CH693248A5 - Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit vonProjektilen. - Google Patents

Description

  



  Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von Projektilen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 



  Zur Messung der Geschossgeschwindigkeit am Rohrende einer Kanone ist es nahe liegend, fotoelektrische Schranken zu verwenden. Fotoelektrische Bauteile der Halbleitertechnik haben gegenwärtig einen hohen Stand der Miniaturisierung und Zuverlässigkeit erreicht, sodass sie für Steuerzwecke besonders geeignet sind. Solche Bauteile erweisen sich jedoch als nachteilig im Hinblick darauf, dass sie zu empfindlich auf Schmutz sowie auf Lichteffekte sind, die sich aus dem so genannten Mündungsblitz ergeben. 



  Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von Projektilen zu schaffen, die einen solchen Nachteil nicht aufweist. 



  Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mithilfe einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. 



  Andere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben. 



  Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: 
 
   Fig. 1 eine schematische Darstellung einer am Rohrende einer Kanone montierten Vorrichtung nach einer ersten Ausführung der Erfindung, 
   Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Details einer Vorrichtung nach einer zweiten Ausführung der Erfindung, 
   Fig. 3 das Blockschaltbild eines Detektors für eine solche Vorrichtung, 
   Fig. 4 ein typisches Diagramm des Verlaufs der Ausgangsspannung eines Magnetfeldsensors in Funktion der Zeit bei einer schnellen Änderung des Magnetfeldes, 
   Fig. 5 das Blockschaltbild einer weiteren Ausführung eines solchen Detektors, 
   Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Details einer Vorrichtung nach einer dritten Ausführung der Erfindung, und 
   Fig.

   7 ein typisches Diagramm des Verlaufs der Ausgangsspannung eines Magnetfeldsensors in Funktion der Zeit bei einer schnellen Änderung des Magnetfeldes in einer anderen Ausführung der Erfindung. 
 



  Die Vorrichtung 1 nach Fig. 1 umfasst einen in etwa zylindrischen über einen stumpfkegelförmigen Anschlussteil oder eine Mündungsbremse 2 mit dem Rohrende der Kanone 3 verbundenen Messkopf 4 mit einem inneren Hohlraum 5, dessen Durchmesser grösser als der Innendurchmesser der Kanone ist. In dem einen Endbereich des Messkopfs 4 sind zwei kleine seitliche diametral-symmetrisch angeordnete Hohlräume 6, 7 vorhanden, wobei in dem einen Hohlraum 6 beispielsweise ein axial magnetisierter stabförmiger Dauermagnet 8 parallel zur Schiessrichtung und in dem anderen Hohlraum 7 ein Magnetfeldsensor 9 untergebracht ist. Der Messkopf 4 kann gitterförmig ausgebildet sein oder seitliche \ffnungen aufweisen. 



  In dem anderen Endbereich dieses Messkopfs 4 sind ebenfalls zwei kleine seitliche diametral-symmetrisch angeordnete Hohlräume 10, 11 vorhanden, wobei in dem einen (10) dieser weiteren Hohlräume beispielsweise ein zweiter axial magnetisierter stabförmiger Dauermagnet 12 parallel zur Schiessrichtung und in dem anderen Hohlraum 11 ein zweiter Magnetfeldsensor 13 untergebracht ist. Am Ende des Messkopfs 4 kann ein Abschlussteil 14 angeschlossen sein. 



  Die Hohlräume der Stabmagnete und der Magnetfeldsensoren müssen nicht unbedingt gleich dimensioniert sein, und an Stelle der Stabmagnete 8, 12 können auch elektrische Stabspulen mit oder ohne Kern verwendet werden. 



  In der Ausführung nach Fig. 2 ist mindestens in einem der Endbereiche eines Messkopfs 21 ein ringförmiger Hohlraum 22 für beispielsweise eine elektrische Flachspule 23 vorgesehen. Dieser Hohlraum weist in einem kleinen Bereich eine kleine Erweiterung 24 auf, wo ein Magnetfeldsensor 25 untergebracht ist. An Stelle der Flachspule 23 könnte ebenfalls ein Ferrit-Ringmagnet oder ein Gummi-Ferrit-Ringmagnet verwendet werden. 



  Der Detektor nach Fig. 3 umfasst nebst den zwei Magnetfeldsensoren 9 und 13 (Fig. 1) einen Zähler 30. Der Magnetfeldsensor 9 weist zwei Eingänge für eine Speisespannung Uo und zwei Ausgänge auf, die mit je einem Eingang eines Differenzialverstärkers 31 verbunden sind, dessen Ausgang über einen Trennkondensator 32 an den Eingang eines Verstärkers 33 mit einem hohen Verstärkungsfaktor angeschlossen ist. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers 33 wird gegebenenfalls über einen zusätzlichen nicht dargestellten Verstärker dem Eingang eines Nulldurchgangskomparators 34 zugeführt, der das Start-Signal für den Zähler 30 liefert.

   Der Magnetfeldsensor 13 weist ebenfalls zwei Eingänge für eine Speisespannung Uo und zwei Ausgänge auf, die mit je einem Eingang eines Differenzialverstärkers 35 verbunden sind, dessen Ausgang über einen Trennkondensator 36 an den Eingang eines Verstärkers 37 mit einem hohen Verstärkungsfaktor angeschlossen ist. Die Trennkondensatoren 32 und 36 dienen zur Kopplung der Wechselspannung und zur Entkopplung der Gleichspannung, auch DC-Offset genannt. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers 37 wird gegebenenfalls über einen zusätzlichen nicht dargestellten Verstärker dem Eingang eines Nulldurchgangskomparators 38 zugeführt, der das Stopp-Signal für den Zähler 30 liefert. Diese Nulldurchgangskomparatoren können auch als Diskriminatoren betrachtet werden. 



  Fig. 4 zeigt den typischen Verlauf der Ausgangsspannung eines Magnetfeldsensors in Funktion der Zeit bei der schnellen Änderung des Magnetfeldes, die sich ergibt, wenn ein Projektil 15 (Fig. 1) aus einem magnetisch nicht rein neutralen Material die Stelle passiert, wo sich der Magnetfeldsensor befindet. Dieser Verlauf zeigt ein negatives Maximum 41 unmittelbar gefolgt von einem positiven Maximum 42 nach Durchgang des Nullpunkts 43. In grober Vereinfachung ist dieser Verlauf einer Einzelschwingung ähnlich. Die Schaltungen 34 und 38 (Fig. 3) sind ausgestaltet, um Nulldurchgänge vom Typ 43 (Fig. 4) zu detektieren und daraufhin ein Steuersignal zu liefern, das ein logisches Signal sein kann. 



  Da es unter den modernen Verstärkern solche gibt, die einen sehr grossen Verstärkungsfaktor aufweisen, können sie auch für die Detektierung von nur sehr wenig beeinflussten Magnetfeldern dienen. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung auch dann benutzt werden kann, wenn sich die Dauermagnete oder Spulen im Allgemeinen in einem relativ grossen Abstand vom Magnetfeldsensor befinden. 



  Die Vorrichtung nach Fig. 3 funktioniert daher folgendermassen: 



  Der Zähler 30 wird mit einem Taktsignal beaufschlagt. Beim Durchflug des Projektils 15 (Fig. 1) beim ersten Magnet 8 verändern sich die Magnetfeldlinien (16) derart, dass das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 9 die Form einer Einzelschwingung der in Fig. 4 dargestellten Art aufweist. Der Komparator 34 detektiert den Nulldurchgang 43 (Fig. 4), und sein Ausgangssignal setzt den Zähler 30 in Gang. Beim Passieren desselben Projektils beim zweiten Magnet 12 verändern sich die entsprechenden Magnetfeldlinien derart, dass das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 13 ebenfalls die Form einer Einzelschwingung der in Fig. 4 dargestellten Art aufweist. Der Komparator 38 detektiert den entsprechenden Nulldurchgang (vgl. Punkt 43 in Fig. 4) und sein Ausgangssignal stoppt den Zähler 30.

   Durch das Zählergebnis kann die Zeit ermittelt werden, die das Projektil 15 braucht, um bei den zwei erwähnten Magnetfeldsensoren 9 und 13 zu passieren. Da der Abstand zwischen diesen Stellen bekannt ist, kann daraus die Geschwindigkeit des Geschosses ermittelt werden. 



  Der Detektor nach Fig. 5 umfasst nebst dem Magnetfeldsensor 9 oder 13 (Fig. 1) oder 25 (Fig. 2) einen Zähler 50. Die zwei Ausgänge beispielsweise des Magnetfeldsensors 25 sind jetzt mit je einem Eingang eines Differenzialverstärkers 51 verbunden, dessen Ausgang über einen Trennkondensator 52 an den Eingang eines Verstärkers 53 mit einem hohen Verstärkungsfaktor angeschlossen ist. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers 53 wird gegebenenfalls über einen zusätzlichen nicht dargestellten Verstärker dem Eingang eines negativen Spitzenspannungsdiskriminators 54 zugeführt, der das Start-Signal für den Zähler 50 liefert. Das Ausgangssignal des Verstärkers 53 wird auch, gegebenenfalls über einen Verstärker, dem Eingang eines positiven Spitzenspannungsdiskriminators 55 zugeführt, der das Stopp-Signal für den Zähler 50 liefert. 



  Die Vorrichtung nach Fig. 5 funktioniert daher folgendermassen: 



  Der Zähler 50 wird mit einem Taktsignal beaufschlagt. Beim Durchflug eines Projektils 26 (Fig. 2) beim Magnetfeldsensor 25 verändern sich die Magnetfeldlinien (27) derart, dass sein Ausgangssignal die Form einer Einzelschwingung der in Fig. 4 dargestellten Art aufweist. Der Diskriminator 54 delektiert eine negative Spitzenspannung, die dem Punkt 41 in Fig. 4 entspricht, und der Zähler 50 startet. Etwas später detektiert der Diskriminator 55 eine positive Spitzenspannung, die dem Punkt 42 in Fig. 4 entspricht, und der Zähler 50 wird gestoppt. Die Zeitspanne zwischen dem Minimum 41 und dem Maximum 42 dient in diesem Fall als Funktion oder Mass einer Änderung des Magnetfeldes beim Passieren eines Projektils 26 (Fig. 2). Dadurch kann die Zeit ermittelt werden, die das Projektil braucht, um eine vorbestimmte Strecke zu passieren.

   Dies setzt jedoch voraus, dass die Beeinflussung des Magnetfeldes durch ein durchfliegendes Projektil bekannt und für alle Projektile gleich ist. 



  Bei Verwendung von Verstärkern mit einem sehr grossen Verstärkungsfaktor kann sogar der Erd magnetismus als Ersatz für die erwähnten Magnete oder Spulen dienen, die dann entfallen oder als Vormagnetisierungselemente eingesetzt werden können. Die Vormagnetisierungselemente können allerdings relativ klein sein, wenn sie bei Verwendung des Erdmagnetismus nur dazu eingesetzt werden, damit die Magnetfeldsensoren auf Grund von Streufeldern nicht kippen. Der Vorteil des mit Erdmagnetismus arbeitenden Verfahrens ergibt sich insbesondere daraus, dass dann der zylindrische Messkopf nicht unbedingt notwendig ist, falls der Sensor oder die Sensoren an der Mündungsbremse angeordnet werden können. 



  Da die Magnetfeldsensoren derart im Einflussbereich des Grundmagnetfeldes angeordnet sind, dass die erfassten Magnetfeldlinien vom durchfliegenden Geschoss beeinflusst werden, ergibt sich auch dann ein schwaches, jedoch brauchbares Signal, wenn die Geschosse aus diamagnetischen Metallen bestehen. 



  Die Detektoren 54 und 55 können beispielsweise einen Kondensator sowie eine Diode und gegebenenfalls einen Spannungsbegrenzer, beispielsweise eine Zener-Diode, aufweisen, wobei die Dioden in beiden Detektoren umgekehrt polarisiert sind. 



  Bei der Ausführung nach Fig. 6 sind zwei Magnetfeldsensoren 61, 62 im Anschlussteil 60 angeordnet, der auch Mündungsbremse genannt wird. Die Sensoren 61, 62 sind mit einem eingebauten Magnet versehen und sehr nahe am Geschoss 63 angeordnet. 



  Fig. 7 zeigt ein typisches Diagramm des Verlaufs der Ausgangsspannung eines Magnetfeldsensors in Funktion der Zeit bei einer schnellen Änderung des Magnetfeldes im Fall, dass sich der Magnetfeldsensor in einer mittigen Ebene zwischen den zwei Magneten befindet, wobei dann vorzugsweise die Magnete quer zur Schiessrichtung und mit umgekehrter Magnetisierung angeordnet sind. Bezug nehmend auf Fig. 1 könnte ein solcher Magnetfeldsensor in einem mittleren Bereich zwischen den Magnetfeldsensoren 9 und 13 angeordnet sein. Bei einer solchen Anordnung kann ebenfalls eine Schaltung nach Fig. 5 verwendet werden, wobei dann die Diskriminatoren 54 und 55 vorzugsweise, wie auch im allgemeinen Fall, Nulldurchgangskomparatoren sein können, die fähig sind, beispielsweise die Punkte 71 und 72 (Fig. 7) zu detektieren, die die Endpunkte einer brauchbaren Einzelschwingung darstellen. 



  Bei einer solchen Variante der erfindungsgemässen Vorrichtung kann daher ein Detektor vorgesehen sein, der nebst dem mindestens einen Magnetfeldsensor 25 einen Differenzialverstärker 51, einen Trennkondensator 52, einen Verstärker 53 und zwei einfache an einen Zeitmesser 50 angeschlossene Diskriminatoren 54, 55 umfasst. 



  Die Magnetfeldsensoren sind vorzugsweise handelsübliche Elemente von differenzial-magnetoresistivem Typ, gegebenenfalls mit eingebautem Magnet, der zur Vormagnetisierung und/oder als Erzeuger des Grundmagnetfelds dient. Die Zähler können vorzugswei se für einen Takt im Bereich von 1 bis 400 MHz vorgesehen sein. Die Zähler können jedoch auch durch analoge oder digitale Zeitmesser ersetzt werden. 



  Die Trennkondensatoren 32, 36 (Fig. 3) und 52 (Fig. 5) sind nur als Beispiele von Mitteln zu verstehen, die für die Funktion einer AC-Kopplung zur Eliminierung des DC-Offset vorgesehen sein können. 



  Für die Start- und Stoppbefehle der Zähler oder Zeitmesser 30 bzw. 50 können die Diskriminatoren auch andere beliebig gewählte Punkte einer Einzelschwingung nach Fig. 4 oder einer erweiterten Einzelschwingung nach Fig. 7 als charakteristisch verwenden, die beispielsweise durch bestimmte Schwellenhöhen definiert sein können.

   Die Schaltungen 34 und/oder 38 bzw. 54 und/oder 55 könnten somit im Allgemeinen durch einen Schwellwert-Diskriminator ersetzt werden, derart, dass ein Detektor vorgesehen ist, der nebst dem mindestens einen Magnetfeldsensor 25 einen an einen Zeitmesser 30 oder 50 angeschlossenen Schwellwert-Diskriminator 34 und 38 oder 54 und 55 umfasst, der den Verlauf eines jeweiligen Magnetfeldsensorsignals überprüft und beim Erreichen eines ersten Schwellwerts ein Startsignal und beim Erreichen eines zweiten Schwellwerts ein Stoppsignal für den Zeitmesser 30 oder 50 liefert. Diese Schwellenwerte können beliebig ausgewählten Punkten vor oder nach den Punkten 41 oder 71 bzw. vor oder nach den Punkten 42 oder 72 entsprechen (vgl. Fig. 4 und 7). 



  Schliesslich sei noch erwähnt, dass in all diesen Ausführungen der Messkopf und/oder der Anschlussteil die typischen an sich bekannten \ffnungen 64 (Fig. 6) einer so genannten Mündungsbremse aufweisen können. 



  Die oben dargelegten Ausführungsbeispiele sind lediglich als Veranschaulichung der Möglichkeiten einer solchen Vorrichtung zu verstehen, die auch in anderen Varianten realisierbar ist. Andere sich für Fachleute sofort daraus ergebende Ausführungen beinhalten daher auch die Grundgedanken der Erfindung.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von Projektilen am Ausgang einer Waffe, dadurch gekennzeichnet, dass sie an der Waffe einsetzbar ist und mindestens einen Magnetfeldsensor umfasst, der sich im Einflussbereich eines Grundmagnetfeldes befindet, und dass das Ausgangssignal dieses Magnetfeldsensors zur Messung einer Zeitspanne benutzt wird, während der das Projektil eine vorbestimmte Strecke durchläuft.

2.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen über einen Anschlussteil (2) mit dem Ausgang der Waffe (3) verbindbaren Messkopf (4) mit einem Hohlraum (5) umfasst, dessen Durchmesser grösser als der Innendurchmesser des Laufs der Waffe ist, dass das Grundmagnetfeld mindestens teilweise durch einen Magnet (8; 12) oder eine elektromagnetische Spule (23) erzeugt wird, dass die Vorrichtung einen Magnetfeldsensor (9; 13; 25) in einem Bereich umfasst, in dem die magnetischen Linien des Grundmagnetfeldes beim Durchflug des Projektils beeinflusst werden, und dass das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors (9; 13; 25) zur Bestimmung der Zeitspanne benutzt wird, während der das Projektil (15) eine vorbestimmte Strecke durchläuft.

3.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich des Messkopfs (4) zwei Hohlräume (6, 7 oder 10, 11) vorhanden sind, wobei in dem einen Hohlraum (6 oder 10) ein Dauermagnet (8 oder 12) oder eine elektrische Spule und in dem anderen Hohlraum (7 oder 11) ein Magnetfeldsensor (9 oder 13) untergebracht ist.

4.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem einen Endbereich des Messkopfs (4) zwei Hohlräume (6, 7) vorhanden sind, wobei in dem einen Hohlraum (6) ein Dauermagnet (8) oder eine elektrische Spule und in dem anderen Hohlraum (7) ein Magnetfeldsensor (9) untergebracht ist, und dass in dem anderen Endbereich dieses Messkopfs (4) ebenfalls zwei Hohlräume (10, 11) vorhanden sind, wobei in dem einen (10) dieser weiteren Hohlräume ein zweiter Dauermagnet (12) oder eine elektrische Spule und in dem anderen Hohlraum (11) ein zweiter Magnetfeldsensor (13) untergebracht ist.

5.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich des Messkopfs (21) ein ringförmiger Hohlraum (22) für eine elektrische Flachspule (23) oder einen Ringmagnet vorhanden ist, und dass dieser Hohlraum eine Erweiterung (24) aufweist, wo ein Magnetfeldsensor (25) untergebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei solche Flachspulen oder Ringmagnete und zwei Magnetfeldsensoren vorhanden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmagnetfeld das Erdmagnetfeld ist.

8.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor vorgesehen ist, der nebst dem mindestens einen Magnetfeldsensor (9, 13; 25) einen an einen Zeitmesser (30; 50) angeschlossenen Schwellwert-Diskriminator (34, 38; 54, 55) umfasst, der den Verlauf eines jeweiligen Magnetfeldsensorsignals überprüft und beim Erreichen eines ersten Schwellwerts ein Startsignal und beim Erreichen eines zweiten Schwellwerts ein Stoppsignal für den Zeitmesser (30; 50) liefert.

9.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor vorgesehen ist, der zwei Magnetfeldsensoren (9, 13) umfasst, die jeweils über die Reihenschaltung eines Differenzialverstärkers (31; 35), einer AC-Kopplung (32; 36) und eines Verstärkers (33; 37) an je einen Diskriminator (34; 38) angeschlossen sind, und dass der eine Diskriminator (34) das Start-Signal für einen Zeitmesser (30) und der andere Diskriminator (38) das Stopp-Signal für diesen Zeitmesser (30) liefert.

10.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei derart ausgebildete Magnetfeldsensoren (9, 13) vorgesehen sind, dass sie je ein Ausgangssignal zumindest angenähert in Form einer Einzelschwingung liefern, wobei zwei Schwellwert-Diskriminatoren (34, 38) vorhanden sind, um die Geschwindigkeitsmessung in Funktion der Zeitdauer zwischen zwei von ihnen angegebenen Schwellwerten durchzuführen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein derart ausgebildeter Magnetfeldsensor (25) vorgesehen ist, dass er ein Ausgangssignal liefert, das teilweise zumindest angenähert die Form einer Einzelschwingung aufweist, wobei zwei Diskriminatoren (54, 55) vorhanden sind, um den Geschwindigkeitswert in Funktion der Zeitdauer zwischen zwei Punkten (41 und 42 oder 71 und 72) dieser Einzelschwingung zu gewinnen.

12.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmagnetfeld mindestens teilweise durch wenigstens einen Magnet erzeugt wird, der in einem Magnetfeldsensor (61, 62) eingebaut ist.