CH651924A5

CH651924A5 - ARRANGEMENT FOR DAMPING A SUSPENSION.

Info

Publication number: CH651924A5
Application number: CH345481A
Authority: CH
Inventors: Wieland Feist; Thomas Marold
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1980-08-01
Filing date: 1981-05-26
Publication date: 1985-10-15
Also published as: JPS5946328B2; DE3116359A1; DD152622A1; JPS5734405A; DE3116359C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Dämpfen eines mindestens in einer Ebene schwingenden Pendels gemäss dem Oberteil des Patentanspruches 1. Ein solches Pendel dient in geodätischen Geräten zur Bestimmung kleiner Neigungen oder der Lotrichtung, zur Kompensation des Einflusses kleiner Neigungen auf die Ziellinie. Dabei ist das Pendel an einer Basis gelagert und nimmt beim Verändern der Basisneigung eine neue Gleichgewichtslage ein. Zur Erhöhung der Messruhe des Pendels in der jeweiligen Gleichgewichtslage sind mindestens ein Positionsdetektor, eine Steuerschaltung und ein elektrodynamischer Antrieb vorgesehen. Der elektrodynamische Antrieb wird durch vom Positionsdetektor abgegebene Signale über die Steuerschaltung in Abhängigkeit von der Messunruhe des Pendels erregt. The invention relates to an arrangement for damping a pendulum which vibrates at least in one plane. According to the upper part of claim 1, such a pendulum is used in geodetic devices for determining small inclinations or the perpendicular direction, to compensate for the influence of small inclinations on the finish line. The pendulum is mounted on a base and assumes a new equilibrium position when changing the base inclination. At least one position detector, a control circuit and an electrodynamic drive are provided to increase the measuring stability of the pendulum in the respective equilibrium position. The electrodynamic drive is excited by signals emitted by the position detector via the control circuit as a function of the uneven measurement of the pendulum.

Es sind Pendel mit geschwindigkeitsproportionalen Luft- und/ oder Wirbelstromdämpfungen bekannt. Diese Dämpfungen sind dann optimal, wenn die Eigenschwingungen der Pendel gerade aperiodisch abklingen. Eine geringere Dämpfung bzw. eine stärkere Dämpfung verlängern die zur Beruhigung jedes Pendels und damit die zur Messung erforderliche Zeit, da die Messung erst nach dem Abklingen der Eigenschwingungen bzw. des allmählichen Hineingleitens des Pendels in die jeweilige Gleichgewichtslage möglich ist. Beim praktischen Gebrauch eines derartigen Pendels treten ausser einmaligen, zu Eigenschwingungen anregenden Stössen auch ständige Erregungen auf. Die dadurch erzwungenen Pendelschwingungen erreichen je nach den äusseren Ursachen beträchtliche, die Messung beeinträchtigende Amplituden, die zu Messfehlern oder zu unbrauchbaren Messungsergebnissen führen. Durch die bekannten Dämpfungen können diese störenden Pendelschwingungen nicht beseitigt werden. Weiterhin ist es bekannt, einen nordsuchenden Kreisel mit einer Inertialdämpfung zu versehen, die aus einer in einem pendelnd aufgehängten Kreiselpendelgehäuse aufgehängten Dämpfungsmasse besteht. An der Dämpfungsmasse sind Stabmagnete und am Pendelgehäuse sind den Stabmagneten zugeordnete Spulen befestigt. Die Stabmagnete und die Spulen bilden elektrodynamische Antriebe, die durch von einem Positionsdetektor abgegebene Signale über eine Steuerschaltung so angesteuert werden, dass sie dem Einfluss der Messunruhe auf den Kreisel entgegenwirken. Dabei ist davon auszugehen, dass infolge von Pendelbewegungen, die dem Gehäuse von aussen aufgezwungen werden, die Relativbewegung zwischen dem Gehäuse und der Dämpfungsmasse immer nur um eine Mittellage stattfinden wird. Ausserdem stellt die Dämpfungsmasse eine zusätzliche Masse zum Kreiselpendel dar, für die besondere Lagerungsmittel notwendig sind. Darüber hinaus bedarf die Pendulums with air and / or eddy current damping proportional to speed are known. This damping is optimal when the natural oscillations of the pendulums just decay aperiodically. A lower damping or a stronger damping lengthens the time required to calm each pendulum and thus the time required for the measurement, since the measurement is only possible after the natural oscillations have subsided or the pendulum has gradually slid into the respective equilibrium position. In practical use of such a pendulum, in addition to one-time impulses that stimulate natural vibrations, constant excitations also occur. Depending on the external causes, the pendulum vibrations thus forced reach considerable amplitudes that impair measurement, which lead to measurement errors or unusable measurement results. These disturbing oscillations of the pendulum cannot be eliminated by the known damping. Furthermore, it is known to provide a north-seeking gyro with inertial damping, which consists of a damping mass suspended in a pendulum housing suspended in a pendulum. Bar magnets are attached to the damping mass and coils assigned to the bar magnets are attached to the pendulum housing. The bar magnets and the coils form electrodynamic drives which are controlled by signals emitted by a position detector via a control circuit in such a way that they counteract the influence of the measurement unsteadiness on the gyro. It can be assumed that as a result of pendulum movements that are forced on the housing from the outside, the relative movement between the housing and the damping mass will only ever take place around a central position. In addition, the damping mass represents an additional mass to the gyroscopic pendulum, for which special storage means are necessary. In addition, the

Kreiseldämpfung spezieller und komplizierter elektronischer Regler. Gyro damping of special and complicated electronic controllers.

Schliesslich ist ein Pendel bekannt, dessen Neigung mit Hilfe einer mit der Pendelschwenkachse zusammenwirkenden Dreh-5 spule der Neigung des Gerätes gleich gemacht wird. Bei Neigungsänderungen des Gerätes wird also das Pendel im gleichen Masse gedreht bis der Steuerstrom der Drehspule einen bestimmten neigungsabhängigen Wert erreicht hat. Ein Fotoempfängersystem erfasst ständig die Abweichungen des Pendels 10 von der Gerätelage und steuert das Pendel mit Hilfe der Drehspule nach. Es ist auch möglich, die Abweichungen an einem Zeigerinstrument anzuzeigen. In jedem Fall wird die Neigung des Gerätes fotoelektrisch erfasst; eine Dämpfung erfolgt nicht. Finally, a pendulum is known, the inclination of which is made equal to the inclination of the device by means of a rotating coil which interacts with the pendulum pivot axis. When the inclination of the device changes, the pendulum is rotated to the same extent until the control current of the moving coil has reached a certain inclination-dependent value. A photo receiver system continuously records the deviations of the pendulum 10 from the device position and adjusts the pendulum with the help of the moving coil. It is also possible to display the deviations on a pointer instrument. In any case, the inclination of the device is recorded photoelectrically; there is no damping.

15 Durch die Erfindung sollen die durch äussere Einflüsse bedingte Messunruhe von Kompensationspendeln in geodätischen Geräten und die durch sie bedingten Messfehler mit einfachen und wenig aufwendigen Mitteln wesentlich verringert werden. 15 The invention is intended to substantially reduce the uneven measurement of compensation pendulums in geodetic devices caused by external influences and the measurement errors caused by them with simple and inexpensive means.

20 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Dämpfungsanordnung eines Kompensatorpendels so zu gestalten, dass sie unabhängig von der jeweiligen Gleichgewichtslage die mit fotoelektrischen Mitteln erfasste Messunruhe auszuschalten gestattet, obwohl die Abweichungen eines geodätischen Gerätes 25 aus der horizontalen bzw. vertikalen Vorzugsrichtung keine symmetrische Lage des Pendels zu den fotoelektrischen Mitteln ermöglicht. 20 The invention is therefore based on the object of designing the damping arrangement of a compensator pendulum in such a way that, regardless of the respective equilibrium position, it allows the measurement unrest measured with photoelectric means to be switched off, although the deviations of a geodetic device 25 from the horizontal or vertical preferred direction are not a symmetrical position of the pendulum to the photoelectric means.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Steuerschaltung ein Schaltungsmittel zum Aussondern 30 und Unterdrücken des Gleichspannungsanteils aus den vom Positionsdetektor erhaltenen Signalen enthält. Weist der Positionsdetektor einen Differenzfotoempfänger auf, so muss innerhalb des Wirkungsbereiches des Kompensationspendels das Pendel beim Schwingen alle Fotoempfänger beeinflussen. Aus der 35 unterschiedlichen Beeinflussung der einzelnen Fotoempfänger ergeben sich Grösse und Richtung für das Wirksamwerden der Steuerschaltung und des elektrodynamischen Antriebs. Jeder elektrodynamische Antrieb besteht aus einem Magnet, vorzugsweise einem Permanentmagnet, der vorteilhafterweise am Pen-40 del befestigt ist, und einer Luftspule, die dem Permanentmagnet gegenüberliegend, an der Basis befestigt ist. Die Steuerschaltung enthält zumindest einen Verstärker, der gleichspannungsfrei, vorteilhaft mittels eines Kondensators, an die Luftspule angekoppelt ist. Dadurch wird eine Beeinflussung des Pendelnull-45 punktes (der senkrechten Pendelstellung bei geneigter Basis) ausgeschlossen. Das im Positionsdetektor erzeugte, der jeweiligen Pendelauslenkung proportionale Signal gelangt nach Verstärkung zur Luftspule und erregt in ihr eine Spannung, die den am Pendel befindlichen Permanentmagnet abstösst bzw. anzieht 50 und damit der augenblicklichen Pendelauslenkung entgegenwirkt. Am günstigsten sind jeder Schwingungsebene des Pendels zwei elektrodynamische Antriebe zugeordnet. Für jedes Paar solcher Antriebe sind zwei Steuerschaltungen vorhanden. Da die Pendelregelung an Resonanzstellen des Pendels und des Pendel-55 körpers wegen der dann veränderten Phasenverhältnisse zwischen Erregung und Schwingung zur Eigenerregung neigt, kann zusätzlich eine geschwindigkeitsproportionale Dämpfung (Luftoder Flüssigkeitsdämpfung) vorgesehen sein. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines dem Pendel nachgebil-60 deten Reglers, der jedoch sehr aufwendig und wenig funktionssicher ist. Ein extrem langsames Erreichen der neuen Gleichgewichtslage des Kompensatorpendels, beispielsweise nach der Vorhorizontierung eines zugehörigen geodätischen Gerätes, wird dadurch vermieden, dass der elektrodynamische Antrieb 65 erst zur Messung einschaltbar ist. Dies geschieht vorteilhaft mit einem von Hand oder automatisch bedienbaren Schalter. According to the invention, this object is achieved in that the control circuit contains circuit means for separating and suppressing the DC voltage component from the signals received by the position detector. If the position detector has a differential photo receiver, then the pendulum must affect all photo receivers when swinging within the effective range of the compensation pendulum. The 35 different influences on the individual photo receivers result in size and direction for the control circuit and the electrodynamic drive to take effect. Each electrodynamic drive consists of a magnet, preferably a permanent magnet, which is advantageously attached to the Pen-40 del, and an air coil, which is attached to the base opposite the permanent magnet. The control circuit contains at least one amplifier, which is coupled to the air coil without DC voltage, advantageously by means of a capacitor. This prevents the pendulum zero point (the vertical pendulum position with an inclined base) from being influenced. The signal generated in the position detector and proportional to the respective pendulum deflection reaches the air coil after amplification and excites in it a voltage which repels or attracts the permanent magnet located on the pendulum 50 and thus counteracts the instantaneous pendulum deflection. It is best to assign two electrodynamic drives to each vibration level of the pendulum. There are two control circuits for each pair of such drives. Since the pendulum control tends to self-excitation at resonance points of the pendulum and the pendulum body because of the then changed phase relationships between excitation and vibration, additional damping proportional to the speed (air or liquid damping) can be provided. Another possibility is to use a controller modeled after the pendulum, which is, however, very complex and not very reliable. An extremely slow reaching of the new equilibrium position of the compensator pendulum, for example after the prehorizing of an associated geodetic device, is avoided in that the electrodynamic drive 65 can only be switched on for the measurement. This is advantageously done with a switch that can be operated manually or automatically.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained below with reference to the schematic drawing. Show it:

Fig. 1 den Längsschnitt eines Kompensatorpendels; 1 shows the longitudinal section of a compensator pendulum.

Fig. 2 eine erste Steuerschaltung und Fig. 2 shows a first control circuit and

Fig. 3 eine zweite Steuerschaltung. Fig. 3 shows a second control circuit.

In Fig. 1 ist ein Pendel 1 mit Hilfe eines Kreuzfedergelenks 2 an einer Basis 3 aufgehängt. Am Pendel 1 können nicht dargestellte optische Elemente zur Ziellinienregelung vorgesehen sein. Ein Kolben 4 ist am Pendel 1 befestigt und bewegt sich in einem Zylinder 5 einer Luftdämpfung. Am Pendel 1 ist in der Nähe des Kreuzfedergelenks 2 ein Spiegel 6 angeordnet, der sich in einem durch einen Spalt 7 und eine Linse 8 gebildeten, durch seinen Achsstrahl 9 gekennzeichneten, von einer Lichtquelle 10 ausgehenden Strahlenbündel befindet. Vom Spiegel 6 wird das Strahlenbündel auf einen Differenzfotoempfänger 11,12 gelenkt. Der Querschnitt des Strahlenbündels und die Grösse des Differenzfotoempfängers 11,12 sind so zu bemessen, dass innerhalb des Wirkungsbereichs des Kompensatorpendels 1 stets auf beide Elemente 11,12 des Differenzempfängers Licht fällt. Jedoch erhalten in der Regel nicht beide Elemente 11,12 gleich viel Licht. Die Anordnung ist so gewählt, dass das Differenzsignal der Elemente 11,12 im Wirkungsbereich des Kompensatorpendels seinen Ausschlag aus der Nullage im wesentlichen proportional ist. Am Pendel 1 sind diametral liegende Permanentmagnete 13,14 befestigt, denen mit der Basis 3 verbundene Luftspulen 15, 16 zugeordnet sind. Entsprechend der Pendelbewegung werden die Spulen 15,16 von einem Strom so durchflössen, dass die Spule (z. B. 15), auf die sich das Pendel 1 zubewegt, den zugehörigen Magneten (z. B. 13) abstösst, während die Spule 16 den Magneten 14 anzieht. Schlägt das Pendel 1 nach der anderen Seite aus, so erfolgt eine Umpolung des Stroms bzw. der Spannung. In Fig. 1, a pendulum 1 is suspended from a base 3 by means of a cross spring joint 2. Optical elements (not shown) for aiming line control can be provided on pendulum 1. A piston 4 is attached to the pendulum 1 and moves in a cylinder 5 of an air damper. A mirror 6 is arranged on the pendulum 1 in the vicinity of the cross spring joint 2 and is located in a beam of rays emanating from a light source 10 and formed by a gap 7 and a lens 8 and characterized by its axis beam 9. The beam of rays is directed from the mirror 6 onto a differential photo receiver 11, 12. The cross-section of the beam and the size of the differential photo receiver 11, 12 are to be dimensioned such that light always falls on both elements 11, 12 of the differential receiver within the effective range of the compensator pendulum 1. However, usually both elements 11, 12 do not receive the same amount of light. The arrangement is selected such that the difference signal of the elements 11, 12 in the effective range of the compensator pendulum is essentially proportional to its deflection from the zero position. On pendulum 1, diametrically located permanent magnets 13, 14 are attached, with which air coils 15, 16 connected to base 3 are assigned. Corresponding to the pendulum movement, a current flows through the coils 15, 16 in such a way that the coil (e.g. 15) toward which the pendulum 1 is moving repels the associated magnet (e.g. 13) while the coil 16 attracts the magnet 14. If the pendulum 1 deflects to the other side, the current or voltage is reversed.

Fig. 2 stellt eine mögliche Steuerschaltung für den elektrodynamischen Antrieb dar. Mit 11,12 sind wieder die in Differenz geschalteten Fotoelemente bezeichnet, die über Widerstände 17, 18 an einen Differenzverstärker 19 angeschlossen sind. Ein Gegenkopplungswiderstand 20 dient in bekannter Weise zum Einstellen der erforderlichen Verstärkung. Die Luftspulen 15,16 sind über einen Kondensator 21 an den Ausgang des Differenzverstärkers 19 angeschlossen. Ein Schalter 22 dient zum Ein- und Ausschalten des elektrodynamischen Antriebs. Der Kondensator 21 verhindert, dass der Gleichspannungsanteil am Signal des Verstärkers 19, der die Information über die Gleichgewichtslage des Pendels 1 (Fig. 1) darstellt, auf die Spulen 15,16 gelangt und ermöglicht somit die Einstellung des Kompensatorpendels 1 in eine neue Gleichgewichtslage. Nur die im wesentlichen von der Pendelunruhe herrührenden Wechselspannungsanteile der von FIG. 2 shows a possible control circuit for the electrodynamic drive. 11, 12 again denote the photo-elements which are connected in different and are connected to a differential amplifier 19 via resistors 17, 18. A negative feedback resistor 20 is used in a known manner to set the required gain. The air coils 15, 16 are connected via a capacitor 21 to the output of the differential amplifier 19. A switch 22 is used to switch the electrodynamic drive on and off. The capacitor 21 prevents the DC voltage component in the signal from the amplifier 19, which represents the information about the equilibrium position of the pendulum 1 (FIG. 1), from reaching the coils 15, 16 and thus enables the compensator pendulum 1 to be set to a new equilibrium position. Only the alternating voltage components, which essentially result from the oscillation of the pendulum, of

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dem Differenzfotoempfänger 11,12 ausgehenden Signale werden in den Luftspulen 15,16 wirksam. Signals going out from the differential photo receiver 11, 12 become effective in the air coils 15, 16.

In Fig. 3 sind wieder die in Differenz geschalteten Fotoelemente 11,12 der Differenzverstärker 19 mit dem Gegenkopplungswiderstand 20, der Kondensator 21, die Spulen 15,16 und der Schalter 22 dargestellt. Der Differenzverstärker 19 ist wie in Fig. 2 beschaltet und über einen Kondensator 23 mit dem nichtinvertierenden (+) Eingang eines zweiten Differenzverstärkers 24 verbunden. Dieser Eingang ist über einen Widerstand 25 an Massepotential gelegt. Das Gegenkopplungsnetzwerk besteht aus Widerständen 26,27 und einem Kondensator 28, der die Gleichspannungsverstärkung des Verstärkers 24 auf Eins herabsetzt. Der Kondensator 23 trennt den Gleichspannungsanteil im Signal des Differenzfotoempfängers 11,12, dervon der Gleichgewichtslage des Pendèls 1 (Fig. 1) herrührt vom Wechselspannungsanteil und hält ihn von den Spulen 15,16 zurück. Diese Wirkungsweise hat den weiteren Vorteil, dass eine mögliche Übersättigung des Verstärkers 24 durch eine Dehorizontierung des Pendels 1 verhindert wird, weil das Gleichspannungssignal bereits abgetrennt wird, bevor die erforderliche Gesamtverstärkung erreicht wird. In Fig. 3, the differentially connected photo elements 11, 12 of the differential amplifier 19 with the negative feedback resistor 20, the capacitor 21, the coils 15, 16 and the switch 22 are shown. The differential amplifier 19 is connected as in FIG. 2 and connected via a capacitor 23 to the non-inverting (+) input of a second differential amplifier 24. This input is connected to ground potential via a resistor 25. The negative feedback network consists of resistors 26, 27 and a capacitor 28 which reduces the DC gain of amplifier 24 to one. The capacitor 23 separates the DC voltage component in the signal from the differential photo receiver 11, 12, which results from the equilibrium position of the pendulum 1 (FIG. 1) from the AC voltage component and holds it back from the coils 15, 16. This mode of operation has the further advantage that a possible over-saturation of the amplifier 24 is prevented by a dehorizing of the pendulum 1, because the DC voltage signal is already separated before the required overall amplification is achieved.

Bei der Steuerschaltung gemäss Fig. 3 kann der Kondenstor 21 entfallen, wenn durch andere schaltungstechnische Massnahmen, beispielsweise durch off-set-Spannungskompensation, gesichert ist, dass der Verstärker 24 keine Restgleichspannung an seinem Ausgang hat. In the control circuit according to FIG. 3, the capacitor 21 can be omitted if it is ensured by other circuitry measures, for example by offset voltage compensation, that the amplifier 24 has no residual DC voltage at its output.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann für die Messung der Pendellage anstelle des Differenzfotoempfängers ein kapazitiver, induktiver o. ä. Geber verwendet werden. Die Steuerschaltung ist entsprechend dem Geber und dem erforderlichen Arbeitsbereich veränderbar; es muss nur ein gleichspannungsfreies Ausgangssignal zur Umpolung des/der elektrodynamischen Antriebe und proportional der Pendelauslenkung aus der Nullage erzeugt werden. Die Polung der Magnete 13,14 zueinander kann beliebig sein, es ist nur die Polung jedes Magnetes zu der ihm zugeordneten Luftspule entscheidend. Somit kann auch ein gemeinsamer Magnet für zwei Spulen oder eine gemeinsame Spule für zwei Magnete einer Schwingungsebene vorgesehen sein. Die Spulen können auch mit einem nicht ferromagnetischen Kern versehen sein. Die Spulen können auch am Pendel und die Magnete an der B asis befestigt sein. Für die Anzahl der Magnete und Spulen ist die Anzahl der Schwingungsrichtungen massgeblich. Für jede Schwingungsrichtung muss mindestens eine Spule mit einem Magnet und einer Steuerschaltung vorgesehen sein. The invention is not restricted to the above exemplary embodiments. A capacitive, inductive or similar encoder can be used to measure the pendulum position instead of the differential photo receiver. The control circuit can be changed according to the encoder and the required work area; it is only necessary to generate a DC voltage-free output signal for reversing the polarity of the electrodynamic drives and proportional to the pendulum deflection from the zero position. The polarity of the magnets 13, 14 with respect to one another can be arbitrary; only the polarity of each magnet with respect to the air coil assigned to it is decisive. A common magnet for two coils or a common coil for two magnets of one vibration level can thus also be provided. The coils can also be provided with a non-ferromagnetic core. The coils can also be attached to the pendulum and the magnets to the base. The number of directions of vibration is decisive for the number of magnets and coils. At least one coil with a magnet and a control circuit must be provided for each direction of vibration.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

M M

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

651 924 PATENT CLAIMS

1. Arrangement for damping a pendulum (1) vibrating at least in one plane, which is mounted on a base (3) and assumes a new equilibrium position when the base inclination is changed, with the measurement balance of the pendulum (1) being increased in the respective equilibrium position a position detector (11, 12), a control circuit and an electrodynamic drive (13, 15, 14, 16) are provided, and the electrodynamic drive (13, 15, 14, 16) is provided by signals from the position detector (11, 12) via the control circuit is excited as a function of the uneven measurement of the pendulum (1), characterized in that the control circuit contains a switching means (21) for separating out the DC voltage component from the signals received by the position detector (11, 12).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the circuit means (21) is at least one capacitor.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the control circuit contains a switch (22).