner kan en større dreining enn 12 0°, ubegrenset eller ikke være ønskelig.

Det er et formål med oppfinnelsen å forbedre pendel-følernes dreibarhet om rulleaksen. Et spesielt formål er å frembringe en føler med ubegrenset dreibarhet om sin rulleakse.

I dette øyemed kan fagkyndige montere på rulleakselen en dreibar kollektor av type som inngår i visse elektro-motorer, og samle den elektriske informasjon ved hjelp av friksjonsbørster. Denne fremgangsmåte er imidlertid ikke tilfredsstillende, fordi friksjonen fra metallbørstene mot kollektoren utvikler en motstandskraft som er minst 100 ganger høyere enn motstandskraften i rullelagrene. Dette vil forårsake en uakseptabel horisontalretningsfeil for en høynøyaktig føler.

Et ytterligere formål ved oppfinnelsen er å frembringe en pendelføler som innbefatter en dreibar kollektor men hvis horisontalnøyaktighet ikke nedsettes grunnet friksjonen fra børstene mot ringene i den roterende kollektor.

For å oppnå disse formål er føleren ifølge oppfinnelsen kjennetegnet ved at den videre omfatter et andre pendelsystem som er svingbart om en andre aksel i flukt med den første aksel, og omsluttet av metallkollektorringer, og elektriske ledninger som forbinder detektorens kontakter med ringene.

I en utførelsesform ifølge oppfinnelsen er den første og den andre aksel dreibart forbundet med hverandre gjennom en mekanisk koplingsanordning med en bestemt vinkelklaring som er slik valgt at det første pendelsystem, nær sin hvilestilling, er uavhengig av det andre pendelsystem.

I en annen utførelsesform ifølge oppfinnelsen omfatter koplingsanordningen en gaffelformet del som er fastgjort til en forlengelse av den første aksel, og en tunge som er integrert med den andre aksel og plassert mellom gaffelgrenene og hvis tykkelse er betydelig mindre enn avstanden mellom de to grener.

I en versjon ifølge oppfinnelsen er føleren innmontert i et ytterhus som innbefatter et første vanntett

kammer som er fylt med en viskøs væske og hvori det første pendelsystem er innplassert, et andre vanntett kammer som står i forbindelse med det første kammer og hvori forlengelsen av den første aksel er innført og hvori koplingsanordningen er innmontert, og et tredje kammer som

gjennom et tetningsledd opptar endene av den andre aksel og hvori det er innplassert et elektronisk kort som er forbundet med børster i friksjonskontakt med metallringene .

I en versjon ifølge oppfinnelsen er den første og den andre aksel hul og krysses i aksialretning av elektriske ledninger.

I en versjon ifølge oppfinnelsen omfatter det første pendelsystem en ramme, som er forbundet med den første aksel, og en holder for opplagring av detektoren og integrert med den andre aksel som er forbundet med rammen vinkelrett mot den første aksel.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende i tilknytning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et konvensjonelt pendelmagnetometer som tidligere beskrevet. Fig. 2 viser et utstrukket perspektivriss av den mekaniske del av en pendelføler ifølge oppfinnelsen. Fig. 3 viser et delriss av føleren ifølge fig. 2. Fig. 4 viser et snitt av føleren ifølge fig. 2, innmontert i et ytterhus.

Det utstrukkede perspektivriss i fig. 2 viser den mekaniske del av en pendelføler 60 ifølge oppfinnelsen. Føleren 6 0 er i form av et pendelmagnetometer med bevegelsesfrihet i to retninger og omfatter, i likhet med den konvensjonelle føler ifølge fig. 1, to magnetfelt-detektorer 21 og 22 som er anordnet innbyrdes rettvinklet på en pendelholder 23 som holdes horisontalt ved hjelp av en kontravekt 24 . Holderen 23 er integrert med en vippeaksel 25 som strekker seg i en retning BB' med sine ender dreibart opplagret i to rullelagre 26-1 og 26-2 som er fastgjort på en ramme 27. Rammen er i sin tur forbundet med en rulleaksel 2 8 som strekker seg i en retning AA<1> vinkelrett mot BB' og har sine ender opplagret i to rullelagre 29-1 og 2 9-2 som er fastgjort på følerrammen (ikke vist i fig. 2) . Enheten som er beskrevet i det ovenstående, danner et konvensjonelt pendeldetektorsystem 30.

Ifølge et første særtrekk ved oppfinnelsen omfatter føleren 60 også et andre pendelsystem 40 som er dreibart om en aksel 41 som danner en aksialforlengelse av rulleakselen 28 i retningen AA'. Midtpartiet av akselen 41 er opplagret i to rullelagre 42-1 og 42-2 som er anordnet side om side. I den ende av akselen 41 som er vendt mot rulleakselen 2 8 omfatter pendelsystemet 4 0 en kontravekt 43 som er fast forbundet med akselen 41. Grunnet tyngden av kontravekten 43 blir systemet 4 0 betydelig forskjøvet, og det er opprettet en vesentlig avstand mellom de to lagre 42-1 og 42-2, for å unngå at for store krefter virker langs akselen 41. I sin annen ende er akselen 41 utstyrt med metallringer som samvirker med et sett av fikserte friksjonsbørster 45 som er forbundet med føler-rammen.

Dette andre system 4 0 danner en pendelkollektor som er gunstig uavhengig av pendelsystemet 30. Dette første særtrekk ifølge oppfinnelsen består av en pendelføler med et utvidet dreiningsfelt. Det er tilstrekkelig at detektorene 21 og 2 2 forbindes med ringene 44 på pendelkollektoren 40 gjennom elektriske ledninger, og at børstene 45 forbindes med et elektronisk kort. Når føleren bikkes, vil kollektoren 40 innta en vinkelstilling som er speilvendt i forhold til vinkelstillingen av detektorsystemet 30, slik at ledningene ikke vil tvinnes. Dessuten vil friksjonen mellom børstene 45 og ringene 44 på kollektoren 40 ikke innvirke på pendelsystemet 30, fordi de to systemer er uavhengig av hverandre. Men da immaterielle midler for understøtting av de ulike lagre 29-2, 42-1 og 42-2 ikke eksisterer, vil ledningene likevel avstive systemene som understøtter lagrene, og ytterligere begunstige dreiebevegelsene.

Ifølge et andre, valgfritt særtrekk ved oppfinnelsen er akslene 2 8 og 41 hule, og rammen 2 7 er utstyrt med en åpning 27-1 som gir adgang til det indre av akselen 28. Ledninger kan følgelig strekkes i akselen 2 8 og videre i akselen 41, helt frem til de strømledende ringer 44. På denne måte og i kombinasjon med det første særtrekk ved oppfinnelsen fremkommer en føler med ubegrenset dreibarhet om sin rulleaksel. Dette fortrinn vil fremgå tydelig av beskrivelsen av fig. 4.

Ifølge et tredje, valgfritt særtrekk ved oppfinnelsen som fortrinnsvis kan tas i bruk hvis føleren kan utsettes for voldsomme dreiebevegelser, er en ende 28-1 av rulleakselen 2 8 i pendelsystemet 3 0 forlenget utover lageret 29-2 mot akselen 41 i kollektoren 40. Et gaffelformet system 46 med to nedadrettede grener 46-1 og 46-2 er fastgjort i endepartiet 2 8-1. Dessuten er kollektorkontra-vekten 43 fastgjort til akselen 41 gjennom en aksialt-rettet konstruksjonsdel 47 av form som en omvendt T, hvor en av T-grenene danner en tunge 48 som er innplassert i gaffelen 46 .

Den T-formede del 47 og gaffelen 46 danner således en mekanisk anordning 49 som forbinder den dreibare kollektor 40 med pendelsystemet 30. Tungen 48 har en tykkelse som er betydelig mindre enn avstanden mellom grenene 46-1 og

46-2. Det gjenstår derfor en klaring, slik at pendel-systemene 3 0 og 4 0 som kan beveges i en vinkel 9 om sin likevektsstilling. Dette fremgår av fig. 3 som viser et aksialriss langs AA' , omfattende gaffelen 46, den T-formede del 47 og vinkelen 9.

Det er åpenbart, at hvis føleren bikkes brått om AA', vil det første av de to pendelsystemer 3 0 og 4 0 som dreies, bevirke dreiing av det andre system, men etter å ha nådd sine respektive hvilestillinger etter fullført dreiebevegelse, er de to systemer atter uavhengig av hverandre. Friksjonen mellom børstene 45 og ringene 44, som uunngåelig påvirker hvilestillingen for kollektoren 40, har følgelig ingen innvirkning på hvilestillingen for detektoranordningen 30. Fagkyndige bør selvsagt velge en kontravekt 43 av tilstrekkelig størrelse, avhengig av intensiteten av friksjonskreftene som virker mot akselen 41, slik at vinkelforskjellen mellom pendelkollektorens hvilestilling og hvilestillingen for pendelsystemet 3 0 blir mindre enn 9. Forøvrig vil de to systemer fortsatt være mekanisk sammenkoplet i hvilestillingen.

Fagkyndige vil kunne fremstille koplingsanordningen 4 9 på forskjellige måter, eksempelvis ved bruk av en tann-hjul sanordning med to drev som er fast forbundet med hver sin ende av en aksel, og et forbindelsestannhjul som med klaring står i inngrep med de to drev. Fordelen med kon-struksjonen ifølge oppfinnelsen er at delen 4 7 anvendes både for akselopplagring og som feste for kontravekten 43 ved hjelp av tungen 48, hvilket gir en anordning av mindre størrelse.

Fig. 4 viser et tverrsnitt, langs linjen AA', av føleren 60. Den mekaniske del ifølge fig. 2 er innmontert i et sylindrisk ytterhus 50 med tre innerkammere 51, 52 og 53 som avgrenses av en fremre og en bakre ytterhusflens henholdsvis 54 og 55 samt to innervegger 56 og 57. Pendel-detektorsystemet 3 0 er innmontert i kammeret 51 mellom flensen 54 og veggen 56 som er forbundet med hver sitt av lagrene 29-1 og 29-2 for rulleakselen. Forlengelsen 28-1 av rulleakselen strekker seg gjennom veggen 56 og ender i kammeret 52 som opptar den mekaniske koplingsanordning 4 9 og kontravekten 43 på pendelkollektoren 40. De to kollektorlagre 42-1 og 42-2 er fastgjort til skilleveggen 57 mellom kamrene 52 og 53. Kamrene 51 og 52 står i forbindelse med hverandre gjennom åpninger 56-1 i veggen 56 og er fylt med en viskøs væske, f.eks. silisiumolje, som tjener for demping og smøring av anordningen. Kollektor-akselen 41 strekker seg gjennom veggen 57 og er innført i kammeret 53 gjennom et tetningsledd 53-1 med en rand-lignende åpning i friksjonskontakt med yttersiden av akselen 41. Det bør bemerkes at enden av akselen 41 må avtettes, for å forhindre at olje fra kamrene 51 og 52 inntrenger i kammeret 53. Kollektorringene 44, børstene 45 og et elektronisk kart 58 er innplassert i kammeret 53.

Gjennom børstene 45, ringene 44 og ledningene 5 9 er

kortet 58 elektrisk forbundet med detektorene 21 og 22 (i kammeret 51). Ledningene er fastloddet til ringene inne i akselen 41 og krysser akslene 41 og 28 i aksialretning mot kammeret 51. I kammeret 51 er ledningene strukket langs

rammen 2 7 og videre, i en sone 59-1, over ett av de langs-gående lagre 26-1 og 26-2, frem til holderen 23, hvorfra de er sammenkoplet med detektorene.

Som vist i fig. 4, er føleren ifølge oppfinnelsen ikke begrenset i sin dreiebevegelse om rulleaksen. Uansett vinkelstillingen av ytterhuset 50, vil detektorføler-systemet 30 og kollektoren 40 nå sine respektive horisontale hvilestillinger. Ledningene vil derfor ikke tvinnes. Det bør bemerkes at stillingsfeil av kollektoren grunnet børstefriksjon er ubetydelig hva angår tvinningen som derved kan påføres ledningene. I praksis oppnås en horisontal plasseringsnøyaktighet av ca-. 0,15° for detektorsystemet 30, hvilket er et utmerket resultat, og en plasseringsnøyaktighet for kollektoren 40 av ca. 2°, hvilket ikke ville være aksepterbart som nøyaktighetsgrad for detektorsystemet.

Det bør dessuten erindres at vinkelkoplingsanord-ningen 4 9 bare er nødvendig hvis føleren er bestemt for anvendelse i slike tilfeller hvor den kan utsettes for brå dreiebevegelser om rulleakselen. I så fall og fordi pendelsystemet 3 0 og kollektoren 4 0 ikke har samme reak-sjonstidsvarighet, kan koplingsanordningen gjøre det mulig å unngå midlertidig tvinning av ledningene. I praksis kan graden av vinkelbevegelsesfrihet som bestemmes av klaringen av tungen 4 8 i gaffelen 46, fortrinnsvis velges mellom 5 og 10°. ,

I en versjon ifølge oppfinnelsen har ytterhuset 50 en lengde av ca. 10 cm og en diameter av ca. 5 cm. De bevege-lige deler, såsom akslene, rammen, gaffelen osv. er støpt i plastmaterialer. Kontravektene er fremstilt av høydensi-tets-stål og ytterhuset er tilvirket av aluminium eller støpt i plastmateriale. Returmassen består av stål med høy densitet, og ytterhuset er fremstilt av aluminium eller støpt plast. Rullelagrene er fremstilt av et umagnetisk materiale, og metallringene 44 er fremstilt av gull.

'I det ovenstående og for tydelighetens skyld er detektorene 21 og 22 samt det elektroniske kort 58 ikke detaljert beskrevet, da de vil være velkjent for fag-

kyndige. Det skal i korthet påminnes om at en magnetfelt-detektor av type som detektorene 21 og 22 er fremstilt av et hult keramikkrør 70 som opptar innerpartiet av en magnetisk kjerne og som er omviklet med en solenoide 71 av enkel type (fig. 4) . Oppladingen av detektoren og magnet-feltmålingen sikres av det elektroniske kort. Spennings-pulser overføres cyklisk til detektorene, for positiv eller negativ metting av disse. Magnetfeltet som skal måles, modifiserer metningsbetingelsene som analyseres av et elektronisk detektorsystem som inngår i kortet og som gir informasjon proporsjonalt med magnetfeltet.

Det vil være åpenbart for fagkyndige at de foretrukne utførelsesformer som er beskrevet i det ovenstående, kan modifiseres på flere måter. Oppfinnelsen har generell befatning med fremstilling av følere av enhver type for en retningsorientert, fysisk parameter, deriblant en holder i et pendelsystem med bevegelsesfrihet i én eller to retninger. Videre kan føleren omfatte én, to eller endog tre detektorer, dersom den fysiske parameter tre romkompo-nenter ønskes målt.

Claims (6)

1. Føler (60), omfattende et første pendelsystem (30) som er svingbart om en første aksel (28) og forbundet med minst én detektor (21,22), karakterisert ved at den videre omfatter: et andre pendelsystem (40) som er svingbart om en andre aksel (41) i flukt med den første aksel (28), og omsluttet av metallkollektorringer (44), og elektriske ledninger (59) som forbinder detektorens (21,22) kontakter med ringene.

2. Føler i samsvar med krav 1, karakterisert ved at dreiebevegelsene av den første (28) og den andre (41) aksel forenes gjennom en mekanisk koplingsanordning (4 9) med en forutbestemt vinkelklåring (9) som er slik valgt at det første pendelsystem, nær sin hvilestilling, er uavhengig av det andre pendelsystem.

3. Føler i samsvar med krav 2, karakterisert ved at koplingsanordningen (4 9) omfatter: en gaffelformet del (46) som er fastgjort til en forlengelse (28-1) av den første aksel (28), og en tunge (47,48) som er integrert med den andre aksel (41) og plassert mellom gaffelgrenene (46-1, 46-2) og hvis tykkelse er betydelig mindre enn avstanden mellom de to grener.

4. Føler i samsvar med krav 3, karakterisert ved at den er innmontert i et ytterhus (50) som omfatter: et første vanntett kammer (51) som er fylt med en viskøs væske og hvori det første pendelsystem (30) er innplassert, et andre vanntett kammer (52) som står i forbindelse med det første kammer og hvori forlengelsen (28-1) av den første aksel (2 8) er innført og hvori koplingsanordningen (4 9) er innmontert, og et tredje kammer (53) som gjennom et tetningsledd (53-1) opptar endene av den andre aksel (41) og hvori det er innplassert et elektronisk kort (58) som er forbundet med børster (45) i friksjonskontakt med metallringene (44) .

5. Føler i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at den første (28) og den andre (41) aksel er hul og krysses i aksialretning av de elektriske ledninger (59) .

6. Føler i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at det første pendelsystem (30) innbefatter: en ramme (27) som er forbundet med den første aksel (28), og en holder (23) for opplagring av detektoren (21,22) og integrert med en annen aksel (25) som er forbundet med rammen (27), vinkelrett mot den første aksel (28).