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Vorrichtung zum Messen von Winkelgeschwindigkeiten und Winkelversetzungen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen von Winkelgeschwindigkeiten
und Winkelversetzungen mittels einer durch axiale Erregerkräfte in einer vorbestimmten
Ebene mechanisch schwingenden Saite sowie einer mit dieser Saite zusammenwirkenden
Meßeinrichtung zur Bestimmung der Winkelabweichungen einer Bezugsebene der Vorrichtung
von der Saitenschwingebene.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art wird die Saite durch an
beiden Enden der Saite angebrachte in Gegentakt arbeitende Magnetsysteme in Schwingungen
versetzt. Diese bekannte Vorrichtung besitzt aus diesem Grund verschiedene Nachteile.
Bei einem magnetischen Erregersystem ist nämlich die Größe der Schwingungsamplitude
begrenzt. Außerdem kann das eigentliche Meßsignal zur Bestimmung der Winkelabweichung
nicht einfach als Strom innerhalb der Saite selbst erzeugt werden, da zur Erzeugung
der Schwingungsbewegung in der Saite bereits ein Strom erzeugt werden muß.
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Um diese Nachteile der bekannten Vorrichtung der eingangs erwähnten
Art zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Saite zwischen zwei
gegenüberliegende Platten eingespannt und über diese elektrostatisch zu Schwingungen
angeregt ist. Mit dem erfindungsgemäßen Erregersystem kann mit einfachen Mitteln
eine relativ große Schwingungsamplitude erzeugt werden. Da zur Erzeugung dieser
Schwingungsamplitude in der Saite selbst kein Strom erzeugt werden muß, kann das
eigentliche Meßsignal unmittelbar als Strom innerhalb der Saite erzeugt werden.
Die Meßempfindlichkeit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann damit bei minimaler
Störempfindlichkeit wesentlich gesteigert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn ein von der einen Platte betätigter kapazitiver Geber vorgesehen
wird, dessen Ausgangssignal einem durch eine der Platten und einer dieser gegenüberliegenden
Leiterfläche gebildeten elektrostatischen Antrieb zugeführt wird, beispielsweise
derart, daß der kapazitive Geber durch eine der Platte gegenüberliegende Leiterfläche
gebildet ist und die Leiterfläche zur Bildung des elektrostatischen Antriebs der
gleichen Platte gegenüberliegend angeordnet ist. Vorzugsweise wird unter Bildung
eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises zwischen Geber und Antrieb ein
Verstärker geschaltet. Um am Anfang der Schwingungserzeugung die Saite mit größerer
Amplitude schwingen lassen zu können als im eigentlichen Betrieb, kann zwischen
Geber und Antrieb auch noch ein Amplitudenbegrenzer, beispielsweise ein Heißleiter,
ge-
schaltet sein. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zur Korrektur
der Schwingungsebene eine mit der Saite zusammenwirkende Dreheinrichtung vorgesehen
wird, beispielsweise derart, daß eine Einrichtung zum Erzeugen eines Stromes in
der elektrisch leitenden Saite sowie ein Magnetspulensystem zum Erzeugen eines Magnetfeldes
senkrecht zur Seitenlängsachse vorgesehen wird. Dabei kann der Strom in der Saite
beispielsweise durch ein zweites Magnetspulensystem induziert werden, das ein senkrecht
zu dem Magnetfeld des ersten Spulen systems und senkrecht zur Saitenlängsachse wirkendes
Magnetfeld erzeugt.
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Die eigentliche Meßeinrichtung zur Bestimmung der Winkelabweichung
kann ein weiteres Magnetspulensystem zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes
senkrecht zur Saite sowie eine Anzeigeeinrichtung zur Bestimmung der Größe des in
der Saite durch dieses Wechselfeld induzierten Signals umfassen, wobei sich vorzugsweise
die Frequenz des Wechselfeldes von der Frequenz der Saitenschwingung unterscheidet.
Die Anzeigeeinrichtung kann einen ersten Demodulator umfassen, durch welchen das
in der Saite induzierte Signal mittels eines über eine Fühleinrichtung von der Saitenschwingfrequenz
abgeleiteten Signals demoduliert wird, sowie einen zweiten Demodulator, durch welchen
das demodulierte Ausgangssignal des ersten Demodulators mittels eines Signals von
der Frequenz des Wechselfeldes demoduliert wird. Um die Saitenschwingung zu stabilisieren,
wird vorzugsweise der
Ausgang des zweiten Demodulators mit dem ersten
Magnetspulensystem verbunden.
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Ein besonders einfacher Gesamtaufbau ergibt sich, wenn die beiden
Platten an einem Gehäuse gegeneinander frei schwingend befestigt sind und die Magnetspulensysteme
an einer innerhalb dieses Gehäuses um die Saitenachse, insbesondere über einen Zahnradantrieb,
verdrehbaren Hülse angebracht sind.
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Hierbei können innerhalb der Hülse im gleichmäßigen Abstand vier Magnetkerne
mit Magnetspulen befestigt sein. Die Fühleinrichtung für die Saitenschwingungsfrequenz
besteht vorzugsweise aus Leiterbelägen auf den Stirnilächen von zwei gegenüberliegenden
Magnetkernen. Schließlich kann das Gehäuse mit mehreren parallel zur Saite verlaufenden
Schwingzungen versehen sein, deren Resonanzfrequenz gleich oder ein Vielfaches der
Saitenschwingfrequenz ist, und das Gehäuse kann über mehrere Stoßdämpfer auf einer
Grundfläche abgestützt sein.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt den schematischen Gesamtaufbau einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung; F i g. 2 zeigt eine erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtung im Längsschnitt;
F i g. 3 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 4-4 in Fig.2; F i g. 4 zeigt einen
Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig.2; F i g. 5 zeigt die perspektivische Gesamtdarstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig.2; F i g. 6 zeigt die Vorrichtung von
unten; Fig.7 zeigt einen vergrößerten Teilschnitt durch die Saite und die benachbarten
magnetischen und kapazitiven Einrichtungen; Fig.8 bis 10 zeigen in verschiedenen
Schnitten eine weitere Ausbildungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Gemäß Fig. 1, in welcher die funktionellen Beziehungen zwischen den
elektrischen, mechanischen und magnetischen Teilen einer bevorzugten Ausbildungsform
der Erfindung dargestellt sind, umfaßt das Gerät mit einer schwingenden Saite eine
feine mit Gold plattierte Quarzfaser 11, die bis zur Grenze der zulässigen Spannung
gespannt und an zwei Punkten an zwei schwingenden, an den Enden der Faser angeordneten
Stäben oder Membranen 12 und 13 befestigt ist, welche mit Hilfe von noch zu beschreibenden
Mitteln starr miteinander verbunden sind und gemäß F i g. 1 in einem bestimmten
Abstand voneinander gehalten werden. Die Saite bzw. die Faser 11 hat vorzugsweise
einen kreisrunden Querschnitt, und ihr Durchmesser kann bei einer Länge von etwa
25 bis 50 mm etwa 0,075 mm betragen. Die Membranen 12 und 13, die beide mit einem
noch zu beschreibenden Stützkörper aus Quarz aus einem Stück bestehen, können eine
Dicke in der Größenordnung von etwa 1,5 mm haben und werden veranlaßt, Schwingungen
in entgegengesetzten Richtungen so auszuführen, daß sich die Enden der Saite genau
in axialer Richtung bewegen, d. h., daß sich die Membranen gemeinsam nach innen
und gemeinsam nach außen bewegen.
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Das durch die genannten Teile gebildete schwingungsfähige System
ist dynamisch abgeglichen, so daß sich ein hoher Wert für Q ergibt. Es wird ein
hoher Grad der Symmetrie zwischen den schwingen-
den Membranen 12 und 13 vorgesehen,
um zu gewährleisten, daß die Endpunkte der Saite ausschließlich axiale Bewegungen
ausführen. Um die Stabilität der Bezugsebene eines solchen Geräts aufrechtzuerhalten,
ist es zweckmäßig, die Änderungen der Spannung der Saite während der Schwingungsbewegungen
möglichst klein zu halten. Beispielsweise werden der Unterstützung trotz aller Vorsichtsmaßnahmen
in einem gewissen Ausmaß Transversalschwingungen mitgeteilt, die auf die Unterstützungspunkte
der Saite so übertragen werden, daß die schwingende Saite eine elliptische Bahn
beschreibt.
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Bei einer solchen elliptischen Bahn gibt eine Anderung der Saitenspannung
infolge der Nichtlinearität Anlaß zu einer unerwünschten Präzession, d. h. einer
Drehung der Schwingungsebene. Durch geeignete Wahl der anfänglichen Spannung und
der die Frequenz bestimmenden Abmessungen sowie durch eine geeignete Regelung der
Amplitude der Längsbewegung kann man die Änderungen der Spannung weitgehend verringern.
Die Amplitude der Längsbewegung richtet sich auf eine noch zu erläuternde Weise
nach dem Verhalten des Längsantriebssystems und den Abmessungen der schwingenden
Membranen.
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Die Dicke der Membranen und der Abstand zwischen den Unterstützungspunkten
der Membranen bestimmt die Resonanzfrequenz, mit der die Membranen angetrieben werden.
Die Frequenz des Resonanzantriebs ist doppelt so groß wie die Frequenz der Saite.
Die Masse der Saite je Längeneinheit wird ebenso wie die Spannung auf geeignete
Weise eingestellt, um das gewünschte Amplituden-Längen-Verhältnis zu erzielen. Hierbei
handelt es sich um das Verhältnis zwischen der Amplitude der Transversalbewegung
der Saite und der Länge der Saite zwischen den Unterstützungspunkten. Mit Hilfe
einer geringfügigen Trimmung der Amplitude des Antriebsoszillators läßt sich ein
Zustand minimaler Spannungsänderung erreichen, bei welchem sich das Amplituden-Längen-Verhältnis
weitgehend dem Sollwert nähert.
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Das resonanzfähige System, welches die Stäbe oder Membranen 12 und
13 umfaßt, mittels deren die Saite in Schwingungen versetzt wird, kann zusammen
mit dem die zugehörige Unterstützung bildenden Körper in ein Gehäuse eingeschlossen
sein, das in einem solchen Ausmaß evakuiert ist, daß der Q-Wert der resonanzfähigen
Stäbe oder Membranen außerordentlich hoch wird und z. B. in der Größenordnung von
100000 liegt und daß man nur kleine Antriebskräfte benötigt, um den Schwingungszustand
aufrechtzuerhalten. Im Hinblick auf die Kleinheit der benötigten Antriebskraft kann
man das resonanzfähige System dadurch in Schwingungen versetzen, daß man eine Wechselspannung
an einen Kondensatorspalt anlegt, so daß man einen elektrostatischen Antrieb erhält.
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Dieser elektrostatische Antrieb umfaßt einen eine geschlossene Schleife
bildenden Oszillator mit einer Elektrode 14, die als Plattierung oder auf andere
Weise fest auf der Außenfläche der schwingenden Membran 13 vorgesehen ist, sowie
eine kapazitive Geberplatte 15, die an einem das Gerät tragenden Gehäuse befestigt
ist. Der Geber 14, 15 liefert ein Signal, das die Amplitude und die Phase der Antriebsbewegung
anzeigt; dieses Signal wird durch einen Verstärker 17 verstärkt, dessen Verstärkungsgrad
durch einen in dessen Rückkopplungskreis eingeschalteten
Heißleiter
16 geregelt wird. Dann wird das Signal einem Leistungsverstärker 18 zugeführt, dessen
Ausgangssignal an einen elektrostatischen Antrieb angelegt wird, der die als Plattierung
der Membran 13 ausgebildete Elektrode 14 und eine am Gerätegehäuse befestigte zweite
aufplattierte Elektrode 19 umfaßt. Einer Spannungsquelle 20 wird als Vorspannung
eine Gleichspannung entnommen, die an die Elektrode 14 angelegt wird, um den Geber
zu erregen und Schwingungen zu erzeugen; hierdurch wird der Wirkungsgrad der Wechselspannung
beim Antreiben des Resonators wesentlich erhöht. Man erkennt somit, daß ein Rückkopplungsoszillator
vorgesehen ist, der als Frequenzregelungsorgan die schwingende Membran 13 umfaßt,
an welche über den Spalt zwischen den Elektroden 15 und 19 eine Antriebsspannung
angelegt wird, deren Frequenz doppelt so hoch ist wie die Schwingungsfrequenz der
Saite.
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Der Heißleiter 16, dessen Widerstand mit der Temperatur abnimmt,
bewirkt normalerweise, daß das im Antriebsoszillatorkreis fließende Signal begrenzt
wird, um so eine konstante Schwingungsamplitude aufrechtzuerhalten. Dieser Heißleiter
erfüllt noch eine zweite wichtige Aufgabe, die sich aus der Notwendigkeit ergibt,
die gewünschte konstante Spannung der Saite aufrechtzuerhalten. Bei dem Betrieb
mit einer solchen konstanten Spannung der Saite ergeben sich gewöhnlich Schwierigkeiten,
wenn ein Endantrieb verwendet wird und der Schwingungsvorgang eingeleitet werden
soll. Aus diesem Grund wird der Heißleiter 16 benutzt, um zu veranlassen, daß die
anfängliche Amplitude der Längsbewegung erheblich größer ist und die normale Betriebsamplitude
um etwa 750/0 überschreitet. Diese Vergrößerung der anfänglichen Amplitude wird
durch die thermischen Eigenschaften des Heißleiters 16 bewirkt, der im kalten Zustand
einen relativ hohen Widerstand hat, so daß ein stärkeres Signal durch den Antriebsoszillatorkreis
fließen kann. Wenn sich der Heißleiter kurz nach dem Einleiten der Schwingungen
aufheizt, geht sein Widerstand zurück, so daß sich der Verstärkungsgrad des Verstärkers
17 verringert und das im Antriebsoszillatorkreis fließende Signal bis zu einem Punkt
abgeschwächt wird, bei welchem es einen stetigen Pegel aufrechterhält.
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Die Schwingungsebene der Saite 11 hat das Bestreben, ihre Lage im
Raum beizubehalten, so daß dann, wenn die Unterstützung bzw. der das Gerät tragende
Körper um die Achse der Saite 11 gedreht wird, eine Anzeige der Winkelbeziehung
zwischen der Schwingungsebene der Saite und dem das Gerät tragenden Körper das gewünschte
Ausgangssignal als Winkelwert liefert. Zu diesem Zweck ist eine magnetische Konstruktion
vorgesehen, die einen Kern 30 umfaßt, welcher an der Saitenunterstützung befestigt
ist und eine Wicklung 31 trägt; zum Erregen dient eine Wechselspannungsquelle 32,
deren Frequenz sich erheblich von der Frequenz der resonanzfähigen Saite unterscheidet
und ein unganzes Vielfaches dieser Frequenz ist. Bei der hier beschriebenen Ausbildungsform
ist das durch die magnetische Konstruktion 30, 31 erzeugte Abtastfeld nicht einpolig,
sondern seine Polarität wechselt, um den Betrieb einer noch zu beschreibenden magnetischen
Antriebskonstruktion zum Regeln der Präzession zu ermöglichen. Das alternierende
Magnetfeld bestimmt durch seine Richtung die Bezugsebene der Schwin-
gungen der Saite.
Solange die Saite in einer Ebene schwingt, die zu dem durch den Elektromagneten
30, 31 erzeugten Feld parallel ist, wird in der elektrisch leitenden Goldplattierung
der Saite 11 kein Strom induziert. Sobald sich jedoch die Saitenunterstützung um
die Saitenachse dreht, wird die Magnetkonstruktion 30, 31 gegenüber der Schwingungsebene
gedreht, und die Geschwindigkeit der schwingenden Saite hat jetzt eine zum Magnetfeld
rechtwinklige Komponente, so daß in der Plattierung der Saite ein Strom induziert
wird. Dieser Strom fließt zwischen dem geerdeten Ende der Saite und einem die Saite
überbrückenden geerdeten Widerstand 33. Das an diesem äußeren Widerstand erscheinende
Signal wird über einen Verstärker 34 einem ersten Demodulator 35 zugeführt, dessen
Phase durch ein Signal bestimmt wird, dessen Frequenz gleich der Schwingungsfrequenz
der Saite ist.
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Die Bezugsphase für den Demodulator 35 wird zwei kapazitiven Geberplatten36
und 37 entnommen, die nahe der Saite angeordnet sind, so daß die Saite ihre Schwingungsbewegungen
in Richtung auf diese Platten und von ihnen weg ausführt. Auf diese Weise werden
in den beiden Platten36 und 37 Signale mit entgegengesetztem Vorzeichen erzeugt,
die den Enden einer Primärwicklung 38 eines Transformators 39 zugeführt werden.
Die Primärwicklung 38 besitzt eine Mittelanzapfung für die der Spannungsquelle 40
entnommene Erregungs-Gleichspannung. Die Sekundärwicklung 41 des Transformators
39 führt das Gebersignal der Saite über einen Verstärker 42 dem Demodulator 35 zu.
Das Bezugsphasensignal aus dem Transformator 39 hat natürlich die gleiche Frequenz
wie die Schwingung der Saite, denn die Kapazität zwischen den Platten 36 und 37
einerseits und der Saite 11 andererseits variiert genau in Abhängigkeit von der
Schwingungsfrequenz der Saite.
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Wenn ein Gleichspannungs-Abtastfeld für die Magnetkonstruktion 30,
31 verwendet würde, so würde am Ausgang des Demodulators 35 ein Signal erscheinen,
dessen Amplitude dem Sinus des Drehwinkels proportional ist, und dessen Polarität
dem Vorzeichen des Drehwinkels entspricht. Jedoch hängt das Vorzeichen des Ausgangssignals
auch vom Richtungssinn des Magnetfeldes ab. Da die Polarität des Magnetfeldes wechselt,
ist eine weitere Demodulation erforderlich; zu diesem Zweck dient ein zweiter Demodulator
50, dem das Ausgangssignal des Demodulators 35 zugeführt wird, und dessen Phase
durch die Erreger-Gleichspannungsquelle 32 mit der Frequenz des Abtastmagnetfeldes
bestimmt ist. Somit bildet das Ausgangssignal des zweiten Demodulators 50 das gewünschte
Ausgangssignal, das auf bekannte Weise dazu dienen kann, einen geeigneten Servosteuerkanal
einer stabilisierten Plattform zu betätigen, auf der das Gerät angeordnet sein kann,
um eine genaue Übereinstimmung zwischen der Schwingungsebene und der Bezugsebene
aufrechtzuerhalten. Mit anderen Worten, das beschriebene Gerät liefert ebenso wie
ein Kreisel bekannter Art mit umlaufender Masse als Ausgangssignal ein Winkelsignal,
das der Winkelabweichung einer stabilen Plattform von der durch den Kreisel festgelegten
Bezugsebene proportional ist und dazu dienen kann, einen Kardan-Seivomotor auf der
Plattform so zu betätigen, daß die Plattform in einer solchen Richtung gedreht wird,
daß eine Rückführung der Winkelabweichung
auf Null erfolgt. Um
das Signal auszuschalten, das sich aus irgendeiner dritten seitlichen Bewegungsart
der Saite ergibt, entspricht die Länge der Polkonstruktion 30 des Abtastmagneten
in Richtung der Saitenlängsachse vorzugsweise zwei Dritteln der Saitenlänge. Auf
diese Weise werden längs dieses Abschnitts annähernd gleich große und entgegengesetzte,
einer dritten Schwingungsart entsprechende Komponenten induziert, und die der dritten
Schwingungsart entsprechende Ausgangsspannung wird verringert. Der schwache Strom,
der notwendigerweise fließt, wenn diese Spannung an den Verstärker34 angelegt wird,
bewirkt keine Abtrift, denn er befindet sich nicht in Phasenübereinstimmung mit
der Geschwindigkeit der Saite.
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Bei dem Gerät nach F i g. 1 sind Maßnahmen getroffen, um das Gerät
mit hoher Genauigkeit anzutreiben bzw. zu drehen, d. h. um eine regelbare Präzession
der Schwingungsebene der Saite herbeizuführen. Die Drehvorrichtung umfaßt eine zweite
Magnetkonstruktion mit einem Kern 51 und einer darauf angeordneten Wicklung52, die
von einer Gleichspannungsquelle 49 aus mit einem konstanten Gleichspannungssignal
erregt wird. Das Magnetfeld der Konstruktion 51, 52 ist vorzugsweise direkt auf
das Magnetfeld der Abtastkonstruktion 30, 31 ausgerichtet. Rechtwinklig zum Magnetfeld
der Konstruktionen30, 31 und 51, 52 sind zwei Magnetkerne 53 und 54 angeordnet,
die jeweils eine Wicklung55 bzw. 56 tragen; diese Wicklungen sind in Reihe geschaltet,
und das eine Ende der Wicklung 56 ist geerdet. Das andere Ende der hintereinandergeschalteten
Wicklungen 55 und 56 ist mit einer Klemme 57 eines Schalters 58 verbunden, der in
seiner aus Fig.1 ersichtlichen Stellung den Wicklungen 55 und 56 ein variables Signal
zuführt, das, wie in F i g. 1 schematisch dargestellt, einem Potentiometer 59 entnommen
wird, das mit Hilfe eines Drehknopfes 60 verstellt werden kann. Zwar wird im vorliegenden
Fall das Gleichstrom-Drehfeld der Wicklung 52 mit Hilfe einer gesonderten Magnetkonstruktion
erzeugt, doch sei bemerkt, daß es auch möglich ist, die Wicklungen 31 und 52 in
Reihe zu schalten, wobei die Gleichspannungskomponente dadurch erzeugt wird, daß
bei der erregenden, zur Abtastung dienenden Wechselspannung eine Gleichspannungskomponente
vorgesehen wird.
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Die regelbare Magnetfeldkonstruktion 53, 54, 55, 56 liefert ein zur
normalen Schwingungsebene der Saite rechtwinkliges Magnetfeld und bildet somit eine
Einrichtung, die es ermöglicht, in der Saite einen Strom zu induzieren, der der
Größe dieses Gleichstrom-Drehfeldes proportional ist. Wenn die Saite Schwingungen
ausführt, durchschneidet sie das variable Gleichspannungs-Antriebsfeld, so daß in
der Saite ein Strom induziert wird, der durch einen äußeren Belastungswiderstand,
z. B. den Widerstand 33, abfließt. Wenn sich jetzt die von dem regelbaren Strom
durchflossene Saite in dem durch die Magnetkonstruktion 51, 52 erzeugten Gleichspannungs-Bezugsfeld
nach oben und unten bewegt, wird auf die Saite durch das feste Gleichspannungs-Bezugsfeld
eine Transversalkraft aufgebracht. Diese Kraft befindet sich in Phase mit der Geschwindigkeit
der Saite, d. h., wenn sich die Saite z. B. nach oben bewegt, wird auf die Saite
eine nach links wirkende Kraft aufgebracht; bewegt sich die Saite nach unten, wirkt
die auf die Wechselwirkung zwischen dem
festen Gleichspannungsfeld und dem in der
Saite fließenden Strom zurückzuführende Kraft nach rechts, wenn man die Saite vom
gleichen Ende aus betrachtet. Somit hat die Schwingungsebene der Saite das Bestreben,
mit einer Geschwindigkeit zu präzedieren, die proportional zum Produkt des durch
das regelbare Magnetfeld in der Saite induzierten Stroms und der Größe des festen
Magnetfeldes ist.
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Daher ist die Präzessionsgeschwindigkeit proportional zu dem variablen
Signal, das den Antriebswicklungen über den Schalter 58 zugeführt wird. Bei einer
Umkehrung der Wirkungsrichtung des variablen Gleichspannungs-Antriebsfeldes kehrt
sich auch die Präzessionsrichtung um.
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Das Vorhandensein des durch die Magnetkonstruktion 51, 52 erzeugten
festen Gleichspannungsfeldes führt zu Präzessionskräften, die bestrebt sind, die
Schwingungsebene der Saite auf dieses Feld auszurichten. Mit anderen Worten, dieses
feste Gleichspannungsfeld ist normalerweise bestrebt, das Gerät zu stabilisieren.
Die Stabilisierungszeitkonstante, d. h. die für eine Rückkehr über 676/o der Winkelversetzung
benötigte Zeit, beträgt jedoch für einen Drehbereich von 750 je Stunde etwa 100
Sekunden und erreicht bei einem Drehungsbereich von 150 je Stunde einen Wert von
bis zu 500 Sekunden. Ferner hat jede mit der Schwingungsfrequenz der Saite auftretende
Spannung, die infolge des durch die Wicklung 52 erzeugten festen Gleichspannungsfeldes
induziert wird, die gleiche Frequenz wie die Saitenschwingungen und wird daher durch
den die verschiedenen Demodulatoren umfassenden Ausgangskanal unterdrückt.
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Bei der Verwendung der soeben beschriebenen Antriebsanordnung kann
man das Gerät bequem stabi-Iisieren, indem man das Ausgangssignal des Demodulators
50 einer zweiten Klemme 61 des Schalters 58 zuführt. Bei Betätigung des Schalters
58 kann das Gebersignal, das die Winkelabweichung zwischen der Bezugsebene und der
Ebene der Saitenunterstützung anzeigt, als Antriebssignal zugeführt werden, um eine
Präzession der Schwingungsebene in einem solchen Sinne zu bewirken, daß die Abweichung
zwischen der Saitenschwingungsebene und der durch die Magnetkonstruktion 51, 52
geschaffenen Bezugsebene auf ein Mindestmaß verringert wird. Wie schon erwähnt,
ist die Magnetkonstruktion 51, 52 auf die durch die magnetische Abtastkonstruktion
30, 31 geschaffene Bezugsebene ausgerichtet.
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Wie bekannt, kann man einen Kreisel benutzen, um auf der Erdoberfläche
eine Richtung dadurch anzuzeigen, daß der Rotationsvektor der Erde ermittelt wird.
Das Gerät nach Fig. 1 läßt sich für einen solchen Anwendungsfall dadurch vereinfachen,
daß man die Antriebseinrichtung und alle zugehörigen Teile fortläßt und für eine
schnelle Stabilisierung dadurch sorgt, daß man einen relativ kleinen Widerstand
65 vorsieht, der mit den Enden der Saite über einen Schalter 66 verbunden werden
kann. Bei einer solchen Anordnung kann man mit Hilfe der Magnetkonstruktion 30,
31 ein Abtastfeld in Form eines Gleichspannungsfeldes erzeugen, da die Antriebseinrichtung
fortgelassen wurde. Eine schnelle Stabilisierung erfolgt dadurch, daß man den Schalter
66 schließt, um die Saite durch den relativ kleinen Widerstand 65 zu überbrücken,
so daß durch die Komponente der Saitenbewegung rechtwinklig zum Abtastfeld ein stärkerer
Strom induziert wird. Dieser
stärkere Strom wirkt mit dem Gleichspannungs-Abtastfeld
zusammen, um eine schnelle Stabilisierung des Geräts zu bewirken. Nach dem Erreichen
des stabilen Zustandes des Geräts wird der Schalter 66 geöffnet, so daß die Saite
durch den relativ großen Belastungswiderstand 33 überbrückt ist, wodurch die Stabilisierungszeitkonstante
erheblich vergrößert wird, so daß eine Messung von Abweichungen mit Hilfe des Geräts
möglich ist.
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Wenn bei einem Gerät zum Messen einer Abweichung oder Verlagerung
die Achse der Saite nahezu in der Ost-West-Richtung angeordnet ist, um eine Richtungsbestimmung
mit Hilfe einer Kreiselwirkung zu ermöglichen, dreht sich die Schwingungsebene um
einen bestimmten Winkel gegenüber der Bezugsebene des Kreisels, so daß das demodulierte
Geber signal entsprechend dem Cosinus der geographischen Breite in einer direkten
Beziehung zur Abweichung der Saitenachse von der Ost-West-Richtung steht.
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Ein empfindliches Nullanzeigegerät, dem das Geber signal zugeführt
wird, zeigt dann an, wann das Gerät und die Saitenachse genau auf die Ost-West-Richtung
ausgerichtet worden sind.
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Man erkennt, daß das Gerät bei der Verwendung eines Gleichspannungs-Abtasffeldes
oder eines mit Hilfe der I(onstruktion 51, 52 erzeugten festen Antriebsfeldes stets
Stabilisierungskräften ausgesetzt ist.
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Wie schon erwähnt, richtet sich die Größe dieser Stabilisierungskräfte
nach der Stärke des durch die Saite fließenden Stroms. Wenn die Saite durch einen
relativ großen Widerstand überbrückt ist, weist das Gerät eine große Zeitkonstante
auf und wirkt praktisch als Gerät zum Messen einer Abweichung. Ist die Saite durch
einen relativ kleinen Widerstand überbrückt, arbeitet das Gerät mit einer kleinen
Zeitkonstante und wirkt daher weitgehend als Gerät zum Messen einer Geschwindigkeit.
Dieses Merkmal läßt sich an Hand der Analogie zu bekannten Geräten mit umlaufender
Masse erklären, z. B. durch einen Vergleich mit einem Geschwindigkeitskreisel, bei
dem die Ausgangsachse des Geräts mit einer Torsionsfeder versehen ist, durch welche
die Präzession der Ausgangsachse gehemmt wird. Bei einer solchen Hemmung der Ausgangs
achse arbeitet ein gewöhnlicher Kreisel mit umlaufender Masse als Geschwindigkeitsgerät
und liefert eine Winkelverlagerung der Ausgangsachse, welche die Geschwindigkeit
der Drehung der Eingangsachse anzeigt. Ohne das Vorhandensein einer solchen Hemmung
der Ausgangsachse der Saite ist die Winkelversetzung der Ausgangsachse ein Maß für
die Winkelversetzung der Eingangsachse, so daß das Gerät auf Winkelversetzungen
anspricht. Jedoch erfolgt auch bei den genauesten Geräten eine gewisse Hemmung der
Ausgangsachse infolge von Unvollkommenheiten der Lager für die Ausgangsachse von
durch die Zuleitungen aufgebrachten Drehmomenten u. dgl. Somit wirkt auch ein Präzisionskreisel
zur Messung von Versetzungen in einem gewissen Ausmaß als ein auf Geschwindigkeiten
ansprechendes Gerät.
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Bei dem Gerät nach F i g. 1 läßt sich die an der Saite auftretende
Spannung wie folgt ausdrücken: E = KO = K,6 t K,. (1) Hierin ist e der Winkel zwischen
dem Abtastfeld und der Schwingungsebene; 0 ist der Winkel zwischen dem Abtastfeld
und der ursprünglichen Bezugsebene; K, K, und K2 sind Konstanten. e zeigt
den Ausgangswinkel
an, 0 bildet eine Anzeige für den Eingangswinkel, und m zeigt die Eingangsgeschwindigkeit
an. Man erkennt aus dieser Gleichung, daß die Ausgangsspannung eine Komponente enthält,
welche den Eingangswinkel anzeigt, sowie eine die Eingangsgeschwindigkeit anzeigende
Komponente. Wie schon erwähnt, lassen sich die relativen Größen dieser Komponenten
durch eine Regelung des die Saite überbrückenden Widerstandes regeln.
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Bei solchen Flugsteuersystemen, bei denen man kombinierte Informationen
über die Versetzung und die Winkelgeschwindigkeit benötigt, kann man somit eine
geeignete Kombination von Widerständen 33 und 65 wählen, um zu erreichen, daß das
Ausgangssignal des Gebers Informationen über die Geschwindigkeit und die Winkelversetzung
in den gewünschten Anteilen enthält. Alternativ kann man als Überbrükkung für die
Saite an Stelle der abwechselnd einschaltbaren Widerstände 65 und 33 einen einzigen
variablen Widerstand vorsehen.
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Bei dem vorstehend beschriebenen, mit einer Antriebseinrichtung versehenen
Gerät ist die absolute Größe störender Gleichspannungskomponenten von relativ geringer
Bedeutung. Jedoch führt eine Änderung der Größe jedes störenden Gleichspannungs-Magnetfeldes
zur gleichen Wirkung wie eine Änderung des regelbaren Feldes. Aus diesem Grund ist
eine magnetische Abschirmung in Form eines Materials von geringem magnetischem Widerstand
vorgesehen; diese Abschirmung umschließt das Gerät, um die Änderungen der störenden
Gleichspannungs-Feldkomponenten zu verringern, denen das Gerät ausgesetzt ist.
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In F i g. 2 bis 6 ist eine praktische Ausbildungsform des an Hand
von F i g. 1 beschriebenen Geräts mit einer schwingenden Saite dargestellt. Die
Saite 11 ist an ihren Enden in Öffnungen der schwingenden Platten 12 und 13 eingekittet,
und diese Platten bestehen gemäß Fig. 2 und 5 aus einem Stück mit einem Quarzkörper
70, der einen kräftigen Versteifungsring 71E trägt, welcher bei 72 genutet ist,
damit elektrische Zuleitungen untergebracht werden können. Die schwingungsfähigen
Membranen 12 und 13 sind an drei Stellen ausgeschnitten und mit dem Quarzkörper
70 der Unterstützung gemäß Fig.5 an drei Stellen bei 73, 74 und 75 verbunden. Der
Tragkörper ist oberhalb und unterhalb der schwingenden Membranen kurz abgeschnitten
und dadurch mit mehreren schwingungsfähigen Zungen 76 verstehen, so daß mehrere
Schlitze vorgesehen sind, die sich nach innen zu dem Versteifungsring71 erstrecken.
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Die elektrischen Zuleitungen zu den Enden der Saite 11 können als
Plattierungen 77 und 78 ausgebildet sein, die sich über die Außenflächen der schwingenden
Membranen und längs der Umfangsfläche des Tragkörpers bis zu dem Versteifungsring
erstrecken, wo sie mitZuleitungsdrähten verbunden sein können.
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Das schwingungsfähige Tragaggregat nach F i g. 5 ist gemäß F i g.
2 in einem nach außen abgedichteten Gehäuse 80 aus einem Material von geringem magnetischem
Widerstand angeordnet; dieses Gehäuse besteht aus einem Oberteil und einem Unterteil,
die aneinander sowie an einer ortsfesten Tragplatte 81 befestigt sind und von der
Tragplatte 81 aus durch mehrere Stoßdämpfer 82 unterstützt werden; die Stoßdämpfer
sind in gleichmäßigen Umfangsabständen verteilt. Jeder Stoßdämpfer 82 umfaßt eine
an einem Gehäuseteil befestigte Hülse, in der eine langgestreckte
nachgiebige
Buchse 83 angeordnet ist; durch die Bohrung der Buchse 83 erstreckt sich der Schaft
einer Schraube 84, die eine Mutter trägt, um die beiden Gehäuseteile zusammenzuhalten
und sie mit der Tragplatte 81 zu verbinden. Diese Anordnung der Stoßdämpfer ermöglicht
eine lineare Bewegung des ganzen Geräts parallel zur Grundplatte sowie rechtwinklig
zur Achse der Saite. Die Stoßdämpfer bewirken zusammen mit den Schwingungen absorbierenden
resonanzfähigen Zungen 76 eine weitgehende Ausschaltung der Übertragung von quer
zur Saitenachse auftretenden Schwingungen, deren Frequenz gleich der Saitenfrequenz
oder nahezu gleich dieser Frequenz ist, auf das Saitenaggregat 70. Sollten Schwingungen
durch die Stoßdämpfer übertragen werden, werden die von dem Tragkörper70 aufgenommenen
Schwingungskräfte den schwingungsfähigen Zungen 76 mitgeteilt, die bezüglich ihrer
Länge und Dicke so bemessen sind, daß sie bei der Saitenschwingungsfrequenz resonanzfähig
sind. Die parasitären Schwingungen der Zungen 76 wirken somit den Schwingungen des
eigentlichen Tragkörpers 70 entgegen.
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Das Gerät umfaßt ferner ein Magnetaggregat mit einem im wesentlichen
zylindrischen Mantel 85, der auf senkrechten und waagerechten Schultern 86 und 87
im unteren Gehäuseteil 80 ruht, wie es in F i g. 2 gezeigt ist. Der Mantel 85 paßt
ziemlich genau in diese im wesentlichen ringförmigen Schultern, doch ist er so gelagert,
daß er um die Saitenachse gedreht werden kann. Diejenigen Teile des Gehäuses, welche
die Schultern zum Unterstützen des Mantels für das Maguetaggregat bilden, sind dort
ausgeschnitten, wo dies erforderlich, um die mit dem Haupttragkörper 70 verbundenen
Teile der schwingenden Membranen 12 und 13 aufzunehmen.
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Der Mantel 85 des Magnetaggregats ist am oberen Ende mit einer Verzahnung
88 versehen, die in ein Ritzel 89 eingreift, welches auf einer Klemmschraube 90
gelagert ist, die in eine Öffnung im oberen Teil des Gehäuses 80 eingeschraubt ist.
Die Welle, mittels deren das Ritzel 89 auf der Klemmschraube 90 gelagert ist, kann
ein Einstellwerkzeug aufnehmen, das in die Klemmschraube 90 eingeführt werden kann,
um das Magnetaggregat in die gewünschteWinkelstellung zu bringen. Die Unterkante
der Klemmschraube90 stützt sich an der Oberkante des Mantels 85 ab, wenn die Klemmschraube
nach unten gedreht wird, um den Mantel zwischen der Klemmschraube und der waagerechten
Schulter 87 des Gehäuses 80 festzulegen.
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Gemäß F i g. 2 und 4 umfaßt das Magnetaggregat ein erstes und ein
zweites Paar von einander diametral gegenüberliegenden Kernen 30, 51, 53 und 54;
die Achsen dieser Kernpaare schneiden sich unter einem rechten Winkel; die Kernpaare
sind an dem Mantel befestigt und ragen von dort aus radial nach innen bis in die
unmittelbare Nähe der Saite 11.
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Die verschiedenen Wicklungen 52, 55, 31 und 56 sind auf den verschiedenen
Kernteilen in der an Hand von Fig. 1 beschriebenen Weise angeordnet.
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Auf den Kernteilen 51 und 30, die das Magnetfeld in der Bezugsrichtung
liefern, sind gemäß Fig. 7 kapazitiv wirkende Bezugsplatten 36 und 37 für die Saitenfrequenz
vorgesehen. Diese Platten können durch Elektroden gebildet werden, die auf den Enden
der Kernkonstruktion angeordnet und der Saite benachbart sind.
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Aus den schon besprochenen Gründen sind die verschiedenen Kernkonstruktionen
gemäß Fig.2 so ausgebildet, daß sie sich über etwa zwei Drittel der Länge der Saite
erstrecken.
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F i g. 6 zeigt die Unteransicht der zusammenhängenden Tragkonstruktion
aus Quarz und läßt die bewegliche Antriebs- und Geberplatte 14 des Antriebsoszillators
erkennen, bei der es sich um einen dünnen Film aus einem elektrisch leitenden Material
handelt, der auf geeignete Weise auf die Außenfläche der schwingenden Membran 13
aufgebracht und mit ihr fest verbunden ist. Die Geberplatte 15 und die Antriebsplatte
19 sind gemäß Fig. 2 an der Innenseite des Gehäuses 80 befestigt und gegenüber dem
Gehäuse auf geeignete Weise elektrisch isoliert. Natürlich sind auch die verschiedenen
elektrischen Leitungen vorgesehen, die die erforderlichen Verbindungen zu der äußeren
Schaltung nach F i g. 1 herstellen; aus Fig. 2 sind jedoch nur die Anschlüsse für
die Antriebsplatte 19 und einige der Magnetwicklungen ersichtlich.
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Zwar hat eine für den vorliegenden Zweck geeignete Faser, die als
Saite wirkt, einen kleinen Durchmesser, der z. B. etwa 0,025 bis etwa 0,075 mm beträgt,
doch wird die Bewegung der Saite auch in diesem Fall immer noch durch die Biegefestigkeit
beeinflußt, insbesondere an den Enden der Saite.
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Wenn der Querschnitt der Saite an den Enden nicht genau kreisrund
ist, führen Formabweichungen zusammen mit viskoelastischen Verlustwirkungen zu erheblichen
Abtriftgeschwindigkeiten, die in Abhängigkeft von der Winkellage der Bezugsebene
periodisch variieren. Aus diesem Grund ist das die Bezugsebene festlegende Magnetaggregat
mit Einstellmitteln einschließlich der Verzahnung 88 und des Ritzels 89 versehen,
damit die Bezugs ebene um die Saitenachse gedreht werden kann. Somit kann man eine
Bezugsebene wählen, bei der das auf die erwähnten Ursachen zurückzuführende Vorspanndrehmoment
ein Minimum ist. Sobald eine solche Stellung erreicht ist, legt man die Magnetkonstruktion
mit Hilfe der Klemmschraube 90 fest.
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Wenn das Gehäuse Schwingungen rechtwinklig zur Bezugsebene ausführt
und diese Schwingungen synchron oder nahezu synchron mit den Schwingungen der Saite
auftreten, d. h. mit einer Frequenz, die normalerweise im Bereich von 5 bis 10 kHz
liegt, wird eine zur Bezugsebene rechtwinklige Komponente der Saitenschwingung erzeugt.
Aus diesem Grund umfaßt die beschriebene Anordnung die aus dem Quarzkörper 70 herausgeschnittenen
sechs resonanzfähigen Zungen 76 und die drei schwingungsdämpfenden Halterungen 82.
Diese drei Halterungen lassen parallele Bewegungen der Grundplatte gegenüber dem
inneren Aggregat des Geräts in allen zur Saitenachse rechtwinkligen Richtungen zu.
Die Halterungen werden so eingestèllt, daß sie relativ steif und z. B. bei einer
Frequenz in der Größenordnung von 50Hz resonanzfähig sind. Die Resonanzspitze dieser
Halterungen wird durch die nachgiebige Dämpfungshülse 83 begrenzt, die einer Beanspruchung
ausgesetzt wird, wenn sich die Tragschrauben 84 bei Schwingungen der Grundplatte
81 ausbiegen.
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Die resonanzfähigen Zungen 76, die durch die Ausbildung axialer Einschnitte
in dem Tragkörper 70 entstanden sind und sich bis zu den Versteifungsringen 71 erstrecken,
bilden Schwingungen absorbierende resonanzfähige Isolatoren mit einem hohem
Q-Wert,
die durch geeignete Bearbeitung ihrer Außenflächen genau auf die Saitenfrequenz
abgestimmt sind. Da diese Zungen Schwingungen rechtwinklig zur Saitenachse ausführen
und in Winkelabständen von 1200 verteilt sind, wird allen zur Saitenachse rechtwinkligen
Schwingungen durch eine geeignete Kombination von Resonatoramplituden entgegengewirkt.
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Trotz des Vorhandenseins der die Saitenunterstützung gegen Transversalschwingungen
schützenden Konstruktion können solche Schwingungen immer noch in einem gewissen
Ausmaß auf die Unterstützungspunkte der Saite übertragen werden. In Fällen, in denen
Winkeischwingungen des Gehäuses um eine zur Saitenachse rechtwinklige Achse, die
mit der Saitenfrequenz synchron oder nahezu synchron sind, weniger schwerwiegend
sind als die erwähnten linearen Transversalschwingungen, kann man eine andere Anordnung
vorsehen, um die nachteiligen Wirkungen dieser linearen, nahezu synchronen Transversalschwingungen
auf ein Mindestmaß zu verkleinern. Eine solche alternative Anordnung umfaßt Maßnahmen,
um die Saite so anzutreiben, daß sie nicht in ihrer ersten Schwingungsart, sondern
in ihrer zweiten Schwingungsart schwingt. Bei der zweiten Schwingungsart bewegt
sich jeweils eine Hälfte der Saite in der einen Richtung, während sich die andere
Hälfte in der entgegengesetzten Richtung bewegt. In diesem Fall ist eine beiden
Saitenenden aufgedrückte Transversalschwingung bestrebt, einen Teil der Schwingungsebene
in der einen Richtung und den anderen Teil der Schwingungsebene in der anderen Richtung
zu bewegen; hierdurch wird im wesentlichen eine Auslöschung der nachteiligen Wirkung
nahezu synchroner Transversalschwingungen des Gehäuses bewirkt.
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Um die Saite so anzutreiben, daß sie in ihrer zweiten Schwingungsart
schwingt, ist es nur erforderlich, die Beziehung zwischen der Saitenlänge und der
Antriebsfrequenz auf geeignete Weise zu ändern. Mit anderen Worten, um bei einer
gegebenen Antriebsfrequenz von der ersten Schwingungsart auf die zweite Schwingungsart
überzugehen, müßte man die Länge der Saite verdoppeln. Umgekehrt müßte man bei gegebener
Saitenlänge die Antriebsfrequenz verdoppeln, um einen Übergang von der ersten Schwingungsweise
zur zweiten zu bewirken. In allen Fällen ist es erwünscht, daß das Verhältnis zwischen
Amplitude und Länge das gleiche bleibt, wobei die Länge jetzt derjenigen einer Halbwelle
entspricht.
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In F i g. 8 bis 10 ist eine andere Ausbildungsform dargestellt, die
ein äußeres Gehäuse 110 umfaßt, durch welches die Tragkonstruktion für die resonanzfähige
schwingende Saite unterstützt wird. Bei dieser Anordnung werden die schwingenden
Saitenantriebsorgane 112 und 113 durch das Einschneiden von Schlitzen 114 und 115
in einen zusammenhängenden Quarzstab 116 ausgebildet. Der Quarzstab 116 ist zwischen
den beiden Hälften 121 und 122 eines Saitentragkörpers fest eingespannt; zu diesem
Zweck sind die Gehäusehälften mit einer Spannstange 116 durch Schrauben 117, 118,
119 und 120 verspannt.
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Ferner sind zwei resonanzfähige Zungen 125 und 126 vorgesehen, die
in der bezüglich der Zungen 76 an Hand von F i g. 2 beschriebenen Weise als Schwingungen
absorbierende Organe wirken und jeweils in der Mitte zwischen ihren Enden in Augen
123 und 124 des Saitentragkörpers 121, 122 befestigt sind. In
dem Saitentragkörper
ist ein Magnetaggregat von im wesentlichen kugelförmiger Gestalt angeordnet, das
einen äußeren Mantel 130 und mehrere radial nach innen ragende Magnetpolstückel31,
132, 133 und 134 trägt, auf denen Wicklungen angeordnet sind, welche in der gleichen
Weise wirken wie bei der Anordnung nach F i g. 2. Magnetkernkonstruktionen, welche
die Bezugsrichtung des Geräts festlegen, sind an ihren inneren Enden mit kapazitiven
Geberplatten versehen, wie es in F i g. 7 für eine ähnliche Anordnung dargestellt
ist.
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Die Saite ist an ihren Enden in Öffnungen der resonanzfähigen Organe
112 und 113 eingekittet. Der die Schwingungen erzeugende Antriebsoszillator ähnelt
im wesentlichen dem an Hand von F i g. 2 beschriebenen und umfaßt eine ortsfeste
Platte auf der Außenfläche der schwingenden Membran 112, eine Geberplatte 15 und
eine Antriebsplattel9, die am Gehäuse 110 angebracht und gegenüber dem Gehäuse isoliert
sind.
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Wie bei der Ausbildungsform nach F i g. 2 ist die die Bezugsebene
des Geräts bestimmende Magnetkonstruktion um die Saitenachse drehbar. Ein ringförmiger
Flansch 140 des Kernaggregats greift in eine dazu passende Aussparung des Saitentragkörpers
121, 122 ein und bildet eine drehbare Lagerung für das Magnetaggregat. Der Flansch
140 ist mit Zahnradzähnen versehen, die mit einem Einstellritzel 141 kämmen, welches
auf einer Welle sitzt, die in einer Klemmschraube 142 drehbar gelagert ist; es können
mehrere solche Klemmschrauben vorgesehen sein. Ferner sind mehrere Schwingungsdämpfer
144, 145 und 146 ähnlich den an Hand von F i g. 2 beschriebenen vorgesehen, um das
Gerät von einer Grundplatte 81 aus zu unterstützen. Bei der Ausbildungsform nach
F i g. 8 bis 10 stehen die Wicklungen und der magnetische Kreis in stärkerer thermischer
Berührung mit dem Gehäuse, so daß der Temperaturanstieg verringert wird.
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Vorstehend wurden zwei verschiedene Ausbildungsformen eines Geräts
mit einem schwingenden Organ zur Festlegung einer stabilen Bezugsrichtung beschrieben,
die mit erheblich höherer Genauigkeit arbeiten, die gegenüber äußeren Schwingungen
weniger empfindlich sind, die Einrichtungen zum Bewirken einer genau regelbaren
Präzession umfassen, die mit einem erheblich verbesserten Längsantrieb versehen
sind, und die verschiedene weitere Vorteile bieten, welche sich aus den beschriebenen
Konstruktionen ergeben.