NO761459L - - Google Patents

Description

Vinkelakselerometer

Oppfinnelsen angår akselerometre og særlig akselerometre for måling av vinkelakselerasjon.

I situasjoner hvor et legeme i bevegelse utsettes for en kraft som forsøker å bevege legemet bort fra en ønsket hvilestilling, er det ofte nødvendig at legemet utstyres med stabiliseringsanordninger med det formål å avføle den for-styrrende kra-ft og tilføre en motkraft for å holde legemet så nær denønskede hvilestilling som mulig. En sådan situa-sjon finnes ombord på et skip hvor bølge- og vindbevegelse forsøker å bringe skipet til å bevege seg bort fra likevekt-stillingen. Selv om skip og også luftfartøyer og visse andre kjøretøyer kan utsettes for flere forskjellige former for bevegelse, er den mest uheldige når det gjelder passasjerkomfort i passasjerskip og stridseffetivitet i krigsskip, vanligvis rullingsbevegelsen. For at den kraft som motvirker rulling skal kunne frembringes i tide til å motvirke i en grad som er tilstrekkelig til å fjerne eller redusere i særlig grad de uheldige sider ved en sådan bevegelse, er det vesentlig at begynnelsen av en rullingsbevegelse kan avføles' og en vurdering gjøres med hensyn til den. fremtidige hardhet av bevegelsen, slik at den passende motkraft kan anvendes så

nær begynnelsen tav bevegelsen som mulig. Den parameter som tilveiebringer den grunnleggende informasjon, er vinkelakseleras jonsparameteren. Ut fra denne parameter er det mulig å oppnå verdiene av rullingsvinkeien og rullingshastigheten.

Akselerometre for måling av vinkelakselerasjon er allerede kjent, men direkte måling av vinkelakselerasjon av liten størrelse, slik den påtreffes ved skipsrullingsbe-vegelse, krever en komplisert og forholdsvis uhåndterlig anordning.

Vinkelakselerasjon er en kvadratisk funksjon og

en eventuell feil ved detektering av den sanne verdi av akselerasjonen fremkommer således i utgangssignalet fra de kjente typer av vinkelakselerometre med en størrelse som er kvadratet av den opprinnelige feil. Med en feil i utgangssignalet av akseptabel størrelse kan således feilen ved detektering være bare kvadratroten av feilen i utgangssignalet. Da de fleste vanlige feilkilder ved akselerasjonsdeteksjon med vinkelakselerometre skriver seg fra de arbeidstoleranser som må tillates ved fremstillingsprosessen for akseler<p>metrene, må sådanne toleranser holdes innenfor en meget snever grense, slik at kvadratet av feilene som skriver seg fra toleransene^vil være akseptabelt. Sådanne små toleranser forårsaker at vinkelakselerometre av tilstrekkelig følsomhet blir meget kostbare å fremstille og særlig tilbøyelige til utvikling av feil under drift. Det ville være et betydelig fremskritt i teknikken dersom det var tilgjengelig et vinkelakselerometer som ikke benyttet noen ;signaler som varierte kvadratisk, og det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et sådant vinkelaksele-romter.

Oppfinnelsen gjør bruk av en anordning•som er kjent som en hellingsføler av vridningsmomentbalanse- eller momentlikevekttypen. En sådan hellingsføler omfatter en bevegelig masse som forskyves når anordningen skråstilles eller vippes, og arbeider ved å generere et motvirkende og gjenopprettende vridningsmoment for å utbalansere det moment som genereres ved forskyvningen av massen når hellingsføleren vippes, og redusere forskyvningen av massen til null, idet størrelsen av dette balanserende og gjenopprettende vridningsmoment er et.mål på hellingsvinkelen. De forskjellige vridningsmomenter er mag-netiske momenter som genereres elektrisk. Da imidlertid massen har treghet,.vil en akselerasjon av føleren i tillegg til hellingsbevegelse forårsake en ytterligere forskyvning av massen hvilket er et resultat av akselerasjonen alene, og således tilveiebringe et signal som har en hellingskomponent• og en akselerasjonskomponent. På grunn av dette kan en føler av momentlikevekttypen betraktes som en form for lineært akselerometer selv om dette strengt tatt er en ukorrekt be-tegnelse på anordningen. \ Selv om den ovenfor beskrevne anord- . • ning arbeider som et lineært akselerometer, vil den i den etter-følgende beskrivelse bli betegnet med sitt riktige navn som er hellingsføler.

Et vinkelakselerometer ifølge oppfinnelsen omfatter anordninger for detektering av vinkelakselerasjon og tilveiebringelse av et utgangssignal som inneholder detaljer om vinkelaskelerasjonen og som tilføres som inngangssignal til en første integrator som er innrettet til å integrere utgangssignalet fra anordningen for detektering av vinkelakseleras jon, for tilveiebringelse av et utgangssignal re-

latert til øyeblikkshastighet som tilføres til en andre integrator som er innrettet til å integrere signalet fra den første integrator, for derved å tilveiebringe et utgangssig-

nal relatert til svingeyinkelen,. og er kjennetegnet ved at to hellingsfølere av momentlikevekttypen, som begge er i stand til å tilveiebringe utgangssignaler og som begge er orientert i den retning som skal være følsom for akselera-

sjoner som opptrer i den retning langs hvilken den vinkelakseleras jonsbevegelse som skal måles, finner sted,<p>g som er adskilt fra hverandre i en retning på tvers av den ret-

ning langs hvilken vinkelakselerasjonsbevegelsen finner sted, er koplet til en differensialforsterker som er i stand til å sammenlikne de to inngangssignaler fra hellings følerne og tilveiebringe et utgangsdifferansesignal som tilføres til den første integrator som inngangssignal til denne.

Utgangssignalene fra differensialforsterkeren,

den første integrator og den andre integrator kan i tillegg være koplet til en styremekanisme omfattende en servomekanisme som er koplet til et skips stabiliseringsanordning og er innrettet til å styre stabiliseringsanordningen slik at denne arbeider i samsvar med den informasjon som er inneholdt i utgangssignalene fra differensialforsterkeren, den første og den andre integrator.

Skipets stabiliseringsanordning kan omfatte stabiliserende finner som rager ut fra siden av et skip, og hydrauliske pumper og motorer som er koplet til finnene, idet styremekanismen er operativt forbundet med de hydrauliske,

pumper.

Alternativt kan stabiliseringsanordningen omfatte

minst en stabiliserende tank som er innrettet til å inne-

holde væske og minst en pumpe som er knyttet til tanken for å styre bevegelsen av væske i tanken, idet styremekanismen er operativt koplet til pumpen.

Ved sjø-anvendelser har man funnet at de rullings-perioder som for det meste påtreffes, ligger i området 5 - 30 sekunder, og den totale akseptable rullingsvinkel må av komfortgrunner ikke overskride 3°. En adskillelse i tverr-retningen på 3 meter mellom de lineære akselerometre har vist seg å være tilstrekkelig for tilveiebringelse av en følsom-

het som er i stand til å sørge for aksjon av stabiliserings-mekanismen hurtig nok til å begrense rullingsvinkelen til så

lite som 3°. Under disse forhold er den akselerasjon som skal avføles mindre enn 0,1 g,og derne lave akselerasjon er funnet å ligge helt innenfor mulighetene for akselerometret ifølge oppfinnelsen.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende

i forbindelse med en praktisk utførelse som er vist skjematisk på tegningene, der fig. 1 viser et vinkelakselerometer alene,

og fig. 2 viser hvordan akselerometerets utgangssignal til-

føres til stabiliseringsanordningen for et skip som har finne-st abi lisa torer .

På tegningene betegner 1 og 2 respektive hellings-følere av momentlikevekttypen som er adskilt fra hverandre i

en retning på tvers av den retning langs hvilken akselerasjons- " bevegelsen som det skal kompenseres for, finner sted. På

figuren er hellingsfølerne vist festet til en stang 3, men

det vil selvsagt innses at stangen 3 kan utgjøres av en ramrae-

del av skipets skrog eller et skott. Hellingsfølernes utganger

er koplet til en differensialforsterker 4, hvilken differensialforsterker er av kjent type og i stand til å sammenlikne de to inngangssignaler og frembringe et forsterket utgangs-

signal som er den algebraiske differanse mellom de. to sig-

naler. Differensialforsterkerens 4 utgang er koplet som inn-

gang til en første integrator 5, og utgangen fra den første integrator er koplet som inngang til en andre integrator 6.

7 betegner en styreenhet som ved en elektrisk forbindelse 8

er koplet til differensialforsterkerere 4 utgang, ved en forbindelse 9 er koplet til den første integrators 5 utgang og ved en forbindelse 10 er koplet til den andre integrators 6 utgang. Forbindelsen 8 overfører signalet direkte fra differensialforsterkeren 4 og det er således et signal for. vinkelakselerasjon. Det. vil lett innses at når signalet fra differensialforsterkeren 4 integreres for første gang, er utgangssignalet et signal som representerer det første inte-

gral av akselerasjon hvilket er hastighet, og således over-

fører forbindelsen 9 et hastighetssignal. Det vil også inn-

ses at når signalet fra differensialforsterkeren 4 inte-

greres to ganger, representerer dobbeltintegralet bevegelsesvinkel, og forbindelsen 10 overfører således et vinkelsignal.

Disse tre signaler kombineres av styreenheten for å frem-

bringe et styresignal som inneholder informasjon relatert til vinkelakseleras jon, hastighet og bevegelsesvinkel.. I stabiliseringsanordninger betegner 11 og 12 hydrauliske motorer som er koplet til respektive stabiliserings finner 13 og 14. Motoren 11 mates av en pumpe 15 og motoren 12 mates av en

pumpe 16.. Utgangssignalet fra styreenheten 7 tilføres til styremekanismen for pumpene 15 og 16 slik at i overensstem-

melse med den informasjon.som er inneholdt i styresignalet fra styreenheten, blir pumpene påvirket i overensstemmelse med rullingsakselerasjonen for skipet, den øyeblikkelige bevegelseshastighet og svingevinkelen, idet pumpene tilveiebringer utgangssignaler til de respektive motorer for å ju-

stere finnene 13 og 14 for å tilveiebringe kompenserende virkning.

I praksis, og slik det fremgår av tegningene,

blir de to hellingsfølere 1 og 2 forskjellig påvirket, under

rullingstilstander på grunn av at følernes forskjellige av-stander fra rullingsaksen forårsaker at følerne oppviser forskjellige lineære akselerasjoner. Grunnen til dette er at selv om bevegelsen av de to følere skjer i løpet av samme tids-intervall/beveger føleren på størst avstand fra rullingsaksen seg en større avstand i løpet av en gitt tid enn den andre føler, og utsettes således for en høyere lineær akselerasjon. Følerne avføler også en hellingsvinkel, men da. hellingskom-ponentene for de to følere er de samme da begge følere vippes gjennom samme vinkel, og da eventuelle andre akselerasjoner, såsom de som skriver seg fra giring og stamping, påvirker, begge følere i samme grad, representerer den algebraiske differanse mellom signalene fra de to følere differansen i de lineære akselerasjoner for de to følere. Da følernes innbyrdes avstand er konstant og kjent, kan vinkelakselera-r sjonen for det rullende skip beregnes.

Problemet ville forenkles dersom den ene føler kunne anbringes på svingeaksen på grunn av at da ville dens utgangssignal bli utelukkende et hellingssignal. På et skip er imidlertid dette umulig på grunn av at svingeaksens posisjon varierer i overensstemmelse med skipets lasting og trim blant andre variable.

Signalene fra de to hellingsfølere forsterkes i differensialforsterkeren 4 og kombineres for å tilveiebringe et utgangsdifferansesignal som er proporsjonalt med vinkelakseleras jonen . Den første integrasjon av vinkelakselera-sjonssignalet i den første integrator 5 tilveiebringer et signal som er proporsjonalt med den øyeblikkelig rullings-hastighet, og den andre integrasjon i den andre integrator 6 tilveiebringer et signal som er proporsjonalt med rullingsvinkelen. Disse tre signaler tilført til styremekanismen 7 forårsaker at styremekanismen styrer pumpene 15 og 16 på kjent måte for operasjon av stabiliseringsanordningene 11,

12, 13, 14, slik at den utførte korrigeringsvirkning passer for rullingstilstandene. Vinkelakselerasjonen for skipet er nødvendig slik at en riktig størrelse av motvirkende kraft

kan bestemmes, og den øyeblikkelige bevegelseshastighet og rullingsvinkelen for skipet er nødvendig^slik at varigheten av korrigeringsinnsatsen kan bestemmes.

I det foregående er nevnt behovet for ekstrem pre-sisjon ved fremstilling av kjente vinkelakselerometre for å tilveiebringe akseptable resultater på grunn av den kvadratiske natur av akselerometrenes utgangssignaler.. Ved den videre beskrivelse av virkemåten for den foreliggende opp-finnelse kan det nevnes at utgangsspenningen fra en hellings-føler slik den benyttes i vinkelakselerometeret ifølge oppfinnelsen, er direkte proporsjonal med sinus til hellingsvinkelen. Dette er vel kjent. For små hellingsvinkler, maksimalt ca. 3°, som påtreffes under drift av anordningen ifølge oppfinnelsen, kan som kjent sinus til vinkelen settes lik vinkelen selv, og følerens utgangsspenning er således direkte proporsjonal med hellingsvinkelen og således direkte proporsjonal med akselerasjonen når anordningen benyttes som et akselerometer. Utgangssignalet fra føleren, selv

om det er et akselerasjonssignal, er således lineært med hensyn til den avfølte akselerasjon. Den store fordel med denne egenskap ved vinkelakselerometeret ifølge oppfinnelsen vil innses når.man husker at det kvadratiske utgangssignal fra et kjent vinkelakselerometer har som resultat at eventuelle feil i den detekterte akselerasjon som skriver seg fra nødvendigvis tilstedeværende fremstillingstoleranser, kvadreres på utgangen. Dersom med andre ord et signal frem-brakt av anordningen ifølge oppfinnelsen inneholdt en feil som var bare såvidt akseptabel og som skrev seg fra nærvær i en konstruksjonsdel av en maksimal fremstillingstoleranse på 0,01 mm, ville det være nødvendig at den tilsvarende anordning med kvadratisk utgangssignal måtte ha en maksimuns-toleranse på den ekvivalente konstruksjonsdel begrenset til 0,0001 mm for å tilveiebringe et signal som inneholder en feil av samme størrelse.

Claims (4)

1. Vinkelakselerometer, omfattende anordninger for • detektering av vinkelakselerasjon og tilveiebringelse av et utgangssignal som inneholder .detaljer om vinkelakselerasjonen og som tilføres som inngangssignal til en første integrator som.er innrettet til å integrere utgangssignalet fra anordningen for detektering av vinkelakselerasjon, for tilveier bringelse av et utgangssignal relatert til øyeblikkshastighet som tilføres til en andre integrator som er innrettet til å integrere signalet fra den første integrator, for derved å tilveiebringe et utgangssignal relatert til svingevinkelen, karakterisert ved at to hellingsfølere av momentlikevekttypen, som begge er i stand til å tilveiebringe utgangssignaler og som begge er orientert i den retning som skal være følsom for akselerasjoner som opptrer i den retning langs hvilken den vinkelakselerasjonsbevegelse som skal måles, finner sted, og som er adskilt fra hverandre i en retning'på tvers av den retning langs hvilken vinkelakseleras jonsbevegelsen finner sted, er koplet til en differensialforsterker som er i stand til å sammenlikne de to inngangssignaler fra hellingsfølerne og tilveiebringer et utgangsdifferansesignal som tilføres til den første integrator som inngangssignal til denne.

2. Vinkelakselerometer ifølge krav 1, karakterisert ved at utgangssignalene fra differensialforsterkeren og den første og den andre integrator i tillegg er koplet til en styremekanisme omfattende en servomekanisme som er. koplet til et skips stabiliseringsanordning og er innrettet til å styre stabiliseringsanordningen slik at denne arbeider i overensstemmelse med den informasjon som er inneholdt i utgangssignalene fra differensialforsterkeren og den første og den andre integrator.

3. Vinkelakselerometer ifølge krav 2, karakterisert ved at skipets stabiliseringsanordning omfatter stabiliserende finner som rager ut fra sidene av skipet, og hydrauliske pumper og motorer som er koplet til finnene, idet styremekanismen er operativt koplet til de hydrauliske pumper.

4. Vinkelakselerometer ifølge krav 2, karakterisert ved at stabiliseringsanordningen omfatter i det minste en stabiliseringstank som er innrettet til å inneholde væske, pg i det minste en pumpe som er knyttet til tanken for å styre bevegelsen av væske i tanken, idet styremekanismen er operativt koplet til pumpen.