DE2619341A1

DE2619341A1 - Beschleunigungsmessgeraet

Info

Publication number: DE2619341A1
Application number: DE19762619341
Authority: DE
Inventors: Charles Kenneth Benington
Original assignee: Brown Brothers and Co Ltd
Current assignee: Brown Brothers and Co Ltd
Priority date: 1975-05-01
Filing date: 1976-04-30
Publication date: 1976-11-04
Also published as: BE841317A; GB1538229A; DK195776A; US4095547A; AU1353476A; ES447499A1; JPS5753546B2; NO761459L; SE7604848L; FR2309873A1; SE404965B; NL7604614A; JPS5238276A

Description

Die Erfindung "betrifft ein Besohleunigungsmeßgerät insbesondere zur Bestimmung der V/inkelbeschleunigung.

In Fällen, in denen ein bewegter Körper einer Kraft ausgesetzt ist, die dazu führt, daß der Körper aus einer gewünschten Ruhelage bewegt wird, ist es häufig erforderlich, daß eine Stabilisierungseinrichtung mit dem Körper verbunden wird, wobei die störende Kraft gemessen und eine Gegenkraft angelegt werden soll, um den Körper so nahe wie möglich in der gewünschten Ruhelage zu halten. Ein derartiger Fall tritt bei Schiffen auf, wo die Wellen- und Windbewegung dazu führt,

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daß das Schiff aus der G-Ieicligewiclitslage gebracht wird. Während Schiffe und ebenfalls Plugzeuge und bestimmte andere Fahrzeuge mehreren verschiedenen Bewegungsarten ausgesetzt sein können, wird als besonders nachteilig im Hinblick auf den Komfort der Fahrgäste bei Passagierschiffen und im Hinblick auf die Kampfkraft von Kriegsschiffen gewöhnlich die Rollbewegung angesehen. Damit die dem Rollvorgang entgegenwirkende Kraft rechtzeitig erzeugt wird, um in ausreichendem Maße entgegenzuwirken, um die nachteiligen Auswirkungen einer derartigen Bewegung zu verhindern oder zu verringern, ist es notwendig, daß der Beginn einer Rollbewegung bemerkt und eine Abschätzung für den zukünftigen Umfang der Bewegung durchgeführt wird, so daß die geeignete G-egenkraft möglichst kurz nach dem Beginn der Bewegung angelegt werden kann. Der Parameter für diese Basisinformation ist die Winkelbeschleunigung. Aus diesem Parameter können die Werte für den Rollwinkel und die Rollgeschwindigkeit bestimmt werden.

Besclileunigungsmeßgeräte zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung sind bereits bekannt, jedoch erfordert die direkte Messung einer geringen Winkelbeschleunigung, wie sie bei der Rollbewegung eines Schiffes auftritt, ein kompliziertes und ziemlich umfangreiches Gerät.

Die Winfcelbeschleunigung ist eine quadratische Funktion und daher erscheint jeder Meßfehler des genauen Beschleunigungswertes is, dsm Ausgangssignal bei den bekannten Beschleu-

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nigungsmeßgeräten in der Größe des Quadrats des ursprünglichen Fehlers. Bei einem annehmbaren Fehler des Ausgangssignals kann daher der Meßfehler nur die Quadratwurzel des Fehlers des Ausgangssignals sein. Da die Hauptfehlerquelle bei der Bestimmung der Beschleunigung durch Winkelbeschleunigungsmeßgeräte von den Arbeitstoleranzen herrührt, die bei der Herstellung der Meßgeräte zugelassen werden müssen, müssen diese Toleranzen außerordentlich klein gehalten werden, so daß das Quadrat der Fehler, die von den Toleranzen herrühren, annehmbar ist. Derartig kleine Toleranzen führen dazu, daß Winkelbeschleunigungsmeßgeräte mit ausreichender Empfindlichkeit außerordentlich kostspielig herzustellen sind und insbesondere zur Erzeugung von Betriebsfehlern neigen. Erfindungsgemäß soll daher ein Winkelbeschleunigungsmeßgerät geschaffen werden, das keinerlei sich quadratisch ändernde Signale erfordert.

Erfindungsgemäß wird daher ein Winkelsensor mit Drehmomentausgleich verwendet. Ein derartiger Winkelsensor weist eine bewegbare Masse auf, die ihre Lage verändert, wenn die Vorrichtung gekippt wird, und erzeugt ein entgegengesetztes Drehmoment, um das durch die Verschiebung der Masse beim Kippen des Winkelsensors erzeugte Drehmoment auszugleichen, und verringert die Massenverschiebung auf ITuIl, wobei die Größe dieses Ausgleichs und des Rückstelldrehmoments ein Maß ist für den Neigungswinkel. Die verschiedenen Drehmomente sind elektrisch erzeugte magnetische Drehmomente. Da jedoch

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die Masse eine Trägheit aufweist, führt die ursprüngliche Beschleunigung zu einer Beschleunigung des Sensors zusätzlich zu der Kippbewegung zu einer weiteren Verschiebung der Masse, so daß ein Signal erzeugt wird, das sowohl eine Kippkomponente als auch eine Beschleunigungskomponente aufweist. Auf Grund dieser Tatsache kann ein Winkelsensor mit Drehmomentausgleich als eine Art lineares Beschleunigungsmeßgerät angesehen werden, obwohl dies im strengen Sinne eine ungenaue Bezeichnung der Vorrichtung ist. In der Beschreibung wird die oben beschriebene Vorrichtung, obwohl sie als lineares Beschleunigungsmeßgerät arbeitet, mit ihrer genauen Bezeichnung als Winkelsensor bezeichnet.

Ein erfindungsgemäßes Winkelbeschleunigungsmeßgerät weist eine Einrichtung zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung auf und erzeugt ein von der Winkelbeschleunigung abhängendes Ausgangssignal, das als Eingangssignal einem ersten Integrator zur Integration zugeführt wird, so daß ein von der Geschwindigkeit abhängendes G-eschwindigkeitssignal erzeugt wird, das zur Integration einem zweiten Integrator zur Erzeugung eines Winkelsignals zugeführt wird, wobei sieh das erfindungsgemäße Meßgerät auszeichnet durch zwei Ausgangssignale erzeugende Sensoren mit Drehmomentausgleich für die Winkeländerung, die beide in eines? Richtung orientiert sind, daß sie auf Beschleunigungen in der zu messenden Beschleunigungsrichtung ansprechen, und äie im Abstand aneinander in einer Richtung quer zur Wiiiic@ll3@sehleraigu:ng8ri0kfezig angeordnet sind, wobei

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die Sensoren zum Vergleich ihrer Ausgangssignale mit einem Differenzverstärker verbunden sind, dessen Differenzsignal dem ersten Integrator zugeführt wird.

Die Ausgangssignale des Differenzverstärkers, des ersten Integrators und des zweiten Integrators können in vorteilhafter Weise einer Steuervorrichtung mit Servoanordnung zugeführt werden, die mit einer Schiffsstabilisierungseinrichtung verbunden ist, um diese entsprechend den AusgangsSignalen des Differenzverstärkers und des ersten und des zweiten Integrators zu betätigen.

In vorteilhafter Weise weist die SchiffsStabilisierungseinrichtung stabilisierende Ruder auf, die sich von den Seiten des Schiffs aus erstrecken, wobei mit den Rudern zu deren Betätigung hydraulische Pumpen und Motore verbunden sind.

Alternativ kann in vorteilhafter Weise die Stabilisierungseinrichtung mindestens einen eine Flüssigkeit enthaltenden Stabilisierungstank aufweisen, wobei mindestens eine mit der Steuervorrichtung in Verbindung stehende Pumpe dem Tank zugeordnet ist, um die Bewegung der Flüssigkeit in dem Tank zu regeln.

Bei Schiffen ist herausgefunden worden, daß die Rollperioden hauptsächlich im Bereich zwischen 5 und 30 Sekunden liegen, und der annehmbare Gesamtrollwinkel darf 3° aus Gründen

eines bequemen Transports nicht überschreiten. Ein Querabstand von drei Metern zwischen den linearen Beschleunigungsmeßgeräten hat sich als ausreichend herausgestellt, um eine Empfindlichkeit zu erreichen, die zur Betätigung der Stabilisierung s einrichtung ausreichend schnell ist-, um den Rollwinlcel auf 3° zu begrenzen. Unter diesen Bedingungen ist die zu messende Beschleunigung geringer als 0,1 g, und diese Beschleunigung liegt vollständig innerhalb der Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmeßgeräts.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Winkelbeschleunigungsmeßgerät und

Fig. 2 die Verbindung des Beschleunigungsmeßgerätes mit der Stabilisierungseinrichtung eines Schiffs mit Ruderstabilisierung.

In Fig. 1 sind Winkel- oder Kippsensoren 1, 2 mit Drehmomentausgleich zueinander im Abstand angeordnet, und zwar in einer Richtung quer zur Richtung der Beschleunigungsbewegung, die kompensiert werden soll. In der Figur sind sie mit einer Stange 3 verbunden, die als Rahmenteil des Schiffsrumpfs oder als Querspant ausgebildet sein kann. Mit einem Differenzverstärker 4 sind die Ausgänge der Winkelsensoren

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verbunden, der die zwei Eingangs signale vergleicht und ein verstärktes Ausgangssignal erzeugt, das der algebraischen Differenz der zwei Signale entspricht. Der Ausgang des Differenzverstärkers 4 ist mit dem Eingang des ersten Integrators verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang eines zweiten Integrators 6 verbunden ist. Eine Kontrolleinheit 7 ist durch eine elektrische leitung 8 mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 4, über eine Leitung 9 mit dem Ausgang des ersten Integrators 5 und über eine leitung 10 mit dem Ausgang des zweiten Integrators 6 verbunden. Auf der Leitung 8 ist unmittelbar das Signal von dem Differenzverstärker 4» und dies ist daher ein Winkelbeschleunigungssignal. Das einmal integrierte Signal von dem Differenzverstärker 4 stellt das erste Integral der Beschleunigung dar_? d.h. die Geschwindigkeit, und daher liegt auf der Leitung 9 ein Geschwindigkeitssignal. Das zweifach integrierte Signal des Differenzverstärkers 4, d.h. das Doppelintegral, entspricht dem Bewegungswinkel, und auf der Leitung 10 ist daher das Winkelsignal. Diese drei Signale werden durch die Kontrolleinheit 7 miteinander kombiniert, um ein Steuersignal zu eTzeugen, das eine Information bezüglich der Winkelbesehleunigungj, der Geschwindigkeit und · dem Bewegungswinkel enthält.

In der in Pig. 2 dargestellten Stabilisierungseinrichtung sind hydraulische Motoren 11 und 12 mit Stabilisierungsrudern 13 bzw. 14 verbunden. Der Motor 11 wird durch eine Pumpe 15 und der Motor 12 durch ein® Pumpe 16 betrieben. Das Ausgangs-

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signal der Steuereinheit 7 wird der Steuervorrichtung der Pumpen 15 und 16 zugeführt, so daß entsprechend der in dem Steuersignal enthaltenen Information von der Kontrolleinheit die Pumpen entsprechend der Rollbeschleunigung des Schiffes, der momentanen Bewegungsgeschwindigkeit und dem Kippwinkel "betätigt werden. Die Pumpen betätigen die entsprechenden Motoren, um die Ruder 13 und 14 zur Durchführung der Kompensation einzustellen.

Tatsächlich werden die zwei Winkelsensoren 1 und 2 "bei Roirbewegungen unterschiedlich beeinflußt, da ihre unterschiedlichen Abstände von der Rollachse zu unterschiedlichen linearen Beschleunigungen führen. Der Grund hierfür ist der, daß, obwohl die Bewegung der zwei Sensoren in dem gleichen Zeitintervall stattfindet, der Sensor mit dem größeren Abstand von der Rollachse sich über einen größeren Weg in der vorgegebenen Zeit bewegt als der andere Sensor und daher einer größeren linearen Beschleunigung unterliegt. Die Sensoren bestimmen außerdem ihren Kippwinkel, doch stellt die algebraische Differenz zwischen den Signalen der zwei Sensoren die Differenz in den linearen Beschleunigungen der zwei Sensoren dar., da die Kippkomponenten der zwei Sensoren gleich sind, da die beiden Sensoren um den gleichen Winkel gekippt werden und da irgendwelche anderen Beschleunigungen, beispielsweise diejenigen, die von Gier- und Längsbewegungen herrühren, beide Sensoren im gleichen Maße beeinflussen. Da ihr Abstand konstant und bekannt ist₉ kann die Ifinkelbeschleu-

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nigung des rollenden Schiffes berechnet werden.

Das Problem wäre einfacher, wenn ein Sensor in der Schwingungsachse angeordnet werden könnte, da dann sein Ausgangssignal ein reines Kippsignal wäre. Auf einem Schiff ist dies jedoch unmöglich, da sich die Position der Schwingachse entsprechend der Ladung und der Trimmladung des Schiffes neben anderen Variablen ändert.

Die Signale der zwei Winkelsensoren werden in dem Differenzverstärker 4 verstärkt und kombiniert, um ein Ausgangsdifferenzsignal zu erzeugen, das der Winkelbeschleunigung proportional ist. Die erste Integration des Winkelbeschleunigungssignals in dem ersten Integrator 5 führt zu einem Signal, das proportional zur momentanen Rollgeschwindigkeit ist, und die zweite Integration in dem zweiten Integrator 6 führt zu einem Signal, das proportional zum Rollwinkel ist. Diese drei Signale werden der Steuervorrichtung 7 zugeführt, die die Pumpen 15 und 16 in bekannter Weise ansteuert, um die Stabilisierungseinrichtung 11, 12, 13, 14 zu betätigen, so daß die vorgenommene Korrektur den Bedingungen der Rollbewegung entspricht. Die Winkelbeschleunigung des Schiffes ist erforderlich, damit eine entsprechende Größe der Gegenkraft bestimmt werden kann, während die momentane Bewegungsgeschwindigkeit und der Rollwinkel des Schiffes erforderlich sind, damit die Dauer des Eorrekturvorgangs bestimmt v/erden kann.

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Eingangs ist erwähnt worden, daß für die Herstellung bekannter Winkelbeschleunigungsmeßgeräte eine außerordentlich hohe Genauigkeit erforderlich ist, um annehmbare Resultate zu erzielen, und zwar wegen der quadratischen Abhängigkeit ihrer Ausgangssignale. Bei der Verwendung eines Winkelsensors in dem erfindungsgemäßen Winkelbeschleunigungsmeßgerät ist die Ausgangsspannung direkt proportional zum Sinus des Kippwinkels. !Für die kleinen Kippwinkel, im Maximum etwa 3°, die während des Betriebs der erfindungsgemäßen Torrichtung auftreten, kann der Sinus des Winkels gleich dem Winkel selbst genommen werden, d.h. die Ausgangsspannung des Sensors ist direkt proportional dem Kippwinkel und daher direkt proportional zur Beschleunigung, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung als Beschleunigungsmeßgerät verwendet wird. Das Ausgangssignal des Sensors ist daher, obwohl es ein Beschleunigungssignal ist, linear bezüglich der ermittelten Beschleunigung. Der große Vorteil dieser Eigenschaft des erfindungsgemäßen Winkelbeschleunigungsmeßgeräts wird ersichtlich, wenn man sich erinnert, daß das quadratische Ausgangssignal eines bekannten Winkelbeschleunigungsmeßgeräts dazu führt, daß irgendwelche !Fehler in der gemessenen Beschleunigung, die von den notwendigerweise vorhandenen Herstellungstoleranzen herrühren, im Ausgangssignal quadriert sind. Mit anderen Worten, falls ein Signal, das durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt wird, einen Fehler enthält, der gerade noch annehmbar ist und der von einem leil einer maximalen Herstellungstoleranz von 0,01 mm herrührt, so würde die entsprechende Vor-

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richtung mit einem quadratischen Ausgangs signal eine maximale Toleranz an dem entsprechenden Teil mit maximal 0,0001 mm erfordern, um ein Signal zu erzeugen, das einen Fehler in der gleichen Größenordnung enthält.

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Claims

JH Patentansprüche

1. J Winkelteschleunigungsmeßgerät zur Bestimmung der Winke !/beschleunigung und Erzeugung eines Winkelbe schleunigungsausgangssignals, das zum Integrieren und Erzeugen eines von der Geschwindigkeit abhängenden Geschwindigkeitssignals einem ersten Integrator zugeführt wird, dessen Ausgangssignal zum Integrieren und Erzeugen eines Winkelsignals einem zweiten Integrator zugeführt wird, gekennzeichnet durch zwei Winkelsensoren (1, 2) mit Drehmomentausgleich, die beide in einer Richtung angeordnet sind, daß sie auf Beschleunigungen in der zu messenden Winkelbeschleunigungsrichtung ansprechen, und die im Abstand zueinander in einer Richtung quer zur Winkelbeschleunigungsrichtung angeordnet sind, wobei die Sensoren zum Vergleichen ihrer Ausgangssignale mit einem Differenzverstärker (4) verbunden sind, dessen Differenzsignal dem ersten. Integrator (5) zugeführt wird.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Differenzverstärkers (4)» des ersten Integrators (5) und des zweiten Integrators (6) einer Steuereinheit (7) mit Servoanordnung zugeführt werden, die mit einer Schiffsstabilisierungseinrichtung (11 - 16) verbunden ist, um diese entsprechend den

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Ausgangssignalen des Differenzverstärkers (4), des ersten Integrators (5) und des zweiten Integrators (6) zu betätigen.

3. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ze ichnet _t daß die Sehiffsstabilisierungseinrichtung Stabilisierungsruder (13, 14) aufweist» die sich von den Seiten des Schiffs aus erstrecken, wobei mit den Rudern (13, 14) zu deren Betätigung hydraulische Pumpen (15 bzw. 16) und Motoren (11 bzw. 12) verbunden sind.

4« Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch g e i: e η ώ. -zeichnet, daß die Stabilisierungseinrichtung mindestens einen eine Flüssigkeit enthaltenden Stabilisierungstank aufweist, wobei mindestens eine mit der Steuereinheit (7) in Verbindung stehende Pumpe zur Bewegungssteuerung der Flüssigkeit in dem lank mit diesem verbunden ist.

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