Vorrichtung zur Überwachung kleiner Neigungen eines Gerätes gegenüber einer Bezugslinie. Zur Bestimmung der Lotrichtung von Ge räten verwendet man in der Regel Libellen, die jedoch durch kleine Temperaturunter seliiede schon relativ grosse Störungen erfah- i-en und zudem auch keinen automatischen Ausgleieh einer etwaigen Geräteneigung ge statten.
Man hat ferner zur Horizontierung auch schon Pendel- oder Peilwaagen benutzt, die gewöhnlich mit Zielmarken oder einem 1)iopt.er versehen waren; doch sind diese Pen del in der üblichen Ausführung ungenau und unempfindlich, insbesondere weil sie eine Kelineidenlag ersing bei der Pendelaufhängung verwenden, bei der die Reibungskräfte stö rend in Erscheinung treten.
Ze;-enstand der vorliegenden Erfindung ist: eine Vorrichtung zur Überwachung, das heilt zur Bestimmung oder zur selbsttätigen honipensation kleiner Neigungen eines Ge rätes gegenüber einer Bezugslinie mit Hilfe einer Pendelwaage, welche Vorrichtung da durch gekennzeichnet ist, dass die Pendelwaage einen fest mit dem Gerät verbundenen Nei- nungskörper und einen Pendelkörper auf weist, der an dem Neigungskörper mittels mehrerer flexibler Schwingen aufgehängt ist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann so ausgebildet werden, dass der Neigungs winkel des Neigungskörpers über den Dreh winkel des Pendelkörpers an einer in Nei- @,unlswinkeln geeichten Skala unmittelbar abgelesen werden kann. Die Vorrichtung kann auch zur selbst tätigen Kompensation eines optischen Gerätes gegenüber einer vorher festgelegten Visier linie ausgebildet werden.
Zu diesem Zweck sind optische Mittel an dem Neigungskörper und an dem Pendelkörper derart angebracht, dass sie im Beobachtungsstrahlengang des optischen Gerätes liegen und bei Neigung des Gerätes eine Ablenkung des Strahlenganges von einer Grösse hervorrufen, dass die durch die Geräteneigungen hervorgerufene Verlage rung der Visierlinie selbsttätig wieder rück gängig gemacht wird.
Die Erfindung kann auch überall da an gewendet werden, wo man bisher zur Fest legung der Lotrichtung Libellen oder aber einfache Peilwaagen, Pendelwaagen oder der gleichen benutzt hat.
Eine andere Art der Stabilisierung ergibt sich ferner dadurch, dass man die erfindungs gemässe Vorrichtung so ausbilden kann, dass durch Bewegung des Pendelkörpers Strom kreise eines Verstärkers beeinflusst werden, die ihrerseits über Relais oder dergleichen eine Verstellung des Gesamtgerätes hervorrufen. Das kann z. B. bei nautischen Höhenwinkel messgeräten (Sextanten) wertvoll sein.
Die Erfindung ist bei astronomischen, nau tischen und geodätischen Geräten aller Art, wie z. B. Astrolabien, Schachtlotgeräten, Ni vellierinstrumenten, Theodoliten, Sextanten und dergleichen, von besonderer Bedeutung. Die Erfindung sei im folgenden an Hand der Fig. 1 der Zeichnung näher erläutert, während in den Fig. 2 bis 8 sieben Ausfüh rungsbeispiele gezeigt sind, die nachfolgend beschrieben werden.
In Fig. 1 ist schematisch eine Pendelwaage in Form eines Gelenkviereckes dargestellt. Mit 1 ist das Standglied des Gelenkviereekes bezeichnet, das im vorliegenden Fall als Nei gungskörper dient und mit dem Gegenstand, dessen Neigung bestimmt werden soll, fest ver bunden ist. Es kann aber auch selbst unmit telbar ein Teil dieses Gegenstandes sein. Das Koppelglied 2 des Gelenkviereckes dient als Pendelkörper. Beide Körper sind miteinan der gelenkig durch hier starr ausgebildete Schwingen oder Gelenkkörper 3 und 4 ver bunden.
Am Pendelkörper ist ein Zeiger 5 befestigt, der über einer hier nicht mitdar- gestellten Skala den Winkel anzeigt, um den sich der Pendelkörper 2 bei Neigung des Standgliedes 1 dreht. Der einfachen Darstel lung wegen seien die Schwingen 3 und 4 masselos gedacht, und der Schwerpunkt S des Pendelkörpers, der natürlich nicht die in Fig.1 dargestellte Form hat, möge oberhalb der Verbindungslinie C-D liegen und z. B., wie hier gezeigt, mit der Zeigerspitze zusam menfallen.
Der Pendelkörper ist stets im Gleich gewicht, wenn das vom Schwerpunkt S des Pendelkörpers 2 gefällte Lot. durch den Schnittpunkt P (Momentanpol) der beiden Schwingen 3 und 4 oder - wie in der Figur - deren Verlängerungen geht. Schwingt. das Pendel um diese Gleichgewichts lage, dann bleibt der Pendelkörper nicht. par allel zu sich selbst, sondern erfährt eine Dre hung, deren Drehpunkt im Momentanpol P liegt.
Bezeichnet man die Gelenkpunkte des Neigungskörpers 1 mit<I>A</I> und<I>B</I> und die ent sprechenden Gelenkpunkte des Pendelkörpers \? mit C und D, so können sich diese Gelenk punkte C und D beim Schwingen unter vor läufigem Festhalten der Punkte A und B nur auf Kreisbahnen um diese Punkte bewegen. Bei kleinen Bewegsingen kann man die Kreis bahnen durch die Tangenten ersetzt denken. Demnach bewegen sich C und D je auf den Lotlinien, die in C auf 11C bzw. in D auf AD errichtet werden.
Diese L\berlegung gilt. nun für jede belie bige Lage des schwingenden Systems CDs in bezug auf das feste System < 1B (z. B. ein Fernrohr). Macht das schwingende System keine kleinen Bewegungen, sondern solche von endlieher Grösse, so wandert der Momentan pol P. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass auch der Schwerpunkt S beim Pendeln aus wandert, und zwar in gleicher Richtung.
Die Gleiehgewiehtslage ist, stabil, wenn bei kleiner Schwingungsweite der Punkt P in der Blei ehen Zeit eine grössere Strecke seitlich aus wandert als der Schwerpunkt S, das heisst die Wanderungsgesehwindigkeit des Punktes P grösser als die des Punktes S ist. In diesem Falle erzeugt nämlich der Schwerpunkt S ein Drehmoment, das das Pendel stets wieder in die Gleichgewichtslage zurückbringt. Das Gleichgewicht ist indifferent, wenn S und P in bezug auf das Lot in der Zeiteinheit um gleiche Beträge auswandern, und es ist. schliess lich labil, wenn beim Pendeln der Schwer punkt S um ein grösseres Stück als P wandert.
Im letzteren Fall kippt die ganze Anordnung um. Welches Gleichgewicht vorliegt, hängt von der Lage des Schwerpunktes S ab. Je höher dieser über den Gelenkpunkten am Pendelkörper liegt, desto mehr nähert. sieh die Anordnung dem indifferenten Gleiehgewieht und wird schliesslich labil.
Das beschriebene Pendel wird in einer sta bilen Gleichgewichtslage verwendet, welche dem Zustand des indifferenten Gleichgewich tes je nach der geforderten Genauigkeit und Empfindlichkeit mehr oder weniger stark an genähert ist.
Zur näheren Erläuterung der Wirkungs weise des Pendels als ein auf Neigungen an sprechendes Gerät. sei in Fig. 1 angenommen, dass das Standglied 1 durch Anheben des Ge lenkpunktes A und A' bei festgehaltenem Punkt B und zunächst festgehaltener Schwinge 3 geneigt wird. Dabei sind die Verhältnisse zur Verdeutlichung übertrieben gezeichnet. In der Praxis wird das dargestellte Pendel nur für wesentlich kleinere Neigungswinkel be nutzt. Bei der Neigung möge sich die stark strichlinierte Einstellung der einzelnen Ele mente des Pendels ergeben. Der Schwerpunkt S liegt nicht mehr lotrecht über dem Punkt P, der nach P' gewandert ist, sondern etwas weiter rechts, bei S'.
Er erzeugt dadurch ein Drehmoment im Uhrzeigersinne, durch das bei jetzt freier Schwinge 3 eine Pendelbewe gung hervorgerufen wird. Diese beginnt zu nächst mit einem Auswandern des Pendel körpers sowie des Schwerpunktes S' und des Punktes P' weiter nach rechts. Da die Anord nung so gebaut ist, dass stabiles Gleichgewicht herrscht, wandert, wie oben erläutert, der Punkt P' schneller als der Punkt S' und holt diesen nach einer gewissen Drehung des Pen delkörpers schliesslich ein. In dieser Stellung S" und P" liegen beide Punkte wieder lot recht übereinander. Wird die Pendelbewe- gung z.
B. durch eine Dämpfungseinrichtung aufgehalten, so bleibt das Pendel in dieser Lage, welche die neue Gleichgewichtslage ist, in Ruhe. Die Teile 2, 3, 4 und 5 nehmen dabei die dünne strichlinierte Stellung ein. Der Pendelkörper 2 hat sich gegenüber seiner Ursprungslage um einen Winkel ss geneigt, der grösser als der zu bestimmende Neigungs winkel a des Neigungskörpers ist.
Und zwar ist die Vergrösserung um so höher, je grösser das Verhältnis der Längen des Neigungs körpers 1 und des Pendelkörpers 2, und fer ner je kleiner der Unterschied in den Auswan- dertingsgeschwindigkeiten der Punkte S und I' beim Pendeln um die Gleichgewichtslage ist, da bei kleinen Unterschieden in der Wan derungsgeschwindigkeit der Punkt P eine grosse Strecke - und damit eine grosse Dre hung des Pendelkörpers - benötigt, bis er den Punkt S eingeholt hat.
Dieser Unter schied in der Wanderungsgeschwindigkeit wird uni so kleiner, je höher der Schwerpunkt S liegt, das heisst je näher die Anordnung, die sieh im stabilen Gleichgewicht befindet, an das indifferente Gleichgewicht herankommt.
Durch entsprechende Bemessung der ein zelnen Glieder des Gelenkviereckes und ge eignete Wahl der Lage des Schwerpunktes lässt sich die gewünschte Vergrösserung des Neigungswinkels des Körpers 1 am Pendel körper 2 erreichen. Damit werden an der Skala des Zeigers 5 auch noch ablesbare Aus schläge für sehr kleine Neigungswinkel a möglich. Die Skala kann unmittelbar in Win keln a geeicht sein. Die Anordnung lässt sich aber selbstverständlich auch ohne geeichte Skala verwenden, wenn sie nach Art einer Libelle lediglich zur FIorizontierung dient. Gegenüber der Libelle hat sie den Vorteil wesentlich grösserer Genauigkeit und Emp findlichkeit. Selbstverständlich lassen sich auch Vergrösserungen kleiner als Eins er halten.
Durch Anbringen von Zielmarken am Nei gungskörper wird das Pendel zu einer ein fachen, aber genauen Peilwaage.
Die Mittel, mit denen die Schwingen 3 und 4 am Neigungskörper und am Pendelkörper befestigt sind, können in jeder an sieh be kannten Form ausgebildet sein, sollen jedoch, um die Genauigkeit nicht zu beeinträchtigen, möglichst geringe Reibung besitzen. Als be sonders zweckmässig haben sich daher Mittel erwiesen, die aus einem dünnen Band oder dünnem Draht bestehen. Vorteilhaft ist es, die Schwingen überhaupt als nichtstarre Gebilde in Form von Bändern oder Drähten auszubil den. In diesem Falle besteht aber unter Um ständen die Gefahr, dass das Gelenkviereck eine Verwindung erfährt, wodurch seine Ge nauigkeit beeinträchtigt wird. Durch Ver wendung von mehr als zwei Schwingen lässt sich dieser l@Tachteil vermeiden.
In Fig. 2 ist eine solche Anordnung perspektivisch und schematisch dargestellt, und zwar sind drei Schwingenpaare zur Verbindung von Nei gungskörper 7 und Pendelkörper 8 vorge sehen. Der Pendelkörper ist mit einem Zei ger 9 versehen, der über einer am Neigungs körper 7 befestigten Skala 10 spielt. Es wer den Neigungen um eine zur Pendelebene senk rechte Achse angezeigt. In der gezeichneten Ausführungsform liegen die durch die ein zelnen Schwingenpaare gebildeten Ebenen zueinander parallel. Verwendet man z.
B. nur zwei Schwingenpaare und ordnet diese so an, dass die Ebenen dieser beiden Paare zuein ander geneigt sind, oder mit andern Worten die Schwingen die Kanten einer vierseitigen Pyramide bilden, so zeigt der Pendelkörper Neigungen um zwei zueinander senkrechte Achsen an, und die Bestimmung der Lot richtung wird dadurch in vielen Fällen er leichtert.
Die Gelenkkörper oder Gelenkbänder kön nen auch über Kreuz angeordnet sein, wie das z. B. in Fig. 3 an einem Pendel mit zwei Gelenkbänderpaaren 6 dargestellt ist. Der Schnittpunkt der Gelenkbänder, das heisst also derMomentanpol, liegt dann zwischen dem Neigungskörper 7 und dem Pendelkörper 8, und der Drehsinn des Pendelkörpers enthält das entgegengesetzte Vorzeichen wie der des Neigungskörpers. Im übrigen ist die Wir kungsweise die gleiche, wie an Hand der Fig. 1 und 2 beschrieben. Die Anordnung arbeitet auch mit nur drei Schwingen, ohne Gefahr einer Verwindung einwandfrei, indem man z.
B. in Fig. 3 die beiden parallelen, innenliegenden Schwingen durch eine einzige Schwinge ersetzt.
Fig. 4 stellt eine vorteilhafte Ausführung in Form eines Rollbandgelenk-Pendels dar, und zwar ebenfalls in der Verwendung als Neigungsanzeiger oder als Horizontierungs- gerät (Libellenersatz). Neigungs- und Pendel körper bestehen aus Rollen 11 und 12, die durch zwei Gelenkbänderpaare 13 und 14 ver bunden sind. Der Neigungskörper 11 ist mit einer zu seiner Achse senkrechten Achse 15 versehen und mit dieser am Gerät 16, dessen Neigung bestimmt oder ausgeglichen werden soll, gelagert.
Durch diese Lagerung wird erreicht, dass Neigungen des Gerätes in einer zur Schwingungsebene des Pendels senkrech ten Ebene kein Abscheren der Bänder 13 und 14 bewirken. Das Gerät zeigt dann unbeein flusst Kippungen um Achsen an, die senkrecht auf der Schwingungsebene des Pendels stehen. Am Pendelkörper 12 ist ein Zeiger 17 be festigt, der über einer am Neigungskörper angebrachten Skala 18 spielt. Die Durch messer von Neigungs- und Pendelkörper sind im vorliegenden Fall praktisch gleich gewählt, so dass die Vergrösserung des Neigungswinkels auf. Grund der Lage des Schwerpunktes des Pendelkörpers 12 erfolgt. Dieser Schwerpunkt liegt hier nämlich wegen der Anordnung des Zeigers oberhalb der Achse des Pendelkörpers 1.2.
Er verursacht bei der Neigung ein zu sätzliches Drehmoment, das dem Pendelkör per unter seitlichem Versatz desselben gegen über dem Neigungskörper einen noch grösseren Drehwinkel erteilt.
Die Lage zweier Befestigungslaschen 19 und 20 für die Gelenkbänder 13 und 14 am Umfang von Neigungs- und von Pendel körper richtet sieh danach, welcher Dreh- winkelbereieh bestrichen werden soll. Die rol lenförmigen Körper erlauben die Beherr schung auch grosser Neigungswinkel des Kör pers 11 und entsprechend grosser Auslenkungs- winkel des Pendelkörpers 12, also auch stär kere Vergrösserungen. Dabei sind die Aus lenkungswinkel des Pendelkörpers vom Nei gungswinkel des Körpers 11 linear abhängig, solange ihr Sinus gleich dem Areus gesetzt werden kann.
Auch grössere Neigungen sind noch ohne weiteres messbar, nur sind die Beziehungen dann nicht mehr linear.
Häufig ist es vorteilhaft, die Gelenkbän der so zu befestigen, dass sie in ihrem ganzen Arbeitsbereich im Gelenk freiliegen. In diesen Fällen wird man von der Rollenform des N ei- gungs- und Pendelkörpers zweckmässig ab gehen. Fig. 5 zeigt eine solche Anordnung schematisch im Schnitt, und zwar für ein Fernrohr, dessen Visierlinie sieh selbsttätig stabilisiert. Das Fernrohr 29 besitzt ein Objek tiv 27 und ein Okular 28 und kann z. B. mit Hilfe einer Dosenlibelle 26 grob justiert werden.
Die Feinjustierung und der Aus gleich von geringen Nei=gungsschwankungen erfolgt durch ein Gelenkviereek-Pendel, das im Innern des Fernrohres angeordnet ist. Es besteht aus einem an der Fernrohrwan- dung festgeschraubten Neigungskörper 49 und einem Pendelkörper 50, die miteinander durch gekreuzte Gelenkbänder 51 verbunden sind. Auch hier sind zwei Paare solcher Gelenk bänder in zueinander parallelen Ebenen vor gesehen, von denen das zweite hinter dem dargestellten liegt und hier nicht sichtbar ist. Die Befestigung der Bänder geschieht mit tels Befestigungslaschen 21 und 22, die an den Körpern 49 und 50 anschliessen, so dass die Gelenkstellen der Bänder 51 völlig frei liegen.
Am Pendelkörper ist. ein Hebelarm 24 starr befestigt, der senkrecht zu seiner Achse eine im Strahlengang liegende Strichplatte 23 trägt. Zum Ausgleich des Gewichtes der Strichplatte ist am andern Ende des Hebels 24 ein Gegengewicht 25 vorgesehen. Die An ordnung ist so justiert, dass Neigungsschwan kungen des Fernrohres innerhalb eines be stimmten kleinen Bereiches dadurch wieder ausgeglichen werden, dass die mit dem Pendel verbundene Strichplatte 23 sich innerhalb der Okularbildebene derart verschiebt, so dass die Visierlinie des Fernrohres stets in der ein restellten Lage bleibt.
Fig 6 zeigt eine andere, ähnliche Anord- nun- mit einem Fernrohr. Neigungskörper 30 und Pendelkörper 31 sind hier als Rollen auseebildet und ebenfalls wieder durch zwei Paare 1ekreuzte Gelenkbänder 32 miteinan der verbunden. Die Strichplatte 33 ist, hier fest, angeordnet, jedoch wird der Blickstrahl hinter dem Fernrohr durch die Pendelanord nung abgelenkt.
Zu diesem Zweck sind an dem starr mit. dem Fernrohr verbundenen Nei;;ungskörper ein Spiegelprisma 34 und ferner am Pendelkörper ein Spiegelprisma 3:i befestigt. Die Justierung ist wieder so ge troffen, da.ss innerhalb eines bestimmten Be reiches Neiglngsänderungen des Fernrohres ausgeglichen werden. Um das Einstellen der Visierlinie in der neuen Fernrohrlage zu be- sehleunigen, wird die Schwingung des Pen dels zweckmässig gedämpft.
Zu diesem Zweck ist ein Dämpfungszylinder 36 vorgesehen, in dem sieh ein mit dem Pendelkörper 31 ver bundener Kolben 37 bewegt. Solche und ähn liche Dänrpfungseinriehtungen sind auch bei den vorher beschriebenen Anordnungen zweck mässig.
In Fig. 7 ist ein Fernrohr dargestellt, bei dein die Gelenkbänder 38 angekreuzt am Nei- gun-skörper 39 und am Pendelkörper 40 be- festigt sind. Auch hier sind zweckmässig wie der zwei Paare von Gelenkbändern vorge sehen. Neigungs- und Pendelkörper sind wie der als Rollen oder als Teile von Rollen aus gebildet. Jeder Körper trägt ein Spiegel prisma 41 bzw. 42. Der Neigungskörper 39 ist zur Aufnahme des Prismas 41 entsprechend ausgespart.
Durch das Prisma 42 wird bei Änderung der Gleichgewichtslage des Pen dels 40 eine Ablenkung des Strahls wie bei den früheren Ausführungsbeispielen ermög licht und # dadurch eine etwaige Neigung des Fernrohres in bezug auf die gewünschte Lage wieder ausgeglichen. Ob man gekreuzte oder angekreuzte Bänder verwenden wird, richtet sich danach, welchen Auslenkungssinn man erhalten will. Das hängt wiederum häufig von der Art der optischen Anordnung, z. B. von der Zahl spiegelnden Flächen im Fernrohr usw. ab.
Die beschriebene Vorrichtung kann auch zur Stabilisierung der Ableserichtung von Mi kroskopen, z. B. zur selbsttätigen Höhenindex einstellung von Höhenwinkelmessgeräten, die nen. Fig. 8 zeigt eine solche Anordnung. Ein mit einem Höhenwinkelfernrohr 48 verbun- clener Höhenkreis 43 wird mittels eines Mi- kroskopes 44 abgelesen.
Im Mikroskop ist wie derum ein Pendel aus dem rollenförmigen Nei gungskörper 45 und dem Pendelkörper 46 und zwei Sehwingenpaaren 47 (davon nur das eine dargestellt) vorgesehen. Neigungskörper und Schwingungskörper tragen wieder Spiegel prismen; der Neigungskörper enthält wieder eine Aussparung, in der das Prisma 53 liegt. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie bei den vorbesehriebenen Anordnungen.