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Vorrichtung zur Steuerung von Fahrzeugen, insbesondere Luftfahrzeugen
Die Erfindung hat eine Vorrichtung zum Gegenstand, in der das maximale Kraftmoment
des Stellmotors bei der Anstellung von Ruderelementen behandelt wird.
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Das maximale Drehmoment, welches die - Hilfs-oder Ruderstellmotoren
unter dem Einfiuß von Steuersignalen einer automatischen =Kurssteuerung ausüben
können, darf einen bestimmten Sicherheitswert nicht überschreiten.
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Einerseits muß dieses maximale Drehmoment so bemessen sein, daß es
der Pilot noch durch Muskelkraft manuell am Steuerknüppel überwinden kann, wenn
es erforderlich wird, der automatischen Ruderbetätigung noch ein zusätzliches Steuermoment
zu erteilen, wobei die maximal am Steuerknüppel anzubringende Muskelkraft allgemein
etwa bei 20 bis 30 kg liegt.
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Andererseits darf die automatische Kurssteuerung niemals auf die Ruder
mit einem Drehmoment einwirken, durch das das Flugzeug eine zu stark fühlbare Beschleunigung
erleidet, durch die die Struktur der Zelle oder die Sicherheit der Fluggäste beeinträchtigt
wird. Der Maximalwert der hierfür zulässigen Vertikalbeschleunigung darf nach den
geltenden Bestimmungen in der Zivilfliegerei den Wert der Erdbeschleunigung nicht
übersteigen, so daß das Flugzeug niemals eine Gesamtbeschleunigung von mehr als
2 g erhalten - darf.
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Um dieser Bedingung zu genügen, ist es üblich, das maximale Drehmoment,
das von den Stellmotoren erzeugt werden kann, auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen.
Eine solche Lösung ist jedoch unvollkommen. Der Ruderverstellwinkel und demzufolge
die dem Flugzeug vermittelte Beschleunigung- sind, wenn dem Ruder ein Moment von
vorgegebener Größe zugeführt wird, nicht konstant, sondern hängen wesentlich von
den. augenblicklichen Flugbedingungen ab. Beispielsweise kann die dem Flugzeug durch
eine Kraft von 10 kg am Steuerhebel vermittelte zusätzliche vertikale Beschleunigung
je nach den Flugbedingungen zwischen 1 und 0,15 g schwanken. Wenn man daher das
maximale Drehmoment des Stellmotors auf eine bestimmte Größe festlegt, die so gewählt
ist, daß bei Zuführung dieses Momentes in großer Höhe oder bei kleiner Geschwindigkeit
der Ruderverstellwinkel die gewünschte Größe erhält, um dem Flugzeug die zulässige
Maximalbeschleunigung zu erteilen, so würde dieses .maximale Drehmoment, wenn man
es bei geringerer Höhe oder bei großer Geschwindigkeit zuführt, nicht ausreichen,
um den gleichen Ruderverstellwinkel und demzufolge auch die gleiche Beschleunigung
zu erhalten. Die Arbeitsmöglichkeit der automatischen Kurssteuerung ist somit ohne
zwingende Notwendigkeit eingeschränkt.
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Es ist nun bereits bekannt, die Beschleunigung des Flugzeuges zu messen
und, wenn diese gemessene Beschleunigung einen vorbestimmten Wert überschreitet,
selbsttätig eine Wirkung auszulösen, durch die eine weitere Ruderbetätigung im Sinne
eines zusätzlichen Steuereinflusses unmöglich gemacht wird. Zu diesem Zwecke ist
bei der bekannten Vorrichtung ein besonderes Hilfsruder vorgesehen, das direkt durch
die Masse des Beschleunigungsmessers cder bei einem anderen Ausführungsbeispiel
über einen besonderen Servomotor betätigt wird und das dem eigentlichen Ruder des
Flugzeuges entgegenwirkt.
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Die bekannte Vorrichtung hat also den schwerwiegenden Nachteil, daß
es erforderlich ist, am Flugzeug ein besonderes Hilfsruder und unter Umständen einen
besonderen Servomotor zur Betätigung des Hilfsruders vorzusehen. Diese Nachteile
sollen durch die vorliegende Erfindung beseitigt werden.
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Die Erfindung geht somit aus von einer Vorrichtung zum Steuern eines
Fahrzeuges, insbesondere eines Luftfahrzeuges, mit einem ein Steuerelement wie etwa
die Ruderfläche eines Luftfahrzeuges betätigenden Servomotor, um die Bewegung des
Fahrzeuges in eine bestimmte Richtung in übereinstimmung mit einem dem Servomotor
zugeführten Steuersignal zu steuern, und Beschleunigungsmessern, um die maximale
Wirkung des Steuergliedes zu reduzieren,
wenn die Beschleunigung
des Fahrzeuges in der genannten Richtung ansteigt. Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsmesser auf den Servomotor so einwirken,
daß die vom Servomotor entwickelte Kraft bzw. Drehmoment reduziert wird, wenn die
gemessene Beschleunigung ansteigt.
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Der Stellmotor kann ein Elektromotor, insbesondere ein zweiphasiger
Induktionsmotor, sein, dessen Steuerwicklung das Steuersignal in Form einer elektrischen
Spannung erhält und dessen phasenkonstanter Wicklung normalerweise eine konstante
Spannung zugeführt wird, wobei der Beschleunigungsmesser auf die Größe einer Impedanz
im Stromkreis der phasenfesten Wicklung so einwirkt, daß mit größer werdender Beschleunigung
des Fahrzeuges die Spannung vermindert wird. Diese veränderbare Impedanz kann eine
Induktivität mit sättigbarem Kern sein. Der Kern einer solchen Induktivität ist
normalerweise gesättigt; wobei dann der Beschleunigungsmesser bei Erfassung einer
Beschleunigung die Magnetisierung des Kernes vermindert und auf den Strom im Steuerwicklungskreis,
welcher auf den Kern aufgewickelt ist, so einwirkt, daß die Impedanz der Induktivität
vergrößert wird.
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Der Beschleunigungsmesser kann ein elektrisches Schaltelement mit
veränderbarer Kopplung, beispielsweise ein Regeltransformator oder ein Potentiometer,
sein, dessen beweglicher Teil, der bei fehlender Beschleunigung in einer Neutralstellung
steht, mit den Verschiebungen eines Massekörpers des Beschleunigungsmessers gekoppelt
ist, so daß er bei Beschleunigungen in der einen oder anderen betrachteten Richtung
verschoben wird.
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Dem Stellmotor können auch zwei Beschleunigungsmesser so zugeordnet
sein, daß sie die gleichen Beschleunigungen erfassen, wobei dann eine Sicherheitsvorrichtung
(zur Auslösung eines Alarms, zum Abtrennen der automatischen Kurssteuerung usw.)
vorgesehen ist, die immer dann anspricht, wenn zwischen den Anzeigen der zwei Beschleunigungsmesser
eine Differenz besteht.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Vorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt,
darin zeigt Fig. 1 ein Schaltschema einer ersten Ausführungsform Fig.2 ein Schaltschema
einer Sicherheitsvorrichtung und Fig:3 das Schaltschema einer zweiten Ausführungsform.
; Die Fig. 1 zeigt einen Ruderstellmotor 1 für das Ruder 7 eines Flugzeuges, auf
das der Motor über ein Gestänge 2 einwirkt. Bei diesem Motor handelt es sich um
einen zweiphasigen Induktionsmotor, dessen beide Wicklungen 3 und 5 mit Spannungen
; erregt werden, die in an sich bekannter Weise durch die Parallelschaltung eines
Kondensators zur Wicklung 5 eine Phasenverschiebung von etwa 90° gegeneinander haben.
Die Wicklung 5 ist die Steuerwicklung, der das resultierende Signal aus einer Kette
von nicht dargestellten Steuer- und Rückkopplungskreisen einer automatischen Kurssteuerung
zugeführt wird.
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Die Wicklung 3 ist die sogenannte phasenfeste Wicklung. Diese Wicklung
3 ist über zwei in Reihe geschaltete Induktivitäten l27 mit einer Wechselspannungsquelle
EAc verbunden, deren Wechselstromwellen mit der Trägerwelle der verschiednen der
Steuerwicklung 5 zugeführten Signale synchron laufen.
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Es ist bekannt, daß das Drehmoment, das ein Zweiphasenmotor dieser
Art erzeugt, etwa dem Produkt der seinen zwei Wicklungen zugeführten Spannungen
proportional ist. In dem Ausführungsbeispiel begrenzt man dieses Moment in veränderlichem
Maße je nach der Beschleunigung, die das Flugzeug in einer betrachteten Flugrichtung
erleidet. Diese Veränderung erreicht man mit der Spannung, die man der phasenfesten
Wicklung 3 zuführt.
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Zu diesem Zweck ist die Impedanz jeder der beiden Induktivitäten 127
der Steuerung eines Beschleunigungsmessers unterstellt. Die beiden Beschleunigungsmesser
A und B, mit denen die Impedanzen gesteuert werden, sind identisch,
so daß ihre Bauelemente mit identischen Bezugszeichen versehen werden konnten. Bei
jedem der beiden Beschleunigungsmesser bildet die Induktivität 127 die Ausgangswicklung
einer sättigungsfähigen Reaktanz 104. Diese Reaktanz trägt noch eine Polarisationswicklung
119, die mit einer einregelbaren Gleichspannungsquelle verbunden ist, durch die
der Kern der Recktanz 104 in die Nähe seines Sättigungspunktes gebracht wird.
Ein Verstärkergleichrichter 131 führt einer Steuerwicklung 123 einen Strom zu, der
sich in Abhängigkeit von der Beschleunigung ändert. Zu diesem Zweck wird der Verstärker
131 von der doppelten Sekundärwicklung 111 eines Regeltransformators 101 gespeist,
dessen Primärwicklung 115 mit der Wechselspannungsquelle 135 verbunden st.
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Die aus zwei Teilen bestehende Sekundärwicklung 111 ist gegenüber
der auf dem Kern des Transformators 101 angeordneten Primärwicklung beweglich
angeordnet und über ein schematisch bei 110 angedeutetes mechanisches Gestänge mit
dem Massekörper 105 eines klassischen Beschleunigungsmessers verbunden, der
zwischen zwei Federn 109 eingespannt ist, die an einem festen Gestell 107 so verankert
sind. daß der Massekörper auf Beschleunigungen des Flugzeuges bezüglich der entsprechenden
Achse ansprechen kann. Hier ist die Ausrichtung so gewählt, daß die Beschleunigungen
bezüglich der vertikalen Achse erfaßt werden, da angenommen ist, daß es sich bei
dem Ruder 7 um ein Höhenruder handelt.
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Wenn keine Beschleunigung in der betrachteten Richtung auftritt, verbleibt
die Sekundärwicklung 111 in einer Mittellage, so daß die durch die Primärwicklung
115 induzierte Spannung schwach oder gleich Null ist. Unter dem Einfiuß des Polarisationsstromes,
den die Wicklung 119 liefert, ist der Kern der Recktanz 104 somit gesättigt, so
daß die Impedanz der Wicklung 127 ihren Maximalwert erhält. Die Einstellungen sind
so vorgenommen, daß in der Ruhestellung bei diesem Maximalwert der Impedanz der
Wicklungen 127 die der Wicklung 3 des Stellmotors zugeführte Spannung es
dem letzteren ermöglicht, sein vorgeschriebenes maximales Moment zu entwickeln.
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Bei einer vertikalen Beschleunigung des Flugzeuges nach oben oder
nach unten entfernt sich der Massekörper 105 aus seiner neutralen Mittelstellung
und verursacht eine engere Kopplung zwischen der Primärwicklung 115 und der einen
oder anderen der beiden Sekundärwicklungen 111. Der verstärkte und gleichgerichtete,
der Wicklung 123 zugeführte Strom wird in beiden Fällen größer, wobei der Stromfluß
so gerichtet ist, daß die Magnetisierung des Kernes
der Reaktanz
1.04 vermindert und die Impedanz der Wicklung 127 vergrößert wird. Die der phasenfesten
Wicklung 3 des Stellmotors zugeführte Spannung wird dann geringer und vermindert
demzufolge das Grenzmcment, das der Stellmotor entwickeln kann.
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Die vorbeschriebene Funktion kann auch mit einer einzigen veränderlichen
Induktivität und einem einzigen Beschleunigungsmesser A oder B als
Steuerorgan erreicht werden. Aus Gründen der Sicherheit sieht die Vorrichtung jedoch
eine Doppelanordnung vor. Weiterhin ist auch eine Überwachungsvorrichtung vorgesehen,
die im Falle ungleicher Anzeigen der beiden Beschleunigungsmesser ein Warnsignal
aussendet und gegebenenfalls die automatische Kurssteuerung außer Betrieb setzt.
Zu diesem Zweck verwendet man einen magnetischen Vergleichskreis 9, dem ein Magnetschalter
47 nachgeschaltet ist.
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Die an den zwei Wicklungen 127 erscheinenden Spannungen werden zwei
parallel dazu angeschlossenen Wicklungen 11 und 13 zugeführt, welche die Primärwicklungen
von zwei Transformatoren 12 des Vergleichskreises 9 bilden. Der Primärwicklung 11
sind zwei Sekundärwicklungen 15 und 17 und der Primärwicklung 13 zwei Sekundärwicklungen
19 und 21 zugeordnet. Die beiden Wicklungen 15 und 19 sind mit einem Gleichrichter
in Reihe geschaltet, um eine erste Schleife für eine erste Ausgangswicklung 27 zu
bilden. Die zwei Wicklungen 17 und 21 sind ebenfalls miteinander und auch mit einem
Gleichrichter 25 in Reihe geschaltet, um eine zweite Schleife zu bilden, die zu
einer zweiten Ausgangswicklung 29 gehört, die mit der Wicklung 27 an einem Punkt
verbunden ist, der auch der gemeinsame Verbindungspunkt beider Schleifen ist. Die
beiden Wicklungen 27 und 29 bilden die Steuerwicklungen einer Re.aktanz 30, die
einen Teil des Magnetschalters 47 bildet. Die beiden Gleichrichter 23 und 25 sind
so angeschlossen, daß der von den zwei Wicklungen im Kern der Reaktanz erzeugte
Fluß die gleiche Richtung erhält.
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Wenn die zwei Wicklungen 127 an ihren Klemmen gleiche Spannungen liefern,
heben sich die in den zwei Wicklungen 15-19 oder 17-21 einer jeden vorerwähnten
Schleife induzierten Spannungen gegenseitig auf, so daß keine der zwei Wicklungen
27, 29 von einem Strom durchflossen wird. Sobald aber die beiden Beschleunigungsmesser
nicht mehr die gleichen Werte liefern, so daß eine der beiden Wicklungen 127 eine
größere Spannung als die andere liefert, wird eine der beiden Wicklungen 27, 29
von einem ; Differenzstrom durchflossen. Gleichgültig, welche der beiden Wicklungen
27 oder 29 einen Strom führt (was davon abhängt, welcher der beiden Beschleunigungsmesser
den größeren Wert anzeigt), wird die Reaktanz 30 des Schalters 47 von einem magneti-
; schen Fluß gleicher Richtung durchsetzt, der dafür sorgt, daß sich die Magnetisierung
des Kernes der Reaktanz vermindert.
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Die Reaktanz 30 trägt zwei Leistungswicklungen 33, 35, von denen jede
mit einem Gleichrichter 37 oder 39 in benachbarte Zweige einer Brücke eingeschaltet
sind, von der die beiden anderen Brückenzweige die Gleichrichter 43 und 45 enthalten.
Die Anschlußrichtung der vier Gleichrichter ist genauso gewählt wie bei einem Vollweggleichrichter
in Graetzschaltung. Die Spannungsecken der Brücke sind an eine Wechselspannung 41
angeschlossen. Die Nullecken der Brücke sind zwischen Masse und einer Ausgangsklemme
40 (beispielsweise an die positive Ecke einer Gleichrichterbrücke) angeschlossen.
Im übrigen wird ein Teil der Spannung an den Nullecken mit Hilfe eines Widerstandes
abgegriffen und in eine Gegenkopplungswicklung 31 eingespeist, so daß in der Reaktanz
ein Fluß entsteht, dessen Richtung dem der beiden Wicklungen 27 und 29 entgegengerichtet
ist, d. h. der Fluß erhält eine Richtung, die zu einer Sättigung des Kernes der
Reaktanz führt.
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Die Anordnung ist so getroffen, daß der Kern der Reaktanz bei stromlosen
Wicklungen 27, 29 gesättigt ist, die Impedanzen der beiden Zweige 33, 35 der Gleichrichterbrücke
klein sind und eine bestimmte Spannung an der Klemme 40 auftritt. Wenn die Meßwerte
der Beschleunigungsmesser nicht übereinstimmen, vermindert der in den zwei Wicklungen
27-29 fließende Strom die Magnetisierung der Reaktanz und vergrößert dadurch stark
die Impedanz der Wicklungen 33, 35, so daß die Brücke nur eine kleinere Spannung
liefert und das Potential im Punkt 40 absinkt.
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In Fig. 2 ist als Ausführungsbeispiel die Verwendung des Ausgangspotentiales
der Klemme 40 für die Überwachung einer automatischen Kurssteuerung erläutert. Die
verwendete Schaltung enthält drei Relais 53, 63 und 73, deren Kontakte vor dem Einschalten
der automatischen Kurssteuerung die angegebenen Stellungen haben. Nach dem Einschalten
der autcmatischen Kurssteuerung liegt, wie zuvor gezeigt, die Klemme 40 über dem
Magnetschalter 47 an Spannung. Diese Spannung wird über den Ruhekontakt 59 des Relais
63 dem Relais 53 zugeführt, dessen beide Arbeitskontakte 49 und 51 sich schließen.
Der Kontakt 49 überträgt das Potential der Klemme 40 über einen Gleichrichter 67
zu dem Relais 63, dessen Arbeitskontakt 61 geschlossen und dessen Ruhekontakt 59
geöffnet wird. Das Öffnen des Kontaktes 59 kann keine Entregung des Relais 53 hervorrufen,
da zuvor dessen Haltekontakt 51 geschlossen wurde. Das Schließen des Kontaktes 61
verbindet das Relais 63 über einen Gleichrichter 65 mit einer nicht näher dargestellten
Gleichspannungsquelle.
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Weiterhin wird das Potential der Klemme 40 über den geschlossenen
Kontakt 51 einem Relais 73 zugeführt, dessen Arbeitskontakt sich im Einschaltstromkreis
der nicht dargestellten automatischen Kurssteuerung befindet. Dieser Kontakt 71
wird geschlossen. Die vorerwähnten Gleichrichter verhindern eine Erregung des Relais
53 mittels der Gleichspannungsquelle.
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Bei dem normalen Betrieb der automatischen Kurssteuerung sind die
drei Relais erregt. Wenn einer der Beschleunigungsmesser A oder
B nicht einwandfrei arbeitet und das Potential an der Klemme 40 kleiner wird,
werden die Relais 53 und 73 nicht mehr über ihre Kontakte 49, 51 und 71 erregt.
Da der Kontakt 59 durch das Relais 63 offengehalten wird, bleibt der Alarmzustand
selbst dann bestehen, wenn das Potential an der Klemme 40 nach dem Aufhören der
Beschleunigung des Flugzeuges oder der Beseitigung des Fehlers wieder erscheint.
Um den Alarmzustand zu beenden, müssen die Kontakte 59 und 61, beispielsweise durch
manuellen Eingriff, wieder in die in Fig. 2 dargestellte Stellung bewegt werden.
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Die Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung,
wobei an Stelle der elektromagnetischen Beschleunigungsmesser potentiometrische
Beschleunigungsmesser vorgesehen sind.
Die Wicklung 3 des Stellmotors
ist hier mit einer Wechselstromquelle EAc über eine einzige Induktivität 127 verbunden,
welche die Ausgangswicklung einer veränderbaren Reaktanz 203 bildet. Die Steuerwicklung
223 der Reaktanz ist mit dem Abgriff 211 eines Potentiometers 215 verbunden, dessen
beide Enden an Masse liegen und dessen Mittelabgriff mit einer Gleichspannungsquelle
EDC verbunden ist. Der Abgriff 211 wird mit einem Beschleunigungsmesser betätigt,
dessen Bauelemente die gleichen aber um den Wert 100 erhöhten Bezugszeichen tragen
wie die der Fig. 1. Wenn keine Beschleunigung auftritt, befindet sich der Abgriff
211 in der Mitte des Potentiometers und führt der Wicklung 223 eine Spannung zu,
die ausreichend ist, um die Reaktanz auf den Sättigungspunkt zu bringen, so daß
die Impedanz der Induktivität 277 ein Minimum wird und die Wicklung 3 des Motors
die vorgeschriebene Maximalspannung erhält. Tritt eine Beschleunigung nach oben
oder nach unten auf, entfernt sich der Abgriff 211 von der Mittelstellung des Potentiometers,
und es vermindert sich die der Wicklung 223 zugeführte Spannung, so daß die Magnetisierung
des Kernes der Reaktanz vermindert und die Impedanz der Wicklung 227 vergrößert
wird; die der Wicklung 3 des Motors zugeführte Spannung nimmt dann entsprechend
ab.
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Auch hier ist zur Sicherheit eine zweite Beschleunigungsvorrichtung
B vorgesehen, die der zuvor beschriebenen Beschleunigungsmeßvorrichtung A ähnlich
ist. Hierbei ist aber der Abgriff des Potentiometers unmittelbar mit der Wicklung
11 des magnetischen Vergleichskreises 9 verbunden, der der Fig. 1 ähnlich ist. Die
andere Eingangswicklung 13 ist mit der Wicklung 227 und der Wicklung 3 des Motors
verbunden. Der Mittelabgriff des Potentiometers in der Einheit B wird aus der Wechselspannungsquelle
EAC gespeist. Es ist erkennbar, daß bei dieser Schaltung die Vergleichsvorrichtung
9 nicht mehr die Spannungsfälle an den Klemmen der beiden Induktivitäten wie bei
der Fig. 1, sondern an den Klemmen der Induktivität 227 und an der einen Hälfte
des Potentiometerwiderstandes 21$ vergleicht. Die -beiden Enden des Potentiometers
215 in der Einheit B sind mit einem Widerstand 206 bzw. 208 in Reihe geschaltet,
um eine Einregelung zu ermöglichen, bei der der Minimalwert der von der Einheit
B gelieferten Spannung dem für die Wicklung des Stellmotors 3 vorgeschriebenen Minimalwert
entspricht und bei der gleiche Verschiebungen der zwei Beschleunigungsmesser den
zwei Wicklungen 11 und 13 des Vergleichskreises gleiche Spannungen zuführen. Es
versteht sich übrigens, daß die Schaltungsanordnung der Fig. 3 auch bei dem elektromagnetischen
Beschleunigungsmesser der Fig. 1 verwendet werden kann, und daß umgekehrt auch die
Anschaltung der Fig. 1 sich in entsprechender Weise bei potentiometrischen Beschleunigungsmessern
verwenden läßt.
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Die vorstehenden Betrachtungen beziehen sich auf die Vertikalbeschleunigungen
eines Luftfahrzeuges und für die automatische Regelung des Höhensteuers, sie sind
jedoch in gleicher Weise anwendbar auf die beiden anderen Drehbewegungsachsen.