DE2424275C3 - Vorrichtung zum Abfühlen und Anzeigen eines Parameters, vorzugsweise zur Verwendung in barometrischen Höhenmessern - Google Patents

Description

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zum Abfühlen und Anzeigen eines Parameters mit einer Parameterabfühlanordnung, bestehend aus einem Geber, der Bewegungen in Abhängigkeit des Parameters ausführt, einem Sensor, der Änderungen in der Stellung des Gebers erfaßt, die von dessen Nullstellung in bezug auf den Sensor abweichen, sowie aus Rückstellmitteln, um den Geber in bezug auf den Sensor in seine Nullstellung zurück zu bringen, und mit einer Anzeige für den Parameter, die sich entsprechend der Bewegung der Rückstellmittel verändert Die Erfindung betrifft insbesondere Instrumentierungssysteme der beschriebenen Art, bei denen die Ausschläge des Meßwertgebers nicht in linearer Abhängigkeit von dem anzuzeigenden Parameter erfolgen, eine lineare Anzeige dieses Parameters jedoch erwünscht ist

Ein Hauptanwendungsgebiet für Vorrichtungen der bezeichneten Art bilden barometrische Höhenmesser, deren Druckdosenmembranen zwar eine vom Umgebungsdruck weitgehend linear abhängige Bewegung ausführen, wobei die Höhenanzeige im allgemeinen jedoch keine lineare Funktion der Membranbewegung ist

Eine in Verbindung mit einem barometrischen Höhenmesser ausgeführte Abfühl- und Anzeigevorrichtung der eingangs erwähnten Art, von welcher die vorliegende Erfindung ausgeht, ist in der US-PS 3612881 beschrieben. Dieser bekannte Höhenmesser enthält keine Linearisierung der Höhenanzeige in Abhängigkeit von Druckänderungen. Da nämlich die Druckänderung pro Meter Höhe laufend abnimmt, wenn die Höhe zunimmt, ist die Ausdehnung der Druckdose eine nicht proportionale Funktion der Höhe.

Insbesondere in modernen Luftfahrzeugen, in denen der Pilot eine Vielzahl von Instrumenten gleichzeitig zu überwachen hat, muß er sich durch einen kurzen Blick auf ein Meßinstrument über die ungefähre Höhe des angezeigten Wertes ein Bild machen können, ohne die auf der Skala angebrachten Zahlen im einzelnen genau abzulesen. Dies ist jedoch nur bei einer linearen Meßwertskala möglich. Das starke Bedürfnis, die Anzeige einer nicht linearen Abhängigkeit zu linearisieren, besteht daher nicht nur bei Höhenmessern.

Speziell bei Höhenmessern hat man dieses Problem durch eine besondere Formgebung der Druckmeßdose zu lösen versucht, indem man die Membran mit Rillen versehen hat (s. Luftfahrt-Lehrbücherei, Band 17, »Instrumentenkunde«, S. 74 — 76, Verlag Dr. M.

Matthiesen & Co, 1942). Da, wie in der zitierten Literaturstelle angegeben ist, der Membranweg einer Druckmeßdose von einer Vielzahl von Einflußgrößen abhängig ist, so daß er bislang nicht einmal formelmäßig erfaßt werden konnte, haben auch die Versuche zur Linearisierung der Höhenabhängigkeit durch eine bestimmte Formgebung der Membran zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis geführt. Zwar sind die Fehler einer solchen Linearisierung in bestimmten begrenzten Meßbereichen noch vertretbar, dies ist jedoch bei Flugzeughöhenmessern, die einen möglichst großen Höhenunterschied bewältigen sollen, nicht mehr der Fall.

Es sind auch schon andere allgemeine Linearisierungsmethoden für Meßwertübertragungen vorgeschlagen worden, wie z. B. in der DE-PS 6 96 385. Bei der dort beschriebenen Anordnung wird mittels eines Schleifkontaktes eine bestimmte Länge eines auf der Umfangsfläche einer Halbkreisscheibe angebrachten linearen elektrischen Widerstandes abgegriffen. Solange die Kreisscheibe um ihren Mittelpunkt gedreht wird, ist die abgegriffene Widerstandsstrecke proportional zum Drehwinkel. Bei einem exzentrisch gewählten Drehpunkt der Halbkreisscheibe ergeben sich jedoch

unterschiedliche Abgriffsstrecken in Abhängigkeit vom Drehwinkel. Mit einer solchen Anordnung lassen sich lineare Funktionen in gewisser Weise verzerren. Bei diesem bekannten System sind die Funktionsabläufe bei einer bestimmten Exzentrizität der Halbkreisscheibe jedoch vorgegeben. Eine solche Festlegung ist im FaMe des Höhenmessers und für ähnliche Meßgeräte jedoch unerwünscht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein an sich bewährtes Meßwertübertragungssystem, wie es in der US-PS 36 12 881 beschrieben ist, so zu verbessern, daß mit ihm eine gleichzeitige Linearisierung der Meßwerte möglich ist, und zwar möglichst mit Mitteln, die sich zwanglos in die bekannte Anordnung einfügen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Abfühien und Anzeigen eines Parameters nach der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzliche Verstellmittel vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von der Stellung der Rückstellmittel für eine solche Veränderung der Nullsiellung des Gebers in bezug auf den Sensor einstellbar sind, daß das Ausmaß der Bewegung der Rückstellmittel proportional den Änderungen des anzuzeigenden Parameters ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist so ausgebildet, daß der Geber einen Lichtstrahl auf den Sensor richtet, welcher zwei Fotozellen im Strahlenweg des Lichtstrahles aufweist, und daß die Verstellmittel einen Lichtunterbrecher aufweisen, der zwischen dem Geber und dem Sensor angeordnet ist, um das Verhältnis zwischen den zwei dem Lichtstrahl ausgesetzten Flächen der Fotozelle zu verändern.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Verstellmittel besteht darin, daß für die Einstellbarkeit der Verstellmittel eine, vorzugsweise auswechselbare Kurvenscheibe vorgesehen ist, die von den Rückstellmitteln angetrieben ist und die Bewegung des Lichtunterbrechers steuert. Die Kurvenscheibe ist zweckmäßigerweise so gestaltet, daß sich ihre Umfangskurve durch Stellschrauben verändern läßt.

Entsprechend oer Erfindung weist der Parameter-Geber eine anfängliche Null- oder Meßwertposition auf. Wenn sich der Parameter ändert, führt der Geber eine entsprechende Änderung aus. Darauf wird dem Geber eine Rückstellbewegung erteilt, die nur so groß ist, daß sie dem angezeigten Parameter proportional verläuft. Diese Rückstellbewegung ist direkt mit der Parameteranzeige verbunden, welche sich bewegt oder auf andere Weise um einen Betrag ändert, der der Änderung des Parameters proportional ist. so

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung soll nun in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Darstellung eines Höhenmessers,

Fig.2, 3 und 4 das System von Fig. ί in der anfänglichen Nullposition und in der verschoberen bzw. verstellten Nullposition; und

F i g. 5 eine geänderte Vorrichtung, um die Nullposition der druckbeweglichen Oberfläche der Dose zu verstellen. ^%

Das in F i g. 1 gezeigte Druckabfühl- und Höhenanzeigesystem weist eine Druckdose 2 auf, welche in der üblichen Weise aufgebaut ist, um sich in bezug auf die Änderungen des Umgebungsdruckes auszudehnen oder zusammenzuziehen. Die untere Fläche der Druckdose wird durch eine Welle 4 getragen, und die obere Fläche der Dose 2 ist mit einer Stange 6 versehen, welche sich vertikal in bezug auf die Druckänderungen, welche eine Ausdehnung oder ein Zusammenziehen der Dose bewirken, bewegt

Die Bewegung der oberen Fläche der Dose 2 und der Stange 6 wird durch ein System von bekannter Art abgefühlL Dieses weist eine Lampe 8 oder eine andere Beleuchtungsvorrichtung auf, welche auf ein Blech 10 gerichtet ist, das seinerseits fest mit dem unteren Ende der Stange 6 so verbunden ist, daß es sich in bezug auf die Ausdehnung und das Zusammenziehen der Dose 2 bewegt. Ein Schlitz 12 oder eine andere lichtübertragende Fläche ist in dem Blech 10 vorgesehen, um einen Lichtstrahl von ungefähr rechtwinkligem Querschnitt zu schaffen. Dieser Strahl kann durch das Blech 14 aufgespalten werden, bevor er die Photozelle 16 erreicht, weiche aus einem oberen Element 18 und einem unteren Element 20 besteht Diese Photozellen 18 und 20 können von den unterschiedlichsten Arten sein. Beispielsweise können es Zellen sein, welche Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln oder es können Photowiderstandselemente sein, deren elektrische Leitfähigkeit sich entsprechend der auf sie auftreffenden Lichtmenge ändert Eine Vorrichtung der letzteren Art ist gezeigt Sie kann hermetisch in einem doppelten Element einer Photoleitzelle versiegelt sein.

Eine übliche Schaltbrücke oder ein anderer Kompensationsschaltkreis ist in dem Gehäuse 22 angeordnet, um jede Änderung der auf die Photozellen 18 und 20 auftreffende Lichtmenge abzufühlen. Wenn ein unausgeglichener Zustand geschaffen wird, indem eine größere Lichtmenge auf ein Element als auf das andere Element auftrifft, wird ein Fehlersignal erzeugt, um einen Hilfsmotor 24 zu betätigen, welcher damit durch Leitungen 26 verbunden ist Zweck des Schaltkreises und des Hilfsmotors 24 ist, das geschlitzte Blech 10 in eine Position zu bewegen, in der gleiche Lichtmengen auf die entsprechenden Photoelemente 18 und 20 fallen. Diese Bewegung wird von der Welle des Motors 24 auf einen Antrieb übertragen, welcher ein Ritzel 28, ein Zahnrad 30, eine Welle 32, ein Ritzel 34 und ein Zahnrad 36 aufweist Das Zahnrad 36 wird in einer konstanten Höhe gehalten und ist innen mit einem Gewinde versehen, um mit dem Gewinde 38 der nicht drehbaren Welle 4 zu kämmen, wodurch die Drehung des Zahnrades 36 eine vertikale Bewegung der Welle 4, der Dose 2, der Stange 8 und des Bleches 10 hervorruft.

Durch die vorteilhafte Verwendung eines zweiten Bleches 40, welches in vertikalen Führungen (nicht gezeigt) getragen und in der durch die Pfeile 42 angezeigten Richtung beweglich ist, wird erreicht, daß die Dose 2 und das Blech 10 nicht in ihre anfängliche Position zurückgeführt, sondern sich nur um einen Betrag bewegen, welcher direkt proportional der Höhenänderung ist. Wenn nämlich das zweite Blech 40 in bezug auf die Photozelle 16 ausgerichtet ist, sind gleiche Flächen jeder Photozelle 18 und 20 dem auffallenden Lichtstrahl ausgesetzt. Wenn das zweite Blech 40 jedoch aus seiner ausgerichteten Position nach oben verschoben wird, wird die dem Lichtstrahl ausgesetzte Fläche der unteren Zelle 20 vermindert. Dies verursacht natürlich ein Verschieben der Nullposition des Bleches 10. Um wieder einen ausgeglichenen Zustand in dem Schaltkreis zu errichten, wird der Hilfsmotor 24 so betätigt, daß ein größerer Teil des Lichtstrahls, der durch das Blech 10 geht, auf die verminderte Fläche des unteren Elements 20 auftrifft und eine geringere Fläche des Lichtstrahls auf das obere Element 18 auftrifft.

Die vertikale Position des zweiten Bleches 40 ist eine

Funktion der vertikalen Position der die Dose tragenden Welle 4. Diese Beziehung besteht, da das zweite Blech 40 in bezug auf die Bewegung des Antriebs zwischen dem Hilfsmotor 24 und der die Dose tragende Welle 4 angeordnet ist. Ein Schneckengetriebe 44 auf der Welle 32 kämmt mit einem Zahnrad 46, welches über die Welle 48 eine einstellbare Kurvenscheibe 50 antreibt. Eine Abtastrolle 52 ist mit einer Gabel 54 mit dem zweiten Blech 40 verbunden.

Das Bewegungsmaß des zweiten Bleches 40 wird durch die einstellbare Kurvenscheibe 50 bestimmt, weiche eine Vielzahl von Kurven-Einstellschrauben aufweist, die für die Eichung verwendet werden. Wenn das Instrument genau geeicht ist, ist das zweite Blech 40 so angeordnet, daß die vertikale Bewegung der die Dose tragenden Welle 4 direkt den Höhenänderungen proportional ist, die durch die druckfühlende Dose 2 abgefühlt werden. Die Höhenanzeige kann von irgendeiner Art sein, und es ist nicht nowendig, daß es eine sichtbare Anzeigeeinrichtung ist; die Anzeigeeinrichtung kann ein Autopilotensystem oder einen Antwortsender aufweisen, welcher beispielsweise einen Höhen-Anzeigeradiosender hat. In der beschriebenen Anordnung ist er mit 56 bezeichnet, und weist eine Anzeigefläche 58 und einen Zeiger 60 auf. Diese Elemente werden durch eine Welle 62 angetrieben, welche durch Zahnräder 64 und 66 angetrieben werden, die mit dem Antrieb zwischen dem Servomotor 24 und der die Druckdose unterstützenden Welle 4 verbunden ist.

Die grundlegende Betriebsweise der Einrichtung soll nun mit Bezug auf die Fig. 2, 3 und 4 beschrieben werden. In Fig.2 ist das Blech 10 mit der beweglichen Oberfläche der Druckdose 2 in einer Meßwertposition verbunden, bei der das Licht der Lampe 8 einen Lichtstrahl bildet, welcher an den gegenüberliegenden Seiten des strahlspaltenden Bleches 14 vorbei durch die Öffnung des zweiten Bleches 40 geht und auf die Flächen der Photozellen 18 und 20 auftrifft. In dieser Stellung, die als die anfängliche Null- oder Meßwertposition bezeichnet werden kann, treffen gleiche Mengen des Lichtstrahls auf jede Photozelle 18 und 20 auf. Der Schaltkreis des Gehäuses 20 ist ausgeglichen und es wird kein Fehlersignal geschaffen, um den Dosen einstellenden Hilfsmotor zu betätigen.

Wenn die Einrichtung einem plötzlichen Höhenanstieg unterworfen wird, welcher die Dose 2 ausdehnt, und damit das Blech 10 nach oben bewegt, tritt der Zustand von F i g. 3 ein. Eine größere Lichtmenge trifft auf die obere Photozelle 18 und eine geringere Lichtmenge trifft auf die untere Photozelle 20 auf. Es wird in dem Schaltkreis ein unausgeglichener Zustand geschaffen, welcher ein Fehlersignal hervorruft, wodurch der Hilfsmotor 24 betätigt wird, um die die Druckdose tragende Welle 4, die Druckdose 2 und das Blech 10 nach unten anzutreiben.

Gleichzeitig wird die einstellbare Kurvenscheibe 50 gedreht, wodurch sich das zweite Blech 40 nach unten zu bewegt, so daß eine größere dem Lichtstrahl ausgesetzte Fläche der unteren Photozelle 20 als der oberen Photozelle 18 vorhanden ist. Da das System bestimmt ist, das Blech 10 in eine Position zu bewegen, in welcher gleiche Lichtmengen auf die zwei Photozellen auftreffen, wird somit die Nullposition verschoben, denn das Blech 10 braucht nicht bis in die anfängliche Nullposition, die in Fig. 2 dargestellt ist, nach unten bewegt werden, bis gleiche Querschnittsflächen des Lichtstrahls auf die Photozellen 18 und 20 auftreffen. Durch die neue Position des Bleches 40 wird so eine Bewegung der Welle 4 bewirkt, welche direkt der Höhenänderung proportional ist, welche auf dem Höhenanzeiger-Radiosender 56 angezeigt wird.

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Einrichtung bei ganz verschiedenen Systemen verwendet werden, z. B. bei einem Temperaturfuhlsystem, das anstelle der Druckdose ein Bimetallelement verwendet, dessen Ausdehnungsmerkmale der Temperatur nicht direkt proportional sind, bei dem jedoch die Anzeige mit einer einheitlich im gleichen Abstand eingeteilten Temperaturskala erfolgen soll. Ferner kann sich das Positionsabfühlsystem von dem hier beschriebenen Photozellensystem unterscheiden; beispielsweise ist es möglich, die Stange 6 aus einem ferritischen Material herzustellen und in eine elektrische Induktionsspule einzuführen, die mit einem Schaltkreis verbunden ist, um ein Fehlersignal zu schaffen und um den Hilfsmotor 24 zu betätigen, wenn die Stellung von der eingestellten Bezugsposition abweicht. In einer solchen Anordnung kann ein Element wie z. B. die einstellbare Kurvenscheibe 50 verwendet werden, um die Induktionsspule um einen Betrag zu bewegen, welche eine Rückstellbewegung der Welle 4 um einen Abstand zum Ergebnis hat, welcher den zu messenden Parameter proportional ist.

In dem in Fig. 1 gezeigten System ist es möglich,das zweite Blech 40 wegfallen zu lassen und die Photozellen 16 unter dem Einfluß der einstellbaren Kurvenscheibe 50 zu bewegen. In einer weiteren Ausführungsform kann das zweite Blech 40 eine andere Konstruktion aufweisen, welche in der Lage ist, einen Unterschied der ausgesetzten Flächen der entsprechenden Photoelemente 18 und 20 zu schaffen. Eine solche Anordnung ist in F i g. 5 gezeigt, wo ein Blech 68 bei 79 gedreht wird, um Teile der oberen oder unteren Photoelemente abzudunkeln. Die Bewegung des drehbaren Bleches 68 wird durch eine Kurvenscheibe 72 hervorgerufen, deren Form durch Versuche bestimmt werden muß. Die Kurvenscheibe 72 läuft über eine Abtastrolle 74 des Bleches. Die Kurvenscheibe 72 wird natürlich direkt durch den Antrieb zwischen dem Hilfsmotor 24 und der die Druckdose tragenden Welle 4 angetrieben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Abfühlen und Anzeigen eines Parameters mit einer Parameter-Abfühlanordnung, bestehend aus einem Geber, der Bewegungen in Abhängigkeit des Parameters ausführt, einem Sensor, der Änderungen in der Stellung des Gebers erfaßt die von dessen Nullstellung in bezug auf den Sensor abweichen, sowie aus Rückstellmitteln, um den Geber in bezug auf den Sensor in seine Nullstellung zurück zu bringen, und mit einer Anzeige für den Parameter, die sich entsprechend der Bewegung der Rückstellmittel verändert, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Verstellmittel (40,50,46,44) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von der Stellung der Rückstellmittel (28, 30, 34, 36) für eine solche Veränderung der Nullstellung des Gebers (2,6,10,8) in bezug auf den Sensor (14, 16, 22) einstellbar sind, daß das Ausmaß der Bewegung der Rückstellmittel (28, 30, 34, 36) proportional den Änderungen des anzuzeigenden Parameters ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (2,6,10,8) einen Lichtstrahl auf den Sensor (14, 16, 22) richtet, welcher zwei Photozellen (18, 20) im Strahlengang des Lichtstrahls aufweist, und daß die Verstellmittel (40, 50, 46, 44) einen Lichtunterbrecher (20) aufweisen, der zwischen dem Geber (2,6,10,8) und dem Sensor (14, 16, 22) angeordnet ist, um das Verhältnis zwischen den zwei dem Lichtstrahl ausgesetzten Flächen der Photozellen (18,20) zu verändern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Geber (2, 6, 10, 8) in Abhängigkeit von den Veränderungen des umgebenden Druckes bewegt, und daß die Verstellmittel (40, 50, 46, 44) so ausgeführt sind, daß sich die Anzeige proportional zur Höhe bewegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einstellbarkeit der Verstellmittel (40, 50,46, 44) eine vorzugsweise auswechselbare Kurvenscheibe (50) vorgesehen ist, die von den Rückstellmitteln (28, 30, 34, 36) angetrieben ist und die Bewegung des Lichtunterbrechers (40) steuert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurvenverlauf am Umfang der Kurvenscheibe (50) einstellbar ist.

6. Höhenmesser mit einer Druckmeßdose als Geber, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5 versehen ist, welche so eingestellt ist, daß die Meßwertanzeige (60) in linearer Abhängigkeit von der Höhe arbeitet.

7. Höhenmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteranzeige (58, 60) einen Höhenanzeigesender(56) umfaßt.

8. Höhenmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteranzeige (58, 60) einen Autopiloten umfaßt.