DE1238681B - Landkompass - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

DeutscheKl.: 42 c-35/01

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1 238 681

Aktenzeichen: N16808IX b/42 c

1238 68 1 Anmeldetag: 4. Juni 1959

Auslegetag: 13. April 1967

Die Erfindung betrifft einen Landkompaß mit einem Wendekreisel, dessen Rahmenachse in einem Gehäuse gelagert ist, welches seinerseits um eine koaxial zur Rahmenachse verlaufende, lotrecht gestellte Gehäuseachse in einem erdfesten Stativ drehbar gelagert ist, und der eine elektrische Fesselung aufweist, die aus der Zusammenschaltung eines mit der Rahmenachse verbundenen Stellungsabgriffs und Momentgebers besteht, wodurch betriebsmäßig der im Fesselungskreis fließende Strom proportional der Abweichung der Meßachse des Wendekreisels aus der Ost-West-Richtung ist.

Dieser bekannte Kompaß weist auch noch eine auf die Gehäuseachse wirkende Servosteuerung auf, welche mit einem dem Fesselungsstrom proportionalen Signal beaufschlagt wird und das Gehäuse automatisch so lange nachdreht, bis das Fesselungssignal zu Null geworden ist. In diesem Endzustand steht die Meßachse des Wendekreisels in Ost-West-Richtung.

Die Genauigkeit eines solchen Kompasses wird beeinträchtigt durch Störmomente, die um die Rahmenachse des Wendekreisels wirken und eine Präzession um die Meßachse verursachen mit dem Ergebnis, daß die Einstellrichtung der Meßachse, in welcher das Fesselungssignal zu Null wird, um einen unbestimmten Betrag von der Ost-West-Richtung abweicht. Es handelt sich hauptsächlich um dynamische Störmomente, die erst bei drehendem Rotor in Erscheinung treten, aber auch um statische Störmomente, die schon bei stillstehendem Rotor wirksam sind. Unter den dynamischen Störmomenten überwiegen diejenigen, deren Drehsinn unabhängig von der Drehrichtung des Rotors ist. Die Richtung der durch Störmomente verursachten Präzessdon ist aber nicht nur abhängig von dem Drehsinn der Störmomente, sondern auch von der Drehrichtung des Rotors. Im Fall eines Störmomentes, dessen Drehsinn selbst unabhängig von der Drehrichtung des Rotors ist, wird dann aber die Richtung der Prä-Zession und damit das Vorzeichen des Einstellfehlers der Meßachse gegenüber der Ost-West-Richtung von der Drehrichtung des Rotors abhängen.

Diese physikalische Tatsache macht sich die Erfindung zunutze, um die Wirkung der dynamischen Störmomente zu verringern und damit die Einstellgenauigkeit der Meßachse in die Ost-West-Richtung zu verbessern.

Zunächst wird der eingangs genannte Wendekreiselkompaß nicht mehr, wie bekannt, mit einer Servosteuerung eingestellt, sondern es wird erfindungsgemäß ein auf die Gehäuseachse wirkender Landkompaß

Anmelder:

North American Aviation, Inc.,
Los Angeles, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. Η. Ruschke, Patentanwalt,
München 27, Pienzenauer Str. 2

Als Erfinder benannt:
Mark E. Campbell, Whittier;
George E. O'Brien, Covina;
Eugene E. Pentecost,
Long Beach, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 6. Juni 1958 (740 329)

Feinstelltrieb vorgesehen, mit dem das Gehäuse manuell nach Maßgabe eines in an sich bekannter Weise in den Fesselungskreis eingefügten Strommessers derart einstellbar ist, daß die Meßachse des Wendekreisels in die durch Nullanzeige des Strommessers gekennzeichnete Ost-West-Richtung zu liegen kommt, und ferner wird vorgesehen, daß zur Berücksichtigung der die Einstellgenauigkeit verringernden, um die Rahmenachse wirkenden, von der Drehrichtung des Kreiselrotors unabhängigen dynamischen Störmomente die Drehrichtung des Kreiselrotors umkehrbar ist, so daß ein Mittelwert aus zwei Einstellungen gebildet werden kann.

Im Rahmen dieser Maßnahmen kann auch erreicht werden, daß die statischen Störmomente ebenfalls kompensiert werden. In Weiterbildung der Erfindung ist zu diesem Zweck vorgesehen, daß zur Kompensation der die Einstellgenauigkeit verringernden, um die Rahmenachse wirkenden statischen Störmomente dem Momentgeber aus einer Gleichspannungsquelle eine zusätzliche, mittels Potentiometers einstellbare Erregung erteilt wird.

Von Vorteil ist es ferner, wenn zur Einführung des von dem Stellungsabgriff gelieferten Fesselsignals ein getrennter Momentgeber verwendet wird.

Eine abgeänderte Ausführungsform des Landkompasses nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch im Stromkreis des Momentgebers angeordnete

709 549/97

Potentiometer, mit denen nach Kompensation der statischen Störmomente und nach Grobeinstellung der Meßachse die Erregung des Momentgebers jeweils bei Rechtslauf und Linkslauf des Rotors so einstellbar ist, daß die an der Rahmenachse entstehenden dynamischen Störmomente kompensiert werden, sowie durch einen Spannungsteiler zur Mittelwertbildung der Einstellwerte der Potentiometer, so daß ein Mittelwert aus denjenigen Erregungen erhalten wird, die zur Kompensation der dynamischen Störmomente allein bei Rechtslauf und Linkslauf des Rotors dienen.

In der nun folgenden Beschreibung soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert werden. In der Zeichnung ist

F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Definition des im folgenden verwendeten Begriffs der »wirklichen Richtung«,

F i g. 2 ein Diagramm, aus dem zu ersehen ist, wie der Betrag der Drehung eines Wendekreisels um seine Meß- oder Eingangsachse abgeleitet werden kann,

F i g. 3 die Ansicht einer Ausführungsform eines Landkompasses nach der Erfindung,

F i g. 4, 5 und 6 jeweils eine Ansicht eines Landkompasses für den Gebrauch im Gelände,

Fig. 7 ein Schaltbild, welches zu dem Landkompaß nach F i g. 3 gehört,

F i g. 8 eine weitere Ausführungsform des Landkompasses nach der Erfindung und

F i g. 9 ein Schaltbild für die genannte elektrische Mittelwertbildung.

F i g. 1 veranschaulicht die Definition der sogenannten »wahren Richtung« auf den Erdboden. Eine wahre Ost-West-Linie 12 ist definiert als Schnittlinie einer Tangentialebene zu dem Umdrehungsellipsoid mit einer Ebene, die senkrecht zu dem Vektor 16 der Erdumdrehung steht. EinedritteEbene (eine Meridianebene), die in F i g. 1 dargestellt ist, ist definiert durch den Vektor 16 und den Punkt 10. Eine Bodenvertikale 13 liegt in der Meridianebene und verläuft senkrecht zu der Tangentialebene zu dem Umdrehungsellipsoid. In der Praxis ist diese Bodenvertikale entweder die Senkrechte zu einem durch einen Flüssigkeitsspiegel begrenzten, aber kleinen Bereich durch die Aufhängelinie eines störungsfreien Senkbleis oder durch die genaue Interpretation der Ablesungen von Libellenpegeln. Jedoch wird eine Anomalie der Schwerkraft einen kleinen Fehler bei der Lokalisierung der Bodenvertikalen durch diese Hilfsmittel herbeiführen. Sind dagegen der Betrag und die Richtung dieser Anomalie der Schwerkraft bekannt, dann kann die Fehlweisung vorausgesagt werden. Senkrecht zu der wirklichen Ost-West-Linie 12 im Punkt 10 und in der Tangentialebene zu dem Umdrehungsellipsoid liegt die wirkliche Nord-Süd-Linie 11.

F i g. 2 zeigt, wie ein auf die Drehung um seine Meß- oder Eingangsachse ansprechender Wendekreisel in bekannter Weise benutzt wird, um die Erddrehung zu messen. Die Tangentialebene zu dem Umdrehungsellipsoid, die Meridianebene und die Linien 11, 12 und 13 sind dieselben wie in Fig. 1. Der Betrag Ω der Drehung der Erde im Raum kann als Vektor 14 dargestellt werden, der in der Ebene liegt, die den Vektor der Erddrehung enthält (die Meridianebene) und einen WinkelA mit der wirklichen Nord-Süd-Linie 11 einschließt. Die nördliche

Komponente der Erddrehung ist daher Ω · cos )., wie in der Figur dargestellt. Die Eingangsachse des Wendekreisels ist durch eine Linie 15 dargestellt, die in der Tangentialebene des Umdrehungsellipsoids liegt und einen kleinen Winkel Φ mit der wirklichen Ost-West-Linie 12 einschließt. Die längs der Eingangsachse 15 liegende Komponente der Erddrehung ist gleich: Ω · cos λ · sinus Φ. Sobald Φ durch eine Einstellung im Azimut der Kreiseleingangsachse 15 zu Null gemacht worden ist, verschwindet die Kreiselanzeige einer Erdkomponente um die Eingangsachse. Wie bereits bemerkt, ist die Komponente der Erddrehung längs der Kreiseleingangsachse proportional cos λ. Der Ausdruck λ ändert sich mit der astronomischen Breite des Punktes 10.

F i g. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes. Die den Rotor 20 tragende Achse 19 liegt in Lagern 21 und 22, die die Drehimpulachse festlegen. Für den Antrieb des Rotors 20 sind irgendwelche in dieser Figur nicht dargestellte Stromquellen vorgesehen. Die Lager 21 und

22 werden von einem Rotorrahmen 23 gehalten, der sich in den in dem Gehäuse 26 befindlichen, die Rahmen- oder Ausgangsachse 46 definierenden Lagern 24 und 25 frei drehen kann. An dem Gehäuse 26 ist die Gehäuseachse 27 befestigt, die mit Hilfe der Lager 29 und 30 in dem Stativ 28 drehbar gelagert ist. Die Azimuteinstellvorrichtung besteht aus einem Schneckengetriebe 31, einer an der Gehäuseachse 27 befestigten Schnecke 32 und einer an der Schnecke 32 befestigten Azimutjustierschraube 33. Das Stativ 28 und das Gehäuse 26 sind spielfrei miteinander verbunden, so daß das Gehäuse 26, wenn die Azimutstellschraube 33 sich nicht dreht, gegenüber der Erde in einer bestimmten Azimutstellung festgehalten ist. Beim Betrieb ist es erforderlich, daß diese Ausgangsachse in Richtung der Erdvertikalen gestellt wird, d. h., sie muß mit der Linie 13 ausgerichtet werden, die in den F i g. 1 und 2 gezeigt ist. Diese Ausrichtung wird mit Hilfe einer Anzahl von Nivellierschrauben 40, 41 und 42 bewirkt. Zwei Wasserwaagen 44 und 45 geben die notwendigen Auskünfte über die Ausrichtung der Ausgangsachse in eine vertikale Stellung.

Die Meßachse 12 des in Fig. 3 dargestellten Wendekreiselkompasses steht sowohl senkrecht zu der Rotordrehachse als auch zu der Rahmenachse. Eine Drehung des Kreiselgehäuses 26 um die Meßachse 12 bewirkt infolge der Kreiselpräzession eine Verdrehung des Rotorrahmens 23 in bezug auf das Gehäuse 26 um die Rahmenachse 46. Wie oben bereits beschrieben worden und in F i g. 2 zur Darstellung gebracht ist, kann der wirkliche Ost-West-Azimut dadurch festgestellt werden, daß man die Azimutstellung notiert, in welcher die Erdkomponente, die längs der Kreiseleingangsachse liegt, Null ist. Wie F i g. 3 zeigt, erhält der Stellungsabgriff 47 seine elektrische Energie aus der Stromquelle 53, so daß ein Ausgangssignal entsteht, dessen Amplitude proportional der Winkelverdrehung des Rotorrahmens

23 in bezug auf das Gehäuse ist und welches durch die Phasenlage oder die Polarität des Signals die Richtung einer solchen Verdrehung anzeigt. Der Stellungsabgriff 47 kann irgendein an sich bekannter Abnehmer sein. Das Ausgangssignal aus dem Stellungsabgriff 47 wird in dem Verstärker 48 verstärkt und in einem Demodulator 49 demoduliert. Der Ausgang des Demodulators 49 ist mit einem Moment-

geber 50 verbunden, der auf den Rotorrahmen 23 ein Drehmoment um die Rahmenachse 46 ausüben kann. Ein Widerstand 55 und ein Nebenschlußschalter 57, die in Reihe mit dem Momentgeber liegen, stellen geeignete Hilfsmittel dar, um ein niedriges Auflösungsvermögen für den Momentgeber (Schalter 57 geschlossen) oder ein hohes Auflösungsvermögen für den Momentgeber (Schalter 57 geöffnet) zu erhalten. In dem Stromkreis, der den Momentgeber 50 für die Drehstromübertragung enthält, kann vorzugsweise ein Filter 54 liegen. Der Ausgang des Demodulators 49 ist über ein Filter 56 mit einem Anzeigegerät 52 verbunden. Diese Stromkreise sind durch die Erdklemmen an dem Momentgeber 50 und den Anzeiger 52 zu vervollständigen.

Das Kreiselkompaßgehäuse 26 wird beim Betrieb schrittweise um die Gehäuseachse 27 dadurch justiert, daß man die Azimutjustierschraube 33 so lange dreht, bis die Verstellung des Rotorrahmens um die Alisgangsachse Null ist. Bei jeder anderen Azimutstellung registriert der Stellungsabgriff 47 eine sehr kleine Verdrehung des Rotorrahmens 23 gegenüber dem Gehäuse 26 und erzeugt auf diese Weise ein Drehmoment, das um die Rahmenachse über den Rückkopplungskreis mit dem Momentgeber 50 auf den Rotorrahmen 23 ausgeübt wird. Das Anzeigegerät 52 zeigt die Größe der erforderlichen Fesselung kontinuierlich an. In Zeitpunkten, in denen eine Nullstellung für das Anzeigegerät 52 festgestellt ist, erfährt der Bedienungsmann des Kreiselkompasses, daß keine Verschiebung um die Kreiselausgangsachse gemessen worden ist; auf diese Weise wird angezeigt, daß die Eingangsachse des Kreiselkompasses mit der Ost-West-Linie annähernd ausgerichtet ist. Dieser Vorgang ergibt nur annähernd die Ost-West-Linie, weil Fehlerdrehmomente um die Ausgangsachse des Kreisels zur Wirkung kommen.

Zu Beginn der Messung wird eine Grobeinstellung dadurch bewirkt, daß sämtliche Teile des Landkompasses mit Ausnahme des Kreiselrotors 20 eingeschaltet werden. Der Schalter 57 wird geöffnet, so daß eine verhältnismäßig grobe Auflösung erreicht wird. Eine Gleichstromquelle 48 wird in Verbindung mit einem Potentiometer 59 und einem Widerstand 61 benutzt, um elektrische Energie auf den Momentgeber 50 zu geben, so daß das Drehmoment eingestellt werden kann, das auf den Rotorrahmen 23 wirkt, bis das Anzeigegerät 52 eine Nullanzeige erkennen läßt. In diesem Betriebszustand gleicht das von dem Momentgeber 50 auf den Rotorrahmen ausgeübte Drehmoment die statischen Drehmomente aus, die auf die Rahmenachse 46 infolge der Druckmittelkräfte der elektrischen Leiter und der magnetischen Felder od. dgl. einwirken. Das grobeingestellte Drehmomentensignal wird in einem Potentiometer 59 gespeichert und durch sämtliche nachfolgenden Justierstufen weiterverwendet.

Hierauf wird eine Grobausrichtung vorgenommen, um die Kreiseleingangsachse annähernd mit der wirklichen Ost-West-Linie in Übereinstimmung zu bringen. Für die Durchführung dieser Messung wird der Schalter 57 geschlossen, so daß sich eine hohe Verstärkung ergibt. Nach Einschaltung des Kreiselrotors wird das Kreiselgehäuse 26 um die Achse 27 justiert, bis die nachgewiesene Verdrehung um die < AusgangsachseNull geworden ist. In diesem Punkt ist die Eingangsachse des Kreisels mit der wahren Ost-West-Linie annähernd in Übereinstimmung.

Durch eine letzte Feineinstellung erfolgt eine Messung der dynamischen Stördrehmomente, die auf den Rotorrahmen einwirken, wenn der Rotor 20 eingeschaltet wird. Drehmomente dieser Art werden in erster Linie durch Erschütterung und durch Temperaturänderungen hervorgerufen. Die Fehlerdrehmomente kann man durch geeignetes Modulieren der Drehgeschwindigkeit des Rotors 20 messen. Eine geeignete Art der Geschwindigkeitsmodulation besteht in einem Wechsel der Drehrichtung des Rotors. Bei dieser Justierung bleibt der Schalter 57 geschlossen. Dreht sich der Rotor 20 schnell in einer Richtung, dann wird das Kreiselgehäuse 26 um die Achse 27 gedreht, bis die nachgewiesene Verdrehung um die Ausgangsachse Null ist. Die Stellung des Zeigers an der Azimuteinstellschraube 33 in bezug auf die Skala 34 wird notiert. Der Rotor 20 wird dann entgegengesetzt seinem normalen Drehsinn in Umdrehung versetzt, ferner wird das Gehäuse 26 ao um seine Achse 27 verdreht, bis die nachgewiesene Verdrehung um die Ausgangsachse Null ist. Hierauf wird eine Ablesung notiert, welche die Stellung des Zeigers auf der Schraube 33 in bezug auf die Skala 34 berücksichtigt. Es wird dann der Mittelwert dieser beiden Skalenablesungen berechnet. Eine endgültige Feineinstellung besteht darin, daß die Azimutschraube 33 so eingestellt wird, daß der Zeiger auf der errechneten Durchschnittsablesung steht. In dieser Einstellung ist der Kreiselkompaß sehr exakt mit dem v/irklichen Ost-West-Azimut ausgerichtet, wobei die Wirkung der statischen Fehlerdrehmomente schon vorher durch das Grobeinstellungsdrehmomentensignal, das in dem Potentiometer 58 gespeichert ist, gelöscht worden ist. In der oben beschriebenen Schaltanordnung werden vorzugsweise zwei Zerlegungsmöglichkeiten für den MomentgeberSO gewählt. Bei den Messungen zur Bestimmung der Fehlerdrehmomente bei der Feineinstellung kann die Verdrehung des Rotorrahmens 23 verhältnismäßig gering sein, weil die Kreiseleingangsachse schon annähernd mit der wirklichen Ost-West-Linie übereinstimmt und die Erdlcomponente um die Eingangsachse sehr klein wird. Die Größe des Drehmoments, die erforderlich ist, um den Rotorrahmen in bezug auf das Gehäuse auf Null zu bringen, ist unter diesen Bedingungen dementsprechend klein. Ebenso sind die Ströme, die in dem Rückkopplungskreis fließen, klein. Das Anzeigegerät 52 muß daher während dieser Messungen des Vorspannungsdrehmoments so empfindlich eingestellt werden, daß es auf ganz kleine Ströme anspricht. Andererseits kann die Verdrehung des Rotorrahmens während der Grobeinstellung sehr groß sein, da die Erdkomponente, bezogen auf die Eingangsachse, ebenfalls erheblich ist (bis das Kreiselgehäuse auf den Azimut eingestellt ist). Wesentlich größere Ströme sind dann erforderlich, um den Rotorrahmen in die Nullstellung zurückzudrehen; unter diesen Bedingungen wird das Anzeigegerät 52 überlastet. Außerdem ist der Bereich für Azimuteinstellungen, bei denen die Meßgerätskala ausreicht, begrenzt, und infolgedessen ist die Einstellung auf Null äußerst schwierig.

Eine Möglichkeit zur Umgehung des oben-)5 genannten Problems besteht darin, entweder die Empfindlichkeit des Anzeigegerätes 52 oder die Empfindlichkeit des Momentgebers 50 zu ändern. Die erste Möglichkeit könnte z. B. lediglich darin be-

stehen, daß man parallel zu dem Anzeigegerät während der Grobeinstellung einen passenden Widerstand in den Nebenschlußkreis legt. Diese Maßnahme verringert natürlich den Strom, der durch das Meßgerät fließt, und macht dieses zu einem weniger empfindlichen Gerät. Eine zweite Maßnahme, die darin besteht, einen Drehmomentgeber mit unterschiedlicher Empfindlichkeit zu verwenden, wird deshalb bevorzugt, weil dadurch der Rotorrahmen näher bei Null bleiben kann, selbst wenn er um ein beträchtliches Stück verdreht werden soll. Eine Möglichkeit zur Schaffung eines solchen Momentgebers mit unterschiedlicher Empfindlichkeit ist bereits in F ig. 3 gezeigt worden. Während der Grobeinstellung wird nämlich der Widerstand 55 aus dem Stromkreis des Momentgebers entfernt; auf diese Weise wird von einem vorgegebenen Strom ein größeres Drehmoment erzeugt als wenn der Widerstand 55 in Reihe mit dem Momentgeber 50 liegt. Die zu der Grobeinstellung gehörigen Ströme sind daher von ähnlicher Größe wie diejenigen, die während der Messungen des Vorspannungsdrehmoments gemessen werden. Das bedeutet, daß ein größeres Drehmoment zur Verfügung steht, wenn größere Verdrehungen des Rotorrahmens vorkommen, wodurch der Rotorrahmen selbst tatsächlich in eine Nullstellung gezwungen wird.

Die in F i g. 3 dargestellte Geberanordnung für zwei Empfindlichkeitsbereiche hat nur einen einzigen Momentgeber 50. Im folgenden wird noch eine Anordnung erläutert, die zwei getrennte Drehmomentgeber umfaßt, von denen der eine ein hohes Auflösungsvermögen und der andere ein kleines Auflösungsvermögen hat.

In der Schaltanordnung nach F i g. 3 sind eine Parallelverbindung der Rückkopplungs- und Anzeigestromkreise wiedergegeben. Obwohl eine solche Anordnung im allgemeinen bevorzugt wird, könnte das Anzeigegerät 52 auch in die Rückkopplungsschleife gelegt werden. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß das Filter 56 zum Herausfiltern des Maximalgeräusches dient, während das Filter 54 für das optimale dynamische Ansprechen der Hilfsschleife ausgelegt ist. Diese Forderungen sind im allgemeinen unvereinbar miteinander, so daß die parallellaufende Wirkung problematisch ist, weil beide Filter in ihren entsprechenden Stromkreisen auf beste Wiedergabe eingestellt werden sollten.

Die Kompensation der dynamischen Stördrehmomente durch die Drehrichtungsumkehrung kann mathematisch folgendermaßen begründet werden: Die Größen ω_ε und M_ll, von denen ω_Β die fehlerhafte Präzession um die Kreiseleingangsachse ist, die durch ein Fehlerdrehmoment M_u hervorgerufen ist, das auf die Kreiselausgangsachse wirkt, sind durch folgende gebers 50 auf die Kreiselausgangsachse ausgeübt werden, so daß die vorhandene Präzession ω_α Null wird. Diese vorhandene Präzession ist definiert als die Differenz zwischen dem von M_u verursachten Driftanteil und der Erdkomponente to_e oder

co„

Fügt man die von dem meßbaren Drehmoment A M₁ verursachte Präzession co_sl zu ω„ hinzu, dann ίο wird der Betrag der vorhandenen Präzession auf Null herabgesetzt, d. h., es gilt

co„ + ω

■si

+ co_sl — co_e = 0 .

Der Betrag co_sl der Drift ist mit dem ihn verursachenden DrehmomentJM₁ und dem Drehimpuls des Kreiselrotors durch eine Gleichung verbunden, die ähnlich der Gleichung (1) ist, und zwar

_ AM₁

Substituiert man in der Gleichung (3) die Ausdrücke aus den Gleichungen (1) und (4), dann ergibt sich

jj- ^l- - w_e = 0. (5)

Dreht sich der Kreiselrotor mit großer Geschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung, dann kann auf die Kreiselausgangsachse ein zweites meßbares DrehmomentJM₂ ausgeübt werden, so daß die Präzession auf Null reduziert wird. Eine Gleichung kann also folgendermaßen aufgestellt werden

M_u +AM,

C°g + CO_s2 — CO_e — == —w_e

^H2

0. (6)

Da die Drehrichtung des Kreiselrotors umgedreht worden ist, gilt die Gleichung

H₁ = -H₂.

(7)

Bei den hier betrachteten Kreiseln sind die Stördrehmomente praktisch unabhängig von der Drehrichtung des Rotors. Man kann also von der Annahme ausgehen, daß weder das Fehlerdrehmoment M_u noch der Betrag oj_g der fehlerhaften Präzession durch die Umkehrung des Rotors geändert wird. Durch Zusammenfassung der Gleichungen (2), (3) und (4) ergibt sich die Gleichung

M_u +AM₁ M_u +AM₂

Jj 1 Jj — CO_e + CO_e = O (8)

oder

Gleichungen miteinander verbunden

M₁, = -

JM₁-I-JM₂

(9)

COg

Mn

(1)

In dieser Gleichung ist H der Drehimpuls des Kreiselrotors, und nur H ist eine bekannte Größe. Wird indessen der Drehimpuls H geändert, dann muß sich auch co_g um einen proportionalen Betrag ändern, wenn M_u konstant bleibt; durch Messen der Änderung kann man den absoluten Betrag von M_u feststellen und damit für seine Kompensation sorgen.

Wird H konstant gehalten, dann kann ein meßbares Drehmoment J M₁ mit Hilfe des Moment-Die Gleichung (9) läßt erkennen, daß durch eine Mittelwertbildung der Größen der gemessenen Drehmomente J M₁ und J M-2 eine quantitative Messung des Fehlerdrehmomentes M_u möglich ist. Bei dem vorher beschriebenen Kreiselkompaß erhält man die Mittelwertbildung dadurch, daß man die Azimutstellung des Kreiselgehäuses aus dem Mittelwert zweier Stellungen festhält, die von den Drehmomenten JM₁ und JM₂ angezeigt werden. Bei einer später noch zu beschreibenden Ausführungsform des Kreiselkompasses wird die Mittelwertbildung dadurch herbeigeführt, daß man ein mittleres

Drehmoment unmittelbar auf die Kreiselausgangsachse wirken läßt und dadurch das Fehlerdrehmoment M_u auslöscht.

Hat man nun den Kreisel exakt mit dem wahren Ost-West-Azimut in Übereinstimmung gebracht, dann wird die noch verbleibende Aufgabe, nämlich die Übertragung der Lage der Linie 12 gegenüber der Kreiselstellung, durch Anwendung bekannter Ablesemittel gelöst. Eine übliche Ablesevorrichtung ist der Spiegel 60, der so an dem Gehäuse 26 (F i g. 3) angeordnet ist, daß die Ebene seiner reflektierenden Oberfläche parallel zu der Ebene liegt, die durch den Kreiselausgang und die Drehachsen definiert ist. In F i g. 4 ist eine Anordnung mit einem Kreiselkompaß dargestellt, der im Gelände aufgestellt ist und die Merkmale der Erfindung aufweist. Auf einem Stativ 71 ist ein Theodolit 70 angeordnet, der ein Autokollimationsokular 79 besitzt. Der an Hand von F i g. 3 oben beschriebene Kreisel ist in einem Gehäuse 72 angeordnet, das auf einem Stativ 73 ruht. Das Gehäuse 72 und der Kreisel, der in ihm untergebracht ist, werden im folgenden als eine Kopfanordnung 80 für die Zwecke der Ausrichtung bezeichnet, der Spiegel 60 liegt unmittelbar hinter einem optischen Fenster 74. Lichtstrahlen, die ein reelles Bild erzeugen, werden von dem Theodoliten 70 projiziert und von dem Spiegel 60 darauf reflektiert. Dadurch, daß man das reelle Bild mit dem primären Fadenkranz innerhalb des Instrumentes zur Übereinstimmung bringt, erhält man die Autokollimation des Instrumentes auf dem Spiegel 60, und es können von dem Theodoliten 70 aus präzise Azimutstellungen gewonnen werden.

Die Kombination aus Theodolit und Autokollimator kann auch für zusätzliche Verwendungszwecke eingesetzt werden. Im allgemeinen ist ein Theodolit mit hochempfindlichen Wasserwaagen ausgerüstet. Da der Spiegel 60 dazu dient, die Bezugsachse des Kreisels zu bestimmen, kann er dazu benutzt werden, das Instrument in bezug auf die Präzisionsv/asserwaagen in dem Theodoliten exakt in die Waagerechte zu bringen, das bedeutet, daß die Wasserwaagen 44 und 45 auf dem Kreiselkompaß an sich entbehrlich sind, oder aber, daß man Wasserwaagen beibehalten könnte, die nicht so sehr genau sind, da sie ja nur zu der anfänglichen Justierung des Gerätes dienen. Der Theodolit würde dann seinerseits als endgültiges Nivellierungsinstrument dienen.

Der Theodolit-Autokollimator bietet wahlweise auch noch eine andere Möglichkeit zum Messen der wirklichen Ost-West-Linie. Wie oben bereits festgestellt und an Hand der Fig. 3 näher erläutert worden ist, werden bei der Feineinstellung die Azimutstellungen des Kreisels durch das Verhältnis der Stellung des Zeigers an der Schraube 33 in bezug auf die Skala 34 notiert. Diese Stellungen könnten auch mit dem Theodolit-Autokollimator dadurch gemessen werden, daß man die Azimutstellung des Spiegels 60 für jede Rotordrehrichtung sorgfältig mißt. Eine Mittelwertbildung der Ablesungen ermöglicht es, den Theodoliten auf den wirklichen Ost-West-Hauptazimut zu bringen. Dies beseitigt natürlich die Notwendigkeit, eine Skala 34 vorzusehen, erfordert aber andererseits zwei Ablesungen mit dem Theodolit-Autokollrmator, während bei dem vorher beschriebenen Verfahren nur eine solche Ablesung erforderlich war.

In F i g. 4 ist ferner eine elektronische Einrichtung 75 dargestellt, welche Steuereinrichtungen, Stromquellen und Verstärker enthält. Eine äußere, nicht dargestellte Primärstromquelle ist die einzige zusätzliche Ausrüstung, die für den Betrieb der Einrichtung erforderlich ist. Als Beispiel für die Transportierbarkeit des Kreiselkompasses sei das Gesamtgewicht des Kopfes 80, des Stativs 73 und der elektronischen Einrichtung 75 mit etwa 45,4 kg angegeben. Das von diesen Geräten beanspruchte Gesamtvolumen beträgt annähernd 42,5 dm³.

Der oben beschriebene Kreiselkompaß ist in den Fig. 5, 6 und 7 in seinen Einzelheiten wiedergegeben.

Eine teilweise im Schnitt gezeichnete Ansicht des Kopfes 80 ist in F i g. 5 wiedergegeben. Der Kopf 80 besteht aus einem äußeren Gehäuse 72, das an dem Kreiselgehäuse 26 befestigt ist und dieses umschließt. Das Gehäuse 72 besitzt ein optisches Fenster 74, das vorzugweise ein kreisförmiges Stück aus hochwertigem Glas mit flachen, parallelen Flächen besitzt, die mit einer Schicht für beste Lichtübertragung überzogen sind. Der Spiegel 60 ist dauernd und starr an der Außenseite des Kompaßgehäuses 26 befestigt, wie dies aus den Figuren zu ersehen ist. Der Kreisel ist im Innern des Gehäuses 72 so angeordnet, daß der Spiegel 60 unmittelbar hinter das optische Fenster 74 zu liegen kommt. Das Gehäuse 72 ist auf dem Tisch 69 drehbar angeordnet. Auf diesem Tisch 69 sind die Wasserwaagen 44 und 45 befestigt. Der Tisch 69 selbst ruht an drei Stellen auf dem Dreifuß 73 und kann durch die Nivellierschrauben 40, 41 und 42 eingestellt werden. Die Azimuteinstellschraube 33 ist mit einem Getriebe verbunden, so daß das Gehäuse 72 relativ zu dem Tisch 69 gedreht werden kann. Wie man sieht, sind die Azimuteinstellschraube 33 und die Skala 34 in der üblichen Weise an der Außenseite des Gehäuses 72 angeordnet. Eine Azimutklemmschraube 77 ermöglicht es, daß das Gehäuse 72 starr mit dem Stativ 73 verriegelt wird.

Die Schalttafel auf der oberen Begrenzungsfläche der elektronischen Einrichtung 75 ist in F i g. 6 im einzelnen wiedergegeben. Sie trägt einen Schalter 77 für mehrere Stellungen, einen Knopf 78 zur Einstellung des Potentiometers 59, ein Meßinstrument 52 und einen Meßgerätkontrollschalter 81.

Eine abgeänderte Ausführungsform des Ausrichtungskopfes des Gerätes ist in Fig. 8 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Theodolit 70 unmittelbar auf das Gehäuse 72 aufgesetzt. Ist die Theodolit-Azimut-Skala mit der Eingangsachse des Kreisels exakt ausgerichtet, dann kann das Teleskop so eingestellt werden, daß es in irgendeiner erforderlichen Richtung relativ zu der Eingangsachse zeigt, wenn geeignete Skalen und Justiervorrichtungen vorhanden sind. Bei dieser Ausführungsform erübrigt sich der Autokollimator 79, weil das Teleskop mit irgendeiner örtlichen geographischen Markierung ausgerichtet werden kann; auch die Beibehaltung des Spiegels 60 ist bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich. Seine Beibehaltung kann indessen infolge der Tatsache erforderlich sein, daß er ein bequemes Mittel zur Kontrolle der Ausrichtung der Theodolitskala mit der Kreiseleingangsachse darstellt.

F i g. 7 ist ein Schaltbild, das im einzelnen einige Teile der Schaltanordnung von Fig. 3 zeigt und

709 549/97

auch die abgeänderte Ausführungsform für die Momentgeber für hohe und niedrige Drehmomentenzerlegung enthält. Das Abnehmersignal, das von dem Stellungsabgriff 47 (F i g. 3) herkommt, wird in dem Verstärker 48 verstärkt und in dem Demodulator 49 demoduliert. Der Schalter 77 enthält einen Mehrfachschalter mit verschiedenen Ebenen, der in jeder Ebene fünf Kontaktstellungen aufweist. In der Stellung »Null« oder »Aus« erdet der Punkt 77 a das Anzeigegerät 52. Die übrigen Schalterstellungen (77 δ, 77 c, 77 d und 77 e) werden in der »Aus«-Stel-Iung nicht benutzt.

In der Stellung 1 des Schalters, die der Grobeinstellung entspricht, ist das Anzeigegerät 52 an den Ausgang des Demodulators 49 über das Filter 56 angeschlossen, welches die Widerstände 87 und 88 und den Kondensator 82 enthält. Der Anzeigekontrollschalter 81 soll dabei in seiner normalen Stellung stehen. Das Filter 56 ist so ausgelegt, daß es eine große Zeitkonstante bei einem Maximum der Geräuschfilterung liefert. Entgegengesetzt geschaltete und parallel zu dem Kondensator 82 liegende Dioden 83 und 84 begrenzen den Spannungsabfall an dem Kondensator 82 auf einen vorher bestimmten Wert, so daß eine Überlastung des Anzeigegerätes 52 vermieden wird. Die Schiene 77 b des Mehrfachschalters dient dazu, einen getrennten Momentgeber 89 für hohes Auflösungsvermögen in der Schalterstellung 1 an den Ausgang des Demodulators 49 zu legen. Der Momentgeber 89 ist so angeordnet, daß er den Rotorrahmen 23 in bezug auf das Gehäuse 26 verdreht, wie dies bei dem Momentgeber 50 gemäß F i g. 3 der Fall war. Das Filter 90 enthält die Widerstände 96 und 97 und den Kondensator 95. Die Schienen 77 c, 77 d und 77 e werden in der Schalterstellung 1 nicht benutzt.

Unabhängig von dem Schalter 77 ist die Spule des Momentgebers 50 für niedriges Auflösungsvermögen unmittelbar an eine Gleichstrombezugsspannung angeschlossen, die ein Paar Gleichstromquellen 58 a und 58 & enthält. Ein Potentiometer 59 liegt zwischen dieser Quelle für positives und negatives Gleichstrompotential. Der Abgriff des Potentiometers 59 ist über den Widerstand 61 an den Momentgeber 50 angeschlossen. Wie oben bereits bemerkt, wird bei der Grobeinstellung eine Messung der statischen Fehlerdrehmomente dadurch ermöglicht, daß alle Teile des Kreiselkompasses mit Ausnahme des Kreiselrotors 20 mit Energie versorgt werden. Die Spannung von dem Stellungsabgriff 47 her verursacht einen Strom in dem Anzeigegerät 52 und einen Strom in dem Momentgeber 89. Der Strom in dem Momentgeber 50 kann mit Hilfe des Potentiometers 59 so eingestellt werden, daß das Stellungsabgriffsignal auf Null zurückgeht; in diesem Zeitpunkt steht auch das Anzeigegerät auf Null und gibt zu erkennen, daß der Strom in dem Momentgeber 89 ebenfalls Null ist.

Der Kontrollschalter 81 für das Anzeigegerät stellt ein Mittel zum Abschalten des Anzeigegerätes 52 dar, wenn äußere Justierungen für den Ausrichtungskopf 80 vorgenommen werden sollen und während der Periode, in welcher der Rotor umgepolt wird. Der Schalter 81 liefert (in der arretierten Stellung) auch ein Rückkopplungssignal an die Momentgeberspule 50, so daß der Rotorrahmen 23 während solcher Perioden der Justierung und der Rotorumkehrung praktisch in einer Nullstellung gegenüber dem

Gehäuse 26 gehalten wird. Wie aus F i g. 7 zu ersehen ist, bleibt das Anzeigegerät 52 in der arretierten Stellung des Schalters 81 von den Stromkreisen und damit auch von dem Kondensator 82 abgeschaltet. Das Anzeigegerät ist auch deshalb abgeschaltet, um eine Wiederaufladung des Kondensators 82 jedesmal dann zu vermeiden, wenn der Schalter 81 von der arretierten Stellung wieder in die Normalstellung gebracht wird. In der arretierten Stellung stellt der Schalter 81 auch eine Verbindung vom Ausgang des Demodulators 49 zu der Momentgeberspule 50 her, solange der Schalter auf 3 und 4 steht, (s. die Schalterschiene 77c). Auf diese Weise fließt vom Ausgang des Demodulators ein Strom in die Spule 50 und hält den Rotorrahmen 23 in einer Nullstellung, d. h., ein von dem Momentgeber 50 ausgeübtes Drehmoment wird direkt auf den Rotorrahmen 23 übertragen, so daß es diesen während der äußeren Einstellungen auf das Azimut und während der Perioden, in denen der Rotor 20 umgekehrt wird, in Nullstellung hält. Ein Widerstand 103 liegt zwischen dem Widerstand 88 über den Schalter 81 an Erde in der arretierten Stellung und erhält auf diese Weise den Impedanzwert des Stromkreises, wenn das Meßgerät 52 abgeschaltet ist. Der Widerstand 103 hat also eine Resistanz, die gleich der inneren Resistanz des Anzeigegerätes 52 ist.

Die Schalterstellung 2 an dem Mehrfachschalter 77 dient der Grobeinstellung für die Ausrichtung. In der Stellung IIa ist der Widerstand 88 des Filters 56 kurzgeschlossen. Wie oben bereits bemerkt worden ist, dient für die Grobeinstellung der Ausrichtung ein Momentgeber mit geringem Auflösungsvermögen. Die Schiene 77 & des Mehrfachschalters, die mit dem Momentgeber 89 verbunden ist, wird daher in der Schalterstellung 2 abgeschaltet. Die Spule des Momentgebers 50 ist an den Ausgang des Demodulators 49 über ein Filter 54 angeschlossen, welches die Widerstände 99 und 100 und den Kondensator 98 enthält. Beide Filter 54 und 90 sind für das Optimum der dynamischen Ansprechempfindlichkeit der Hilfsschleife ausgelegt. Die Wirkung des Kreiselkompasses in Stellung 2 kann also wie folgt kurz dargestellt werden: Eine Spannung von dem Stellungsabgriff 47 ruft einen Strom in dem Meßgerät 52 und einen Strom in dem Momentgeber 50 hervor. Der Strom in dem Meßgerät 52 für eine vorgegebene Spannung am Ausgang des Demodulators ist in dieser Stellung erhöht, weil der Widerstand 88 überbrückt ist. Das Kreiselgehäuse 26 wird in Azimutstellung verdreht, bis eine Nullanzeige des Meßgerätes 52 zu erkennen gibt, daß kein Strom über das Filter 54 zu der Momentgeberspule 50 fließt.

Die Stellungen 3 und 4 des Schalters 77 dienen der Feineinstellung. In diesen Stellungen wird die Stromschiene 77 a nicht benutzt. Die Stromschiene 77 b verbindet die Spule des Momentgebers 89 mit dem Ausgang des Demodulators 49 über das Filter 90. Die Schiene 77 c trennt die Spule 50 von der Servoschleife (ausgenommen natürlich die obenerwähnte Stellung, in welcher sich der Schalter 81 in der arretierten Stellung befindet). Die Schienen 77d und 77 e bewirken eine Umkehrung des Kreiselrotors 20 durch Vertauschen der Phasen A und C des Dreiphasennetzes bei den entsprechenden Schalterstellungen 3 und 4. Die Wirkungsweise des Kreiselkompasses für die Schalterstellung 3 und 4 kann wie folgt zusammengefaßt werden: Dreht sich der Rotor

in Stellung 3 in einer Drehrichtung, dann wird das Kreiselgehäuse 26 in bezug auf die Achse 27 so lange verstellt, bis die von dem Anzeigegerät 52 nachgewiesene Präzession Null ist. Bei dieser Anzeige kann auch angenommen werden, daß der in die Spule des Momentgebers 89 fließende Strom ebenfalls Null ist. In der Schalterstellung 4 wird der Rotor 20 in der entgegengesetzten Richtung in Umdrehung versetzt, und das Kreiselgehäuse 26 wird justiert, bis die von dem Anzeigegerät 52 angegebene Präzession Null ist. Für jede Schalterstellung 3 und 4 wird eine Ablesung je nach Stellung der Azimuteinstellschraube 33 vorgenommen. Wie oben ausgeführt, ermöglicht eine Mittelwertbildung dieser Ablesungen, daß der Kreisel sehr genau mit dem wirklichen Ost-West-Azimut zur Ausrichtung gebracht werden kann.

Bei dem Schaltbild nach Fig. 7 können der Momentgeber 89 für die hohe Auflösung und der Momentgeber 50 für die geringe Auflösung durch zwei getrennte Drehmomentgeber oder zwei getrennte Spulen in dem gleichen Drehmomentgeber gebildet werden. In jedem Fall ermöglicht die Anwendung zweier getrennter Momentgeber eine einfachere Einstellung der die Drehmomente hervorrufenden elektrischen Ströme für zwei verschiedene Ebenen der Drehmomentaufgliederung und auch für die unabhängige Kompensation der dynamischen Störmomente.

In dem Schaltbild der F i g. 7 könnte das Anzeigegerät 52 in denselben Stromkreis gelegt werden wie die Spule des Momentgebers 89 oder die Spule des Momentgebers 50 für die Schalterstellung 2, da der Gleichstrom durch das Meßgerät proportional ist dem Gleichstrom durch die Momentgeberspule und weil beide Ströme von der gleichen Demodulator-Ausgangsspannung hervorgerufen sind. Die parallele Anordnung der Stromkreise, wie sie aus der Zeichnung zu entnehmen ist, macht es jedoch möglich, das Filter in sich auf optimalen Betrieb einzustellen, d. h., das Filter 56 in dem Indikatorstromkreis kann für eine große Zeitkonstante bei einem Maximum an Geräuschfilterung sorgen, während die Filter 54 und 90 in dem Momentgeberstromkreis auf optimale dynamische Ansprechempfindlichkeit der Hilfsschleife eingeregelt werden können.

Die oben abgeleitete Gleichung (9) zeigt, daß eine quantitative Messung des Fehlerdrehmoments M_u durch die Mittelwertbildung der Größen der gemessenen Drehmomente ZlM₁ und AM₂ erfolgen kann. Diese Mittelwertbildung kann man beispielsweise dadurch erhalten, daß man das Kreiselgehäuse in die Azimutstellung bringt, welche durch die gemessenen Drehmomente angezeigt wird. Dieses Verfahren wird bei den oben in Verbindung mit den F i g. 3 und 7 erläuterten Ausführungsbeispielen benutzt. Bei der Ausführungsform des Kreiselkompasses, die im folgenden beschrieben werden soll, wird die Mittelwertbildung dadurch elektrisch gewonnen, daß eine quantitative Messung der Drehmomente AM₁ und AM₂ gespeichert wird und ihr Mittelwert in der Feineinstellung für die Ausrichtung unmittelbar auf die Kreiselausgangsachse gegeben wird.

F i g. 9 zeigt ein Schaubild der abgeänderten Ausführungsform des Kreiselkompasses. Der benutzte Kreisel und ein Teil des Stromkreises können identisch gleich mit den oben beschriebenen und darge-

stellten entsprechenden Teilen sein. Der Einfachheit halber haben die in F i g. 7 und 9 gezeigten Teile, die identisch gleich sind, die gleichen Bezugsziffern. In den Stromkreis der Fig. 9 könnte ein Meßgerätkontrollschalter eingefügt werden, der identisch gleich dem Schalter 81 in F i g. 7 ist. Er ist indessen nicht zur Darstellung gebracht, um die unterschiedlichen Merkmale der Fig. 9 gegenüber der Fig. 7 deutlicher zum Ausdruck zu bringen. Sowohl in F i g. 9

ίο als auch in F i g. 7 ist der Ausgang des Demodulators 51 an Filter 54, 56 und 90 angeschlossen. Ein Schalter 116 mit Vielfachkontakten besteht aus den Schalterebenen 116«, 116 b, 116 c, 116 d und 116 e. In jeder Schalterebene sind sieben Kontaktstellungen vorgesehen.

In der »Null«- oder »Aus«-Stellung des Schalters 116 wird nur die Ebene 116 a benutzt; in dieser Stellung ist das Anzeigegerät 52 geerdet.
Die Schalterstellung 1 dient zur Grobeinstellung

ao der Vorspannung. Das Anzeigegerät 52 ist über die Schalterebene 116 a mit dem Ausgang des Filters 56 verbunden. Die Schiene 116 & verbindet die Spule des Momentgebers 89 mit dem Ausgang des Filters 90. Wie in F i g. 7, so ist auch hier die Spule des Momentgebers 50 unmittelbar an eine Quelle veränderlichen Gleichstrompotentials angeschlossen, die aus den beiden Gleichstromquellen 58 α und 58 δ sowie aus dem Potentiometer 59 besteht, und, wie oben beschrieben, wird bei der Grobeinstellung der Vorspannung eine Kompensation der statischen Fehlerdrehmomente dadurch herbeigeführt, daß man sämtliche Teile des Kreiselkompasses mit Ausnahme des Kreiselrotors 20 mit Energie versorgt. Die Spannung aus dem Stellungsabgriff 47 ruft einen Strom in dem Meßgerät 52 und einen Strom in der Spule des Momentgebers 89 hervor. Der Strom in der Spule 50 wird dann mit Hilfe des Potentiometers 59 eingestellt, bis das Abgriffsignal auf Null zurückgeht, d. h. also zu einem Zeitpunkt, zu dem auch das Anzeigegerät auf Null steht und damit anzeigt, daß der Strom in der Spule 89 ebenfalls Null ist.

Die Schalterstellung 2 dient der Grobeinstellung für die Ausrichtung. Die Schiene 116 a überbrückt den Widerstand 88 und vergrößert dadurch den Strom in dem Anzeigegerät 52 bei einer vorgegebenen Spannung im Ausgang des Demodulators 49. Wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel bleibt die Spule 89 während dieser Einstellung von dem Stromkreis getrennt. Die Spule 50 wird über das Filter 54 an den Demodulator 49 gelegt. Die Wirkung des Kreiselkompasses in der Stellung 2 kann wie folgt kurz zusammengefaßt werden: Eine Spannung von dem Stellungsabgriff 47 bewirkt einen Strom in dem Anzeigegerät 52 und einen Strom in der Spule

50. Das Kreiselgehäuse 26 wird in Azimut gedreht, bis eine Nullanzeige des Anzeigegerätes 52 erkennen läßt, daß durch das Filter 54 kein Strom mehr durch die Spule 50 fließt.
Der Feineinstellung dienen die Schalterstellungen 3 und 4. In diesen Stellungen verbindet die horizontale Schalterschiene 116 a das Anzeigegerät 52 mit dem Ausgang des Filters 56. Die Spule 89 ist über die Schalterschiene 116 & mit dem Ausgang des Filters 90 verbunden. Für diese Schalterstellungen ist allerdings ein erheblicher Unterschied zwischen den F i g. 9 und 7 festzustellen. In der Schalterstellung 3 von F i g. 9 ist die Spule 50 an eine zusätzliche Gleichspannungsquelle angeschlossen, welche die Gleich-

Stromquellen 58 α und 58 b, die Widerstände 110, 112 und 117 und das Potentiometer 111 enthält. Das Potentiometer 111 dient dazu, den erforderlichen Strom zusätzlich zu dem aus dem Potentiometer 59 über den Widerstand 61 gelieferten Strom festzuhalten, um die dynamische Störkomponente auszugleichen, die für die besondere Richtung der Rotordrehung einschließlich der durch die Erdkomponente verursachten Präzession wirksam geworden ist. Die Schienen 116 d und 116 e dienen dazu, den Rotor 20 für eine Drehrichtung zu erregen. Die Wirkung des Kreiselkompasses in Stellung 3 läßt sich folgendermaßen kurz zusammenfassen: Eine Spannung aus dem Stellungsabgriff 47 bewirkt einen Strom in dem Anzeigegerät 52 und einen Strom in der Spule 89. Das Potentiometer 111 dient durch Einstellung seines Kontaktarmes von Hand zur Einstellung des Stromes in der Spule 50, bis der Strom in der Spule 89 Null geworden ist, wie dies das Anzeigegerät 52 erkennen läßt. Das von der Spule 50 erzeugte Drehmoment gleicht also sowohl die dynamischen Störmomente für diese Drehrichtung des Rotors als auch die Präzession infolge der Erdkomponente aus.

In der Schaltstellung 4 ist die Stromkreisstellung der Fig. 9 bezüglich der Schienen 116c, 116d und 116 e gegenüber derjenigen der Schalterstellung 3 geändert. Die Spule 50 ist an eine andere veränderliche Gleichstromquelle gelegt, welche die Spannungsquellen 58 a und 58 b, die Widerstände 113, 115 und 118 sowie das Potentiometer 114 enthält. Widerstände 61, 117 und 118 sind so gewählt, daß der Strom in der Spule 50 aus dem Potentiometer 59 nur in vernachlässigbarem Umfang durch die Ströme aus dem Potentiometern III und 114 beeinflußt wird. Die Drehung des Rotors 20 wird durch Vertauschen zweier der drei an ihn angelegten Phasen in den Schaltern 1160" und 116 e umgekehrt. Das Potentiometer 114 dient zur Einstellung des Stromes in der Spule 50, bis der Strom in der Spule 89 Null wird, wie dies das Anzeigegerät erkennen läßt. Auf diese Weise stellt das Potentiometer 114 einen Speicher zum Festhalten der Stromstärke dar, die erforderlich ist, um sowohl die dynamischen Störmomente in dieser Richtung der Rotordrehung als auch die von der Erdkomponente bewirkte Präzession auszugleichen. In diesem Betriebszustand sind die Potentiometer 111 und 114 auf Einstellungen festgehalten, die proportional den Drehmomenten sind, die aufgebracht werden müssen, um die dynamischen Störmomente für entgegengesetzte Drehrichtungen des Rotors und auch die Präzession infolge der Erdkomponente unwirksam zu machen.

Die Stellung 5 des Vielfachschalters 116 dient der Feineinstellung der Ausrichtung. Bei dieser Einstellung wird das Kreiselgehäuse 26 so eingestellt, daß es sehr genau mit dem wirklichen Ost-West-Azimut ausgerichtet ist. Die horizontalen Schalterschienen 116a, 116 ö, 116 d und 116 e sind gegenüber der Stellung 4 unverändert. Die horizontalen Schalterschienen 116 c dagegen verbinden die Spule 50 mit den Ausgängen der beiden Potentiometer 111 und 114 über die in Reihe geschalteten Widerstände 120 und 119. Der Gesamtstrom in der Spule 50 besteht daher aus einem Strom aus dem Potentiometer 59 und einem kombinierten Strom aus den Potentiometern 111 und 114. Die Widerstandsbeträge der Widerstände 119 und 120 sind so gewählt, daß der Netzstrom in der Spule 50 gleich ist dem Durch-

schnittswert der beiden Ströme, welche durch di Widerstände 117 und 118 fließen, wenn der Schalte in Stellung 3 bzw. in Stellung 4 ist. Hierdurch wir ein derartiges Drehmoment auf den Rotorrahmen 2 gegeben, daß die Gleichung (9) erfüllt ist; auf dies Weise sind die dynamischen Störmomente des Kreisel kompasses nunmehr weitgehend kompensiert. Da Kreiselgehäuse 26 kann dann im Azimut eingestel] werden, bis der Strom in der Spule 89 Null beträg wie dies von dem Anzeigegerät angezeigt wird. Di längs der Eingangsachse gemessene Erdkomponent ist dann Null und die Eingangsachse ist sehr gena auf das wirkliche Ost-West-Azimut ausgerichtet.
Die Schalterstellung 6 stellt eine Kontrolle für di genaue Wirkung und Ausrichtung des Instrumente dar. Diese Stellung ist identisch gleich derjenigen de Stellung 5 mit der Ausnahme, daß der Rotor 20 mi Hilfe der Stromschienen 116 d und 116 e in entgegen gesetzter Richtung gedreht wird. Ist das Instrumen genau eingestellt, dann zeigt das Gerät immer nocl auf Null, nachdem der Schalter 116 von der Stellung: in die Stellung 6 umgelegt worden ist.

Tatsächlich stellt der soeben beschriebene Strom kreis einen Analogrechner dar, der eine selbsttätig Mittelwertbildung der Ströme liefert, die proportiona den gemessenen Fehlerdrehmomenten J M₁ und J M sind.

Bisher wurden die Einstellungen des Kreiselgehäu ses und die Einstellung der Potentiometer so be schrieben, als erfolgten sie immer von Hand. Diesi Einstellungen könnten jedoch auch durch eine in de einschlägigen Technik an sich bekannte automatisch Steuerung erfolgen. Insbesondere könnte der Stron in dem Anzeigegerät, da jeder Schritt der Einstellung von dem Anzeigegerät 52 gesteuert ist und fort geführt wird, bis der Zeiger auf Null angelangt ist als Eingang an einem Hilfsverstärker verwende werden, der einen Servomotor speist, der seinerseit wieder jede der Einstellungen über geeignete Kupp lungen durchführen könnte.

Der Kreiselkompaß nach der Erfindung kann aucl zur Bestimmung der geographischen Breite benutz werden. Wie oben beschrieben und in F i g. 2 dar gestellt, ist die Komponente der Erddrehung läng der Kreiseleingangsachse porportional cos λ, und . ändert sich mit der geographischen Breite. Die Mes sung der geographischen Breite wird vorgenommen nachdem die wahre Ost-West-Richtung bestimm worden ist. Das Kompaßgehäuse wird dann genai um 90° im Azimut gedreht, und es wird eine neui Stellung des Potentiometers 59 ermittelt, die erfor derlich ist, um den Strom Null in der Spule 8! (Fig. 7 oder 9) zu erzielen. Die Änderung diese Stellung ist proportional cos λ.

Der Kreiselkompaß nach der Erfindung ist an den Beispiel der Bestimmung des wahren Ost-West-Azi muts beschrieben worden. Es kann aber auch jed< andere Richtung als das Ost-West-Azimut bestimm werden, wenn einmal das wahre Ost-West-Azimu bestimmt worden ist, und zwar durch Anlegen eine: bekannten Drehmomentes an den Rotorrahmen. Fü die Zwecke dieser Messung wird das Potentiomete: 59 auf einen vorher bestimmten Skalenwert einge stellt, der sich auf die Einstellung der direkten Ab weichung von dem Ost-West-Azimut (für eine vor gegebene geographische Breite) bezieht. Die Bedin gung für das Drehmoment Null in dem Momentgebe: 89 wird dann erneut aufgesucht; hat man aber dies*

Claims (2)

Bedingung erreicht, dann wird die Kreiseleingangsachse von dem wahren Ost-West-Azimut um einen Betrag verschoben und in einer Richtung, die von dem Betrag und der Richtung des Netzdrehmoments abhängt, das auf die Kreiselausgangsachse durch das Potentiometer 59 in Verbindung mit dem Momentgeber 50 gegeben wird. Patentansprüche: xo

1. Landkompaß mit einem Wendekreisel, dessen Rahmenachse in einem Gehäuse gelagert ist, welches seinerseits um eine koaxial zur Rahmenachse verlaufende, lotrecht gestellte Gehäuseachse in einem erdfesten Stativ drehbar gelagert ist, und der eine elektrische Fesselung aufweist, die aus der Zusammenschaltung eines mit der Rahmenachse verbundenen Stellungsabgriffs und Momentgebers besteht, wodurch betriebsmäßig der im Fesselungskreis fließende Strom proportional der Abweichung der Meßachse des Wendekreisels aus der Ost-West-Richtung ist, gekennzeichnet durch einen auf die Gehäuseachse (27) wirkenden Feinstelltrieb (31 bis 34), mit dem das Gehäuse (26) manuell nach Maßgabe eines in an sich bekannter Weise in den Fesselungskreis eingefügten Strommessers (52) derart einstellbar ist, daß die Meßachse (12) des Wendekreisels in die durch Nullanzeige des Strommessers gekennzeichnete Ost-West-Richtung zu liegen kommt, und ferner dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung der die Einstellgenauigkeit verringernden, um die Rahmenachse (46) wirkenden, von der Drehrichtung des Kreiselrotors (20) unabhängigen dynamischen Störmomente die Drehrichtung des Kreiselrotors umkehrbar ist, so daß ein Mittelwert aus zwei Einstellungen gebildet werden kann.

2. Landkompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der die Einstellgenauigkeit verringernden, um die Rahmenachse (46) wirkenden statischen Störmomente dem Momentgeber (50) aus einer Gleichspannungsquelle (58) eine zusätzliche, mittels Potentiometer (59) einstellbare Erregung erteilt wird.

3. Landkompaß nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einführung des von dem Stellungsabgriff (47) gelieferten Fesselsignals ein getrennter Momentgeber (89) dient.

4. Landkompaß nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen fünfstufigen Schalter (77) für folgende Betriebsstellungen in zwangläufiger Reihenfolge (F i g. 7):

0 = Aus;

1 = Kompensation der statischen Störmomente

an der Rahmenachse (46) (Rotor im Stillstand);

2 = Grobeinstellung der Meßachse (12) (Rotor

im Rechtslauf);

3 = Feineinstellung der Meßachse (12) (Rotor

im Rechtslauf);

4 = Feineinstellung der Meßachse (12) (Rotor

im Linkslauf).

5. Landkompaß nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch im Stromkreis des Momentgebers (50) angeordnete Potentiometer (111,114), mit denen nach Kompensation der statischen Störmomente und nach Grobeinstellung der Meßachse (12) die Erregung des Momentgebers (50) jeweils bei Rechtslauf und Linkslauf des Rotors (20) so einstellbar ist, daß die an der Rahmenachse (46) entstehenden Störmomente kompensiert werden, und ferner gekennzeichnet durch einen Spannungsteiler (119,120) zur Mittelwertbildung der Einstellwerte der Potentiometer (111, 114), so daß ein Mittelwert aus denjenigen Erregungen erhalten wird, die zur Kompensation der dynamischen Störmomente allein bei Rechtslauf und Linkslauf des Rotors (20) dienen.

6. Landkompaß nach Anspruch 1 bis 3 und 5, gekennzeichnet durch einen siebenstufigen Schalter (116) für folgende Betriebsstellungen in zwangläufiger Reihenfolge (Fig. 9):

0 = Aus;

1 = Kompensation der statischen Störmomente

an der Rahmenachse (46) (Rotor im Stillstand);

2 = Grobeinstellung der Meßachse (12) (Rotor

im Rechtslauf);

3 = Kompensation der dynamischen Störmomente an der Rahmenachse (46) (Rotor im Rechtslauf);

4 = Kompensation der dynamischen Störmomente an der Rahmenachse (46) (Rotor im Linkslauf);

5 = Feineinstellung der Meßachse (12) bei dem

mittleren Kompensationsmoment (Rotor im Linkslauf);

6 = Feineinstellung der Meßachse (12) bei dem

mittleren Kompensationsmoment (Rotor im Rechtslauf).

7. Landkompaß nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem die Rahmenachse (46) tragenden Rahmen (26) ein ebener Spiegel (60) so angeordnet ist, daß seine Flächennormale mit der Meßachse (12) zusammenfällt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 274 443, 2 729107, 2802279;

Grammel, Der Kreisel, 2. Auflage, Berlin, 1950, Bd. II, S. 105;

Fiat Review of German Science, Bd. 7: Angewandte Mathematik, Teil V, S. 227;

Proceedings, Seventh Annual Exploration Drilling Symposium, University of Minnesota, 1957, S. 100 bis 104.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709 549/97 4.67 © BundesdruckereiBerlin