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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Ermittlung einer aktuellen Richtung einer am Sensor aktuell wirkenden Beschleunigungskraft, insbesondere der Schwerkraft als Beschleunigungskraft.
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Aus der
DE 10 2011 106 986 B3 ist ein Sensor bekannt zur Ermittlung einer Orientierung eines Sensorgehäuses in einem auf den Sensor einwirkenden Schwerefeld. Der Sensor umfasst das Sensorgehäuse mit einem Gehäuseinnenraum in Form einer Kugel, eine innerhalb des Gehäuseinnenraums bewegliche Kugel mit einer leitenden Oberfläche, eine Vielzahl von an/auf einer Innenseite des Sensorgehäuses, voneinander beabstandet und verteilt angeordneten elektrischen Kontakte, die jeweils voneinander und vom Sensorgehäuse elektrisch isoliert sind, und eine mit den elektrischen Kontakten verbundene Auswerteeinheit, die derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass die Orientierung des Sensorgehäuses im Schwerefeld durch eine Auswertung eines elektrischen Schaltzustandes der Kontakte ermittelbar ist, wobei der Schaltzustand der Kontakte dadurch änderbar ist, dass die Kugel durch eine auf diese einwirkende Schwerkraft an eine von einer Richtung der Schwerkraft abhängige Position auf der Innenseite des Sensorgehäuses bewegbar ist und die Kugel an der Position durch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen mindestens zwei der Kontakte über die elektrisch leitende Kugel den Schaltzustand der mindestens zwei Kontakte ändert, und die Auswerteeinheit ein Mikroprozessor ist, mit dem zur Ermittlung der Position der Kugel auf der Innenseite des Sensorgehäuses, zyklisch an jeden der Kontakte eine Spannung angelegt wird und benachbarte Kontakte oder alle anderen Kontakte auf Anliegen einer Spannung geprüft werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen hinsichtlich eines Sensors zur Ermittlung einer aktuellen Richtung einer am Sensor aktuell wirkenden Beschleunigungskraft anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Der Sensor dient bzw. ist eingerichtet zur Ermittlung einer aktuellen Richtung einer am Sensor bzw. am Ort des Sensors aktuell wirkenden Beschleunigungskraft. Die Beschleunigungskraft ist insbesondere die Schwerkraft, also Gravitationskraft der Erde, insbesondere im Bereich der Erdoberfläche, insbesondere für militärische Anwendungen auf dem Gebiet der Kampfmittel. Die „Richtung“ ist in Bezug auf den Sensor bzw. dessen Gehäuse bzw. dessen Messraum (siehe unten) zu verstehen. „Richtung“ bezeichnet dabei insbesondere eine Verlaufsrichtung einer Achse mit Orientierung in eine bestimmte der beiden Achsenrichtungen.
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Der Sensor enthält einen Messraum, der eine Außenfläche aufweist. Die Außenfläche kann - auch teilweise - eine dingliche Fläche sein, alternativ eine gedachte Fläche, die den Messraum dahingehend begrenzt, dass bis dort ein Bewegungsspielraum eines Kontaktmittels reicht (siehe unten).
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Der Sensor enthält eine Mehrzahl elektrischer Kontakte. Die Kontakte sind über die Außenfläche des Messraums verteilt angeordnet.
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Der Sensor enthält das schon genannte elektrische Kontaktmittel. Das Kontaktmittel ist im Messraum beweglich gehalten. „Beweglich gehalten“ ist dabei so zu verstehen, dass zumindest ein Punkt oder Bereich des Kontaktmittels im Messraum fest (gehalten) oder beweglich (gelagert und gehalten) ist. Im Falle einer festen Lagerung an einem Punkt oder Abschnitt ist das Kontaktmittel dann in sich beweglich, also „eigenbeweglich“, z. B. zumindest abschnittsweise gelenkig oder flexibel ausgeführt und damit wieder - trotz einer festen Halterung eines Abschnitts - in seiner Gesamtheit beweglich gehalten. Das Kontaktmittel liegt also zwar beweglich, jedoch nicht lose im Messraum vor. Mit anderen Worten ist es über eine Fixierung und Eigenbeweglichkeit oder eine bewegliche Lagerung (dabei selbst starr oder wiederum eigenbeweglich) im Messraum fest oder beweglich gelagert oder geführt.
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Die „bewegliche Lagerung“ ist derart ausgeführt, dass das Kontaktmittel aufgrund von zu verschiedenen Zeitpunkten in unterschiedlichen Richtungen im Messraum vorliegenden bzw. wirkenden Beschleunigungskräften in unterschiedlichen Relativlagen zum Messraum in diesem zu liegen kommt. In wenigstens zwei unterschiedlichen, d. h. verschiedenen der Relativlagen, in welchen das Kontaktmittel zu liegen kommt, liegt es an unterschiedlichen, also voneinander verschiedenen Kontakten an. In jeder der unterschiedlichen Relativlagen bildet es eine elektrische Verbindung mit einem oder mehreren jeweiligen Kontakten, also in unterschiedlichen Relativlagen mit unterschiedlichen Kontakten. Durch die Anlage des Kontaktmittels an einem der Kontakte ist die aktuelle Richtung der Beschleunigungskraft ermittelt. Dabei existieren insbesondere Richtungen der Beschleunigungskraft, die dazu führen, dass genau ein Kontakt kontaktiert ist. Jeder der (derart kontaktierten / kontaktierbaren) Kontakte ist damit der jeweiligen Richtung der Beschleunigungskraft zugeordnet, welche die jeweilige elektrische Verbindung mit gerade diesem Kontakt bewirkt. Das Vorhandensein der elektrischen Verbindung zeigt damit die aktuell ermittelte Richtung an.
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Die Erfindung geht dabei davon aus, dass die Beschleunigungskraft im Verhältnis zu den Trägheitseigenschaften des Kontaktmittels ausreichend lange in einer konstanten Richtung relativ zum Messraum vorliegt, dass das Kontaktmittel aufgrund seiner Trägheit und der entsprechenden notwendigen Bewegung tatsächlich an dem entsprechenden Kontakt zu liegen kommt. Insbesondere geht die Erfindung davon aus, dass der Messraum und damit insbesondere der gesamte Sensor während der Ermittlung der Richtung der Beschleunigungskraft ruht oder zumindest (mit Ausnahme einer eventuell vorhandenen Gravitationskraft, Erdbeschleunigung) ansonsten unbeschleunigt ist.
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Der Sensor weist einen ersten elektrischen Anschluss auf. Das Kontaktmittel ist mit dem ersten elektrischen Anschluss des Sensors elektrisch leitend verbunden. Der Sensor weist wenigstens einen zweiten Anschluss auf. Wenigstens einer, insbesondere mehrere, insbesondere alle der Kontakte sind mit dem jeweiligen zweiten elektrischen Anschluss - insbesondere also ein Anschluss pro Kontakt - des Sensors verbunden. Die aktuelle elektrische Verbindung des ersten elektrischen Anschlusses (über das Kontaktmittel und den aktuell kontaktierten Kontakt) mit einem der zweiten Anschlüsse zeigt - wie sich anhand der obigen Erläuterungen ergibt - die dem aktuell kontaktierten Kontakt zugeordnete Richtung als aktuelle Richtung der aktuell am Sensor wirkenden Beschleunigungskraft an. Insbesondere bei einer eins-zu-eins-Verbindung von Kontakten und ebensovielen zweiten Anschlüssen ist also auch jedem der zweiten Anschlüsse eine bestimmte Richtung der Beschleunigungskraft zugeordnet.
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Bei dem Sensor ist es denkbar, dass Richtungen der Kraft bzw. Raumlagen des Messraumes existieren, in denen aufgrund der auf das Kontaktmittel einwirkenden Kräfte keiner der Kontakte durch das Kontaktmittel kontaktiert ist. Insbesondere ist dies jedoch nur in derartigen Raumlagen möglich, die keine bestimmungsgemäßen Raumlagen für den Betrieb des Sensors darstellen. Mit anderen Worten ist in sämtlichen bestimmungsgemäßen Raumlagen konstruktiv sichergestellt, dass stets mindestens einer der Kontakte durch das Kontaktmittel kontaktiert ist, so das zwingend (Fehler sollen hier nicht betrachtet werden) immer eine Durchkontaktierung besteht und ein entsprechendes Sensorsignal verfügbar ist. So können undefinierte Zustände des Sensors vermieden werden.
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Insbesondere ist durch eine konstruktive Auslegung des Sensors (Dimensionen der Komponenten, Beweglichkeit des Kontaktmittels, ...) sichergestellt, dass in allen bestimmungsgemäß zu erfassenden Richtungen der Beschleunigungskraft immer eine Verbindung des Kontaktmittels mit wenigstens einem der Kontakte hergestellt ist. Insbesondere besteht die Möglichkeit, dass keine Verbindung mit irgend einem der Kontakte vorliegt. Dies zeigt dann an, dass keine bestimmungsgemäße Richtung einer Beschleunigungskraft vorliegt. Es ist dabei insbesondere möglich, dass an der Grenze zwischen zwei benachbarten Kontakten das Kontaktmittel beide Kontakte gleichzeitig kontaktiert. Die aktuelle Richtung wird dann als solche erkannt, welche nach einer geeigneten Vorschrift durch beide, den kontaktierten Kontakten zugeordnete Richtungen repräsentiert ist, zum Beispiel deren Richtungs-Mittelwert.
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Die Beschleunigungskraft, deren Richtung zu ermitteln ist, ist insbesondere eine Beschleunigungskraft mit bekannter Richtung, insbesondere die Erdbeschleunigung / Gravitationskraft bzw. deren Richtung. Da diese Richtung (bei der Erdbeschleunigung lotrecht / senkrecht nach unten) bekannt ist, ergibt sich durch die Ermittlung der Richtung im Umkehrschluss die Ausrichtung des Messraumes bzw. der Kontakte zur bekannten Richtung (bei der Erdbeschleunigung also zur Senkrechten). So ist eine Lageschätzung des Messraumes bzw. Sensors bzw. eines Objekts, an dem der Sensor angebracht ist, bezüglich der bekannten Richtung möglich.
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Je nach Situation und gegebenenfalls bekannter Bewegung des Sensors bzw. des Messraumes ist auch bei zusätzlich vorhandenen Beschleunigungen, gegebenenfalls eine Aussage über die Richtung der Erdbeschleunigung möglich, insbesondere wenn sonstige Beschleunigungen zumindest hinreichend bekannt sind.
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Im Ergebnis liefert der Sensor eine digitale / 0-1-Information an seinen zweiten Anschlüssen in Form dessen, dass eine elektrische Verbindung des Kontaktmittels mit einem der Kontakte besteht oder nicht.
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Eine Auswertung des Sensors bzw. der Anschlüsse ist beispielsweise durch eine einfache Abfrage der zweiten Anschlüsse möglich, insofern, ob diese jeweils elektrischen Kontakt zum ersten Anschluss aufweisen. Insbesondere sind alle Kontakte gleich ausgeführt, lediglich an unterschiedlichen Stellen des Messraumes angeordnet. Insbesondere sind die Kontakte regelmäßig bzw. in symmetrischer Anordnung im Messraum angeordnet.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich damit der Sensor als mechatronische Komponente zur Richtungsbestimmung (am Sensor), insbesondere Lageschätzung (des Sensors selbst). Der Sensor ist in der Lage, durch eine Mechanik (durch die Beschleunigungskraft verursachte Bewegung des Kontaktmittels) und eine elektrische Verbindung (Stromfluss, Spannungsweiterschaltung die Lageorientierung des Messraumes und damit des Sensors und damit eines Körpers, zu welchem sich der Sensor in bekannter Relativlage befindet, anhand der aktuell vorhandenen Beschleunigungskraft (deren Richtung), insbesondere Erdbeschleunigung, zu ermitteln und in ein Signal wiederzugeben (Durchkontaktierung von zweiten zum ersten Anschluss). Ein entsprechendes Signal ist auch durch Beschaltung der ersten und zweiten Anschlüsse erzeugbar, zum Beispiel in Form einer einer durchgeleiteten Spannung an einem der zweiten Kontakte oder einem Stromfluss durch einen der zweiten Kontakte.
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Insbesondere ist der Messraum im gesamten Sensor bzw. zu einem Grundkörper des Sensors (siehe unten) ortsfest fixiert, welcher Grundkörper insbesondere auch zur Befestigung des Sensors an dem betreffenden Körper in bekannter Relativlage dient.
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Die Erfindung beruht insbesondere auf der Idee, für ein Kampfmittel wie z. B. eine Munition oder einen Flugkörper die Möglichkeit zu schaffen, schon im geladenen Zustand (Kampfmittel in einer Waffe, an einem Träger zum Abschuss von dort) eine Schätzung für die Lage des Kampfmittels im Raum (zur Schwerkraftrichtung) zu erhalten. Durch den Einbau eines erfindungsgemäßen Sensors mit bezüglich des Kampfmittels ortsfestem Messraum wird dies ermöglicht.
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Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass prinzipiell hierzu auch die Verwendung von IMU-Sensoren (Inertial Measurement Unit) oder Magnetometern zur Messung des Erdmagnetfeldes als Sensoren denkbar wäre. Entsprechende Lösungen sind jedoch aufwendig und teuer und erfordern - da es sich um vergleichsweise hochkomplexe elektronische Geräte handelt - gewisse Verarbeitungszeiten der von den Sensoren gelieferten Signale sowie einen entsprechenden Verarbeitungsaufwand. Der erfindungsgemäße Sensor ist vergleichsweise einfach und ohne Zeitverzögerung direkt auswertbar, insbesondere rein diskret (als mechatronisch / galvanisch trennender bzw. arbeitender Auswahlschalter) in eine Schaltung integrierbar.
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Gemäß der Erfindung werden durch die auftretende aktuelle Beschleunigungskraft und deren Richtung, insbesondere Erdbeschleunigung, die mechanischen Subkomponenten des Sensors (insbesondere Kontaktmittel) so beeinflusst, dass ein Eingangssignal (am ersten oder zweiten Anschluss) über eine der Richtung der Beschleunigungskraft (insb. Erdbeschleunigungsrichtung) korrespondierenden Schaltung in das entsprechende Ausgangssignal (Weiterleitung zum betreffenden zweiten oder vom betreffenden zweiten zum ersten Anschluss) gewandelt wird. Hierbei wird insbesondere ein am ersten Anschluss angelegtes ein Eingangssignal (Strom, Spannung) je nach aktueller Richtung der im Sensor wirkenden Beschleunigungskraft auf einen entsprechenden der zweiten Anschlüsse geschaltet.
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Die Erfindung beruht im Hinblick auf eine Lageermittlung insbesondere auf der Beobachtung, dass die Lage im Raum (in Bezug auf die bekannte Gravitations- / Erdbeschleunigungsrichtung) immer und direkt als physikalische Größe vorliegt, welche durch eine Mechanik (Kraft auf und Bewegung des Kontaktmittels aufgrund Erdanziehung) repräsentiert wird. Durch ein einfaches Signal, welches als Null und Eins interpretiert werden kann (elektrische Verbindung zwischen Kontaktmittel und Kontakt bzw. zwischen erstem und betreffenden zweitem elektrischen Anschluss) und eine einfache Abtastung der Signalenden (erster und zweite Anschlüsse) führt dies zu einer sofortigen Schätzung bzw. Ermittlung der aktuellen Richtung bzw. Lage.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Geschwindigkeit, mit der die Ermittlung durchgeführt wird, besonders groß ist und eine einfache Signalstruktur (elektrische Kontaktierung: ja oder nein) vorliegt. Die Geschwindigkeit ist hoch, da keinerlei Signalverarbeitung innerhalb oder am Sensor notwendig ist, es liegt ad hoc die entsprechende elektrische Durchverbindung vor. Gemäß der Erfindung müssen daher keine Messwerte übergeben werden. Durch eine Abfrage der Signalenden (zweite Anschlüsse / in Verbindung mit dem ersten Anschluss) ist sofort eine Sensorinformation verfügbar und damit eine Maßnahme durch Sensorauslesung ableitbar.
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Die Erfindung beruht weiterhin auf der Beobachtung, dass für Kampfmittel mit einer Kurskorrektur oder Lenkung eine aufwändige Lageschätzung (IMU Sensor, Magnetometer und entsprechende Signalverarbeitung) aufgrund der geringen Flugzeit zum Verlust der Reaktionszeit führt. Durch den erfindungsgemäßen Sensor können schon schnell erste Maßnahmen aufgrund der schnell vorliegenden Sensorinformation abgeleitet werden, bevor eine genauere Lageschätzung durch komplexe Sensorik (IMU, ...) vorliegen würde.
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Es besteht insbesondere die Möglichkeit, während einer Programmierung, bei der schon eine elektrische Verbindung mit dem Geschoss besteht, der Munition im Ladevorgang die Lage im Raum mitzuteilen. Hierzu wird ein Signal (z. B. Spannung, Strom) über den Sensor geführt und die daraus resultierende Lageinformation (welcher der zweiten Anschlüsse ist durchgeschaltet) in einem Speicher hinterlegt. Wird der Schuss durchgeführt, kann diese Information sofort verarbeitet werden.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich daher ein Sensor zur Ermittlung einer aktuellen Richtung einer am Sensor aktuell wirkenden Beschleunigungskraft, insbesondere der Schwerkraft / Gravitationskraft als Beschleunigungskraft. Es ergibt sich ein ein Sensor zur Ermittlung seiner Orientierung bzw. Lage zu einer bekannten Richtung einer Beschleunigungskraft / insbesondere im Schwerefeld.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Sensor einen Grundkörper. Der Grundkörper umgrenzt den Messraum und bildet die Außenfläche des Messraumes. Die Außenfläche kann dabei auch nur teilweise durch den Grundkörper gebildet werden, insbesondere ist die Außenfläche bzw. eine entsprechend materiell /dinglich vorhandene Fläche des Grundkörpers vollständig geschlossen, sodass der Messraum vollständig vom Grundkörper umschlossen ist. Die Kontakte sind am Grundkörper angeordnet. Der Messraum befindet sich damit in einer bekannten, insbesondere festen, Relativlage zum Grundkörper. Der Grundkörper bietet damit ein Bezugskoordinatensystem für den Messraum und die Kontakte und somit für die ermittelte Richtung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kontaktmittel ein Starrkörper. „Starr“ ist hier im technischen Sinne zu verstehen in Bezug auf übliche Materialeigenschaften usw. des Kontaktmittels. So ist z. B. ein Kontaktmittel aus massivem Metall wie Stahl, Kupfer usw. als „starr“ zu verstehen. Eine elektrische Leitung wäre dagegen biegbar und eben nicht starr. Hierdurch lassen sich besonders einfache und stabile Ausführungsformen eines Sensors schaffen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Sensor ein relativ zum Messraum ortsfest angeordnetes Gegenlager. Z. B. ist dieses fest mit dem Grundkörper verbunden. Das Kontaktmittel weist einen Lagerabschnitt auf, mit dem es am Gegenlager gelagert ist. Der Lagerabschnitt kann dabei relativ zum Gegenlager beweglich gelagert sein oder auch nicht. Das Kontaktmittel weist wenigstens einen Kontaktabschnitt auf, der zur wahlweisen elektrischen Kontaktierung durch Anlage an wenigstens einem der Kontakte ausgebildet ist. Mit anderen Worten bildet der Kontaktabschnitt ein Freieende des am Lagerabschnitt gehaltenen oder geführten Kontaktmittels. So lassen sich besonders einfache mechanische Realisierungsmöglichkeiten für den Sensor schaffen. Für den Fall einer Befestigung des Lagerabschnittes am Gegenlager ist dann das Kontaktmittel selbst im Messraum beweglich, so dass der Kontaktabschnitt zur Kontaktierung von Kontakten beweglich im Messraum gelagert ist.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist das Kontaktmittel eine sich vom Lagerabschnitt weg erstreckende Kontaktkeule, die - entfernt vom bzw. gegenüber des Lagerabschnitts - an einem einzigen Kontaktabschnitt endet. Dies führt zu besonders einfachen Ausführungsformen des Sensors.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist das Kontaktmittel beweglich, nämlich ausschließlich um das Gegenlager drehbar, an diesem gelagert. Das Gegenlager bildet mit anderen Worten insbesondere einen Gelenkkopf, insbesondere eine Punktlagerung, also eine Lagerung um einen Drehpunkt, ein Kugelgelenk. Somit ergibt sich eine - innerhalb der konstruktiven Grenzen - freischwingende / freidrehende Aufhängung des Kontaktmittels am Gegenlager. Die Drehung / Rotation / Schwenkung um das Gegenlager ist damit der einzige Freiheitsgrad des Kontaktmittels bezüglich des Gegenlagers.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Messraum eine Mittellängsachse auf, ist also insbesondere als diese umgebende Zylinderform ausgeführt. Das Gegenlager ist dabei auf der Mittellängsachse angeordnet. Insbesondere ist dieses von der Außenfläche beabstandet angeordnet, also innerhalb des Messraumes angeordnet und nicht an dessen Rand. Dies führt zu besonders einfachen (rotations- oder dreh-) symmetrischen Ausführungsformen (z. B. Spalte zwischen den Kontakten sind dabei von der Symmetrie ausgenommen).
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Messraum ebenfalls eine Mittellängsachse wie oben erläutert auf. Die Kontakte sind dabei in einer Querebene zur Mittellängsachse in Umfangsrichtung um diese herum angeordnet. Insbesondere sind die Kontakte in Umfangsrichtung gleich verteilt, insbesondere weisen sie gleichen Radialabstand zur Mittellängsachse auf. Zwischen benachbarten Kontakten bestehen insbesondere in Umfangsrichtung (bezogen auf die diesbezügliche Kontaktgröße) vergleichsweise kleine Lücken. Insbesondere sind die Lücken auch auf den Kontaktabschnitt bzw. dessen Geometrie abgestimmt, so dass Fälle, in denen zwei benachbarte Kontakte vom Kontaktabschnitt kontaktiert sind, ganz oder möglichst ausgeschlossen sind. Auch dies führt zu den o.g. Symmetrien.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Messraum ebenfalls eine Mittellängsachse wie oben erläutert auf. Dabei weist wenigstens einer, insbesondere mehrere, insbesondere alle, Kontakte der Kontakte zum Messraum hin eine Kontaktfläche auf, welche bezüglich der Mittellängsachse eine Form eines Abschnitts eines insbesondere geraden, insbesondere Kreis-, Zylindermantels auf. Auch dies führt zu den o.g. Symmetrien.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Sensoranordnung nach Anspruch 10. Diese enthält den erfindungsgemäßen Sensor und eine mit dem Sensor verbundene Auswerteeinheit. Diese ist dazu eingerichtet, ein elektrisches Potenzial am ersten Anschluss (oder an wenigstens einem der zweiten Anschlüsse) anzulegen. Das Potential wird dann durch Kontaktierung eines der Kontakte durch das Kontaktmittel auf die entsprechenden zweiten Kontakte durchgeschaltet (oder der entsprechende zweite auf den ersten Kontakt). Die Auswerteeinheit sorgt damit dafür, dass jeweils am betreffenden, die Richtung anzeigenden Kontakt das elektrische Potenzial anliegt (oder ein bestimmtes Potential des kontaktierten zweiten Anschlusses am ersten Anschluss). Im letzten Fall werden insbesondere unterschiedliche Potentiale an den zweiten Anschlüssen angelegt, um deren Durchverbindung zum ersten Anschluss unterscheiden zu können. Eine entsprechende Sensoranordnung kann besonders einfach in ein System integriert bzw. von diesem ausgewertet werden. Das Potenzial ist insbesondere gleich bedeutend mit einer am entsprechenden Anschluss anliegenden Spannung zu einem Bezugspotential oder einem Stromfluss an diesem Anschluss.
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Die Sensoranordnung und zumindest ein Teil deren möglicher Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensor erläutert.
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Der Sensor ist also insbesondere mit einer Auswerteeinheit kombinierbar bzw. mit dieser nutzbar, um zusammen mit dieser eine Sensoranordnung zu bilden.
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Insbesondere ist die Auswerteeinheit mit dem ersten und/oder wenigstens einem, insbesondere mehreren, insbesondere allen, der zweiten Anschlüsse verbunden. Die Auswerteeinheit enthält insbesondere ein Ausgabemittel. Das Ausgabemittel bzw. die Auswerteeinheit ist dann dazu eingerichtet, anhand einer Auswertung der aktuell mit dem Kontaktmittel elektrisch verbundenen Kontakte eine mit der aktuellen Richtung korrelierte Information auszugeben. Insbesondere kann so auch die Information ausgegeben werden, dass aktuell kein Kontakt mit dem Kontaktmittel verbunden ist und damit keine Richtung bestimmbar ist. Somit entsteht eine Sensoranordnung mit einer Signalvorverarbeitung, welche jedoch rein schaltungstechnisch im Sinne galvanischer Durchverbindungen und damit ohne jegliche Verarbeitungszeit realisierbar ist.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform gibt das Ausgabemittel als Information diejenigen Kontakte an, welche aktuell mit dem Kontaktmittel elektrisch verbunden sind. Beispielsweise werden Kennungen, Nummern oder entsprechende Signale ausgegeben, zum Beispiel eine bestimmte elektrische Leitung mit einer Spannung versorgt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Kampfmittel gemäß Patentanspruch 11. Das Kampfmittel ist insbesondere eine Munition, ein Geschoss oder ein Flugkörper. Das Kampfmittel ist flugfähig und enthält eine Grundstruktur und einen erfindungsgemäßen Sensor oder eine erfindungsgemäße Sensoranordnung. Der Messraum ist dabei ortsfest zu der Grundstruktur angeordnet. Eine Auswertung des Sensors bzw. dessen Richtungsermittlung gibt somit die aktuelle Richtung der Beschleunigungskraft relativ zur Grundstruktur und damit zum Kampfmittel an.
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Das Kampfmittel und zumindest ein Teil dessen möglicher Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensor und der erfindungsgemäßen Sensoranordnung erläutert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Kampfmittel ein Steuermittel zur Lenkung, insbesondere zur Kurskorrektur, des Kampfmittels während seines bestimmungsgemäßen Fluges. Der Sensor und/oder - falls vorhanden - die Auswerteeinheit - ist mit dem Steuermittel verbunden, um Ermittlung der aktuellen Richtung der Beschleunigungskraft am Kampfmittel für das Steuermittel zu ermöglichen. Mit anderen Worten wird so eine schnelle und einfache Richtungs- / Lageschätzung des Kampfmittels für das Steuermittel zur Verfügung gestellt.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
- 1 eine Sensoranordnung in symbolischer Darstellung in perspektivischer Ansicht,
- 2 ein Kampfmittel mit Sensor symbolisch in einem perspektivischen Teilschnitt,
- 3 die symbolische Signaldurchleitung durch den Sensor aus 2.
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1 zeigt einen Sensor 2, der zu verschiedenen Zeitpunkten ta-c, verallgemeinernd auch mit „Zeitpunkt t“ bezeichnet, verschiedenen Beschleunigungskräften Fa-c, verallgemeinernd auch mit „Beschleunigungskraft F“ bezeichnet, unterliegt. Diese greifen jeweils zu den Zeitpunkten ta-c in verschiedenen Richtungen Ra-c, verallgemeinernd auch mit „Richtung R“ bezeichnet, am Sensor 2 an. Die Beschleunigungskraft F und zugehörige Richtung R sind hier jeweils gemeinsam durch einen einzigen Pfeil dargestellt.
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Der Sensor 2 dient bzw. ist eingerichtet zur Ermittlung der jeweils aktuellen Richtung Ra-c der aktuell angreifenden Beschleunigungskraft Fa-c. „Aktuell“ bezeichnet dabei die jeweils vorherrschende Beschleunigungskraft Fa-c in einem jeweiligen aktuellen Zeitpunkt ta-c.
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Der Sensor 2 weist einen Messraum 4 auf, der hier eine Würfelform aufweist. Der Messraum 4 weist eine Außenfläche 6 auf, hier also die Außenfläche des Würfels. Der Sensor 2 weist im vorliegenden Fall sechs elektrische Kontakte 8a-f, verallgemeinernd auch mit „Kontakt 8“ bezeichnet, auf, die über die Außenfläche 6 des Messraumes 4 verteilt angeordnet sind, hier auf einer jeweiligen Seite des Würfels. Der Sensor 2 enthält ein elektrisches Kontaktmittel 10. Dieses ist beweglich im Messraum 4 gelagert. Das Kontaktmittel 10 weist ein Lagerabschnitt 12 auf, mit dem es an einem Gegenlager 14 des Sensors 2 gelagert und damit am Gegenlager 14 gehalten ist. Das Gegenlager 14 befindet sich an einer festen Relativposition in Bezug auf den Messraum 4, hier an dessen Außenfläche 6.
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Das Kontaktmittel 10 ist also am Gegenlager 14 befestigt und liegt daher nicht lose im Messraum 4 vor. Ein am Kontaktmittels 10 dessen Lagerabschnitt 12 gegenüberliegender Kontaktabschnitt 16 des Kontaktmittels 10 ist im Messraum 4 beweglich. „Gegenüberliegend“ ist hier so zu verstehen, dass das Kontaktmittel 10 eine flexible elektrische Leitung ist, die mit ihrem einen Leitungsende den Lagerabschnitt 12 bildet und an deren anderem Ende der Kontaktabschnitt 16 in Form einer elektrisch leitenden Kugel angeordnet ist.
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Die ausgezogene Darstellung zeigt die Relativlage La, verallgemeinernd auch mit „Relativlage L“ bezeichnet, des Kontaktmittels 10 zum Messraum 4 zum Zeitpunkt ta. Aufgrund der zu diesem Zeitpunkt aktuell in Richtung Ra wirkenden Beschleunigungskraft Fa nimmt das Kontaktmittel 10 die erste Relativlage La zum Messraum 4 ein bzw. kommt so in dieser zu liegen. Dabei liegt es am Kontakt 8a an und bewirkt somit eine elektrische Verbindung zu diesem. Der Kontakt 8a ist damit der Richtung Ra zugeordnet, denn die in die Richtung Ra wirkende Kraft Fa bewirkt gerade die entsprechende Relativlage La, die für die elektrische Kontaktierung des Kontaktes 8a verantwortlich ist.
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Das Kontaktmittel 10 ist mit einem ersten elektrischen Anschluss 18 des Sensors 2 verbunden. Jede der Kontakte 8a-f ist dagegen mit einem jeweiligen zweiten elektrischen Anschluss 20a-f, verallgemeinernd auch mit „Anschluss 20“ bezeichnet, des Sensors 2 ebenfalls elektrisch verbunden. Die zum Zeitpunkt ta ent- bzw. bestehende elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 18 und dem zweiten Anschluss 20a (über das Kontaktmittel 10 in Relativlage La) zeigt daher im Sensor 2 die dem zweiten Anschluss 20a zugeordnete Richtung Ra als aktuelle Richtung und damit als Ausgabeinformation des Sensors 2 an. Das „Anzeigen“ erfolgt, indem eben diese Verbindung „erster Anschluss 18 - zweiter Anschluss 20a“ galvanisch durchverbunden ist.
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Zu einem späteren Zeitpunkt Tb hat sich die Richtung der Beschleunigungskraft geändert, sodass die Beschleunigungskraft Fb nunmehr in die Richtung Rb zeigt. Das Kontaktmittel 10 nimmt nun eine neue Relativlage Lb zum Messraum 4 ein, welche in 1 gestrichelt dargestellt ist. Nun kontaktiert der Kontaktabschnitt 16 den Kontakt 8b; hierdurch entsteht eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 18 und dem zweiten Anschluss 20b. Diese Durchverbindung zeigt im Sensor nun die aktuelle Richtung Rb an, da diese mit dem Kontakt 20b (bzw. dessen Durchverbindung zum ersten Anschluss 18) assoziiert ist.
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Zu einem dritten Zeitpunkt tc hat sich die Richtung der Beschleunigungskraft F nochmals geändert, nämlich in die Richtung Rc. Das Kontaktmittel 10 nimmt wiederum eine neue relativ Lage Lc im Messraum 4 ein. Der Kontaktabschnitt 16 kontaktiert den Kontakt 8c. Es entsteht eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 18 und dem zweiten Anschluss 20c. Aktuelle Richtung ist die Richtung Rc.
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Mit den Kontakten 20d-f sind die jeweiligen Gegenrichtungen der Richtungen Ra-c assoziiert. Bei entsprechender Durchkontaktierung werden also diese Richtungen als aktuelle Richtung angezeigt. Somit sind alle drei Raumrichtungen (und Gegenrichtungen) mit je einem der Anschlüsse 20a-f bzw. Kontakte 8a-f bzw. deren Durchverbindung zum Anschluss 18 assoziiert und werden durch die tatsächlich existierende Durchverbindung angezeigt.
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Im Ergebnis repräsentiert also die zu einem bestimmten Zeitpunkt t bestehende elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 18 und einem jeweiligen der zweiten Anschlüsse 20a-f die aktuell zu diesem Zeitpunkt t vorliegende Richtung R der Beschleunigungskraft F, denn diese sorgt jeweils dafür, dass der Kontaktabschnitt 16 am entsprechenden Kontakt 8a-f anliegt, welcher die aktuelle elektrische Verbindung bewirkt und somit die aktuelle Richtung R anzeigt.
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Der Messraum 4 weist in 1 virtuelle Grenzen in Form der Außenfläche 6 auf. Diese sind durch die Bewegungsmöglichkeiten des Kontaktmittels 10 bzw. Kontaktabschnittes 16 begrenzt bzw. gebildet und hier nur symbolisch angedeutet. Das Gegenlager 14 ist also ortsfest zum Messraum 4 angeordnet. Mit dem Kontaktabschnitt 16 ist das Kontaktmittel 10 am Gegenlager 14, hier unbeweglich, gelagert bzw. gehalten. Die Beweglichkeit des Kontaktmittels 10 entsteht durch dessen Flexibilität. Der Kontaktabschnitt 16 des elektrisch leitenden und leitend mit dem Gegenlager 14 verbundenen Kontaktmittels 10 ist dadurch zur wahlweisen Kontaktierung aller sechs Kontakte 8a-f je nach Richtung R der Beschleunigungskraft F ausgebildet.
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Das Kontaktmittel 10 ist hier also eine sich vom Lagerabschnitt 12 weg erstreckende, flexible Kontaktkeule, die an einem einzigen Kontaktabschnitt 16 endet.
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1 zeigt auch eine Sensoranordnung 102, die den Sensor 2 sowie eine Auswerteeinheit 104 enthält die Auswerteeinheit 104 enthält. Diese enthält vorliegend eine Spannungsquelle 106 zur Erzeugung eines Potenzials P gegenüber einem Massepotenzial M. Die Auswerteeinheit 104 ist mit dem Sensor 2 verbunden, um das elektrische Potenzial P an den ersten Anschluss 18 und damit über das Gegenlager 14 und das Kontaktmittel 10 an den Kontaktabschnitt 16 anzulegen. Je nach Richtung R der Beschleunigungskraft F wird somit der Kontakt 8a-f vom Kontaktabschnitt 16 elektrisch kontaktiert und bringt auch diesen und damit den entsprechenden zweiten Anschluss 20a-f auf des elektrische Potenzial P.
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1 zeigt exemplarisch, wie dann die elektrischen Signale der zweiten Anschlüsse 20a-f auf eine hier nur symbolisch angedeutete Verarbeitungsschaltung 108 geschaltet werden können. Ein entsprechendes Eingangssignal 110 als Eingangsinformation für die Verarbeitungsschaltung 108 ist dann dadurch gebildet, welche der von den zweiten Anschlüssen 20a-f kommenden Leitungen (nur 3 exemplarisch dargestellt) mit dem Potenzial P beaufschlagt ist. Das Eingangssignal 110, das die zu einem bestimmten Zeitpunkt t vorliegende Richtung R der Beschleunigungskraft F widerspiegelt, wird dann in der Verarbeitungsschaltung 108 in nicht näher erläuterter Weise weiterverarbeitet.
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2 zeigt stark vereinfacht einen Ausschnitt aus einem Kampfmittel 202, hier einem Geschoss einer Munition, welche zum Abschuss bereit in einer nicht dargestellten Waffe eingelegt ist. Das Kampfmittel ist flugfähig in Form seines sich nach dem Abschuss durch die Luft bewegenden Geschosses. Das Kampfmittel 202 weist dabei eine bestimmungsgemäße (spätere, nach dem Abschuss) Flugrichtung 206 auf, die durch einen Pfeil symbolisiert ist. Angedeutet ist hier eine Grundstruktur 204 des Kampfmittels 202, hier eine Geschosshülle.
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Das Kampfmittel 202 enthält den Sensor 2, hier jedoch in einer von 1 abweichenden Ausführungsform. Der Messraum 4 des Sensors 2 ist ortsfest zur Grundstruktur 204 angeordnet. Der Sensor 2 selbst enthält hier einen Grundkörper 22, der an der Grundstruktur 204 fest angebracht ist. Der Grundkörper 22 weist eine gerade Kreiszylinderform entlang einer Mittellängsachse 24 des Sensors 2 auf. Der Grundkörper 22 umgrenzt den Messraum 4 und bildet mit seiner Innenfläche 26 dinglich die Außenfläche 6 des Messraumes 4. Der Sensor 2 enthält zehn Kontakte 8 von denen in 2 nur vier Stück zumindest teilweise sichtbar sind. Die Kontakte 8 sind am Grundkörper 22 angeordnet bzw. an diesem angebracht bzw. befestigt. Das Kontaktmittel 10 ist hier ein Starrkörper, nämlich im Wesentlichen ein Metallstab, der im technischen Sinne starr, das heißt nicht flexibel ist (Mögliche Verformungen im Mikrobereich werden hier nicht betrachtet).
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Der Sensor 2 enthält das im Sensor 2 ortsfeste Gegenlager 14, das hier als Kugelkopf ausgeführt ist. Das Gegenlager 14 ist mit Hilfe eines sich entlang der Mittellängsachse 24 vom Kugelkopf weg erstreckenden Fortsatzes 28 im Grundkörper 22 fixiert. Auch hier ist das Gegenlager 14 also wieder ortsfest zum Messraum 4 ausgeführt. Der Lagerabschnitt 12 des Kontaktmittels 10 ist hier als zum Kugelkopf passende kugelflächige Gelenkpfanne ausgeführt. Im Zusammenwirken beider Teile bildet dies einen Gelenkkopf, der eine Rotation des Kontaktmittels 10 um einen Mittelpunkt des Gegenlagers 14 (Zentrum der Kugel des Kugelgelenks) erlaubt. Hier ist der Lagerabschnitt 12 also beweglich am Gegenlager 14 gelagert.
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Das Kontaktmittel 10 ist hier wieder eine sich vom Lagerabschnitt 12 weg erstreckende - hier starre - Kontaktkeule, die an dem einzigen Kontaktabschnitt 16 endet. Dieser ist wieder zur wahlweisen elektrischen Kontaktierung durch Anlage an wenigstens einem der zehn Kontakte 8 ausgebildet. Damit ist das Kontaktmittel 10 ausschließlich um das Gegenlager 14 drehbar an diesem gelagert. „Ausschließlich“ heißt, dass die Rotation bzw. Drehung um den Kugelmittelpunkt der einzige Freiheitsgrad für das Kontaktmittel 10 in Relation zum Messraum 4 bzw. Grundkörper 22 und damit zu den Kontakten 8 ist.
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Das Gegenlager 14 ist hier auf der Mittellängsachse 24 angeordnet und außerdem beabstandet zu der Außenfläche 6 des Messraumes 4. Das Gegenlager 14 befindet sich also im Innenraum des Messraumes 4 und nicht an dessen Rand, also der Außenfläche 6.
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Die zehn Kontakte 8 sind hier in einer Querebene 30 zur Mittellängsachse 24 angeordnet und zwar in Umfangsrichtung um die Mittellängsachse 24 herum gleichverteilt, also jeweils um 36° zueinander versetzt. Somit entsteht ein insgesamt zur Mittellängsachse 24 rotationssymmetrischer Sensor 2 bzw. eine 36°-drehinvariante oder Dreh-Symmetrie des Sensor 2 zur Mittellängsachse 24.
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Die Kontakte 8 weisen dabei jeweils zum Messraum 4 hin eine Kontaktfläche 32 auf, die bezüglich der Mittellängsachse 24 eine Form eines Abschnitts eines geraden Kreiszylindermantels aufweist.
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Im Beispiel befindet sich das Kampfmittel 202 und damit der Sensor 2 in Ruhe. Als aktuelle Richtung soll die in der dargestellten Lage bestehende Ausrichtung des Kampfmittels 202 in Form von dessen Rotationsposition um die Mittellängsachse 24 festgestellt werden. Hierzu wird als Beschleunigungskraft Fa die Gravitationskraft genutzt, die ohnehin am Kampfmittel 202 vorhanden ist. In der aktuellen Drehposition wird aufgrund der Schwerkraft, also Beschleunigungskraft Fa, das Kontaktmittel 10 in die dargestellte relativ Lage La im Messraum 4 gebracht bzw. kommt darin entsprechend zu liegen, da der Kontaktabschnitt 16 in Richtung der Beschleunigungskraft Fa „nach unten“, also zur Erde hin, gezogen wird und sich im Gegenlager 14 entsprechend bewegt. Hierdurch wird vorliegend der Kontakt 8a durch den Kontaktabschnitt 16 berührt, sodass hier eine elektrische Verbindung entsteht. Somit wird der mit dem Kontaktmittel 10 über das Gegenlager 14 und den Fortsatz 28 elektrisch verbundene erste Anschluss 18 mit dem zweiten Anschluss 20a des Kontakt 8a elektrisch leitend galvanisch durchverbunden bzw. durchgeschaltet.
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Bei der gegebenen Anordnung ist damit bekannt, dass das Kampfmittel 202 zum aktuellen Zeitpunkt t gerade derart ausgerichtet ist, dass der Kontakt 8a in Schwerkraftrichtung, also „unten“ im Waffenrohr liegt. Die Orientierung bzw. aktuell Drehlage des Kampfmittel 202 um die Mittellängsachse 24 ist also bekannt.
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3 zeigt symbolisch die entsprechenden Verhältnisse aus 2 in einer Ansicht des Sensors 2 in Richtung der Mittellängsachse 24 bzw. in Richtung des Pfeils III in 2. Das Kampfmittel 202 enthält auch die Auswerteeinheit 104 gemäß 1. Damit wird deren Potenzial P über den Anschluss 18 auf den zweiten Anschluss 20a durchgeschaltet und im Kampfmittel 202 von einem hier nur symbolisch angedeuteten Steuermittel 208 des Kampfmittels 202 empfangen. Die später im Flug nachfolgende Lenkung des Kampfmittels 202 kann also sofort auf diese Lageverhältnisse eingestellt werden. Mit anderen Worten besteht schon vor dem Abschuss des Geschosses Kenntnis über dessen Rotationslage um die Mittellängsachse 24 beim Abschuss. Das Steuermittel 208 ist dank des schnellen Sensors 2 damit schon vor dem Abschuss ertüchtigt, die Flugbahn in Kenntnis der Drehorientierung sofort nach dem Abschuss zu beeinflussen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Sensor
- 4
- Messraum
- 6
- Außenfläche
- 8,8a-f
- Kontakt
- 10
- Kontaktmittel
- 12
- Lagerabschnitt
- 14
- Gegenlager
- 16
- Kontaktabschnitt
- 18
- erster Anschluss
- 20,20a-f
- zweiter Anschluss
- 22
- Grundkörper
- 24
- Mittellängsachse
- 26
- Innenfläche
- 28
- Fortsatz
- 30
- Querebene
- 32
- Kontaktfläche
- 102
- Sensoranordnung
- 104
- Auswerteeinheit
- 106
- Spannungsquelle
- 108
- Verarbeitungsschaltung
- 110
- Eingangssignal
- 202
- Kampfmittel
- 204
- Grundstruktur
- 206
- Flugrichtung
- 208
- Steuermittel
- F,Fa-c
- Beschleunigungskraft
- R,Ra-c
- Richtung
- t,ta-c
- Zeitpunkt
- L, La-c
- Relativlage
- P
- Potential
- M
- Massepotential
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011106986 B3 [0002]
