DE1242001B - Massependel zum Anzeigen der wahren Lotrichtung unabhaengig von das Pendel beeinflussenden Horizontalbeschleunigungen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT Int. Cl.:

GOlc

Deutsche Kl.: 42 c - 25/50

AUSLEGESCHRIFT

BIBLIOTHEK OES DEUTICHf· PATEKTiiTiI

Nummer: 1242 001

Aktenzeichen: H 39129IX b/42 c

Anmeldetag: 9. April 1960

Auslegetag: 8. Juni 1967

Die Erfindung betrifft ein Massependel, dessen Trägheitsmoment künstlich derart vergrößert ist, daß es unabhängig von Horizontalbeschleunigungen stets die wahre Lotrichtung anzeigt. Ein solches Pendel kann zum Anzeigen der wahren Lotrichtung unabhängig von das Pendel beeinflussenden Horizontalbeschleunigungen, z. B. in einem entlang der Erdoberfläche sich bewegenden Fahrzeug, verwendet werden.

Es ist schon bekannt, daß ein Pendel mit einer horizontalen Drehachse und mit einer Schwingungsperiode von etwa 84 Minuten, ein sogenanntes Schuler-Pendel, immer die wahre Lotrichtung anzeigt, und zwar unabhängig von das Pendel beeinflussenden, zur Drehachse des Pendels senkrechten Horizontalbeschleunigungen. Ein solches Schuler-Pendel kann also, wenigstens in der Theorie, zum Anzeigen der wahren Lotrichtung in einem sich entlang der Erdobei fläche bewegenden Fahrzeug verwendet werden. In der Praxis ist es jedoch nicht möglich, ein physikalisches Schuler-Pendel zu realisieren, da die zum Erreichen der verlangten langen Schwingungsperiode des Pendels erforderliche sehr große Trägheitsmasse und/oder sehr geringe Verschiebung des Schwerpunktes des Pendels gegenüber der Pendelachse nicht mit einer zufriedenstellenden Genauigkeit erreicht werden können.

Es ist deshalb schon versucht worden einem Pendel auf künstlichem Wege die für die Schuler-Abstimmung erforderliche lange Schwingungsperiode von etwa 84 Minuten beizubringen. Es ist z. B. schon ein System bekannt zum Einstellen einer um eine horizontale Achse drehbaren Plattform in der wahren Lotrichtung, bei dem die horizontale Beschleunigung der Plattform in Richtung senkrecht zur Drehachse der Plattform mittels eines auf der Plattform untergebrachten Beschleunigungsmessers gemessen wird und bei dem diese Horizontalbeschleunigung der Plattform unter Verwendung eines auf der Plattform untergebrachten integrierenden Kreisels zweimal integriert wird und das Ergebnis dieser doppelten Integration zum Steuern eines die Plattform um ihre Drehachse drehenden Motors verwendet wird, so daß der von diesem Motor verursachte Verstellwinkel der Plattform um ihre Drehachse proportional dem Ergebnis der doppelten Integration wird. Durch geeignete Wahl der Proportionalitätskonstanten in diesem System wird es möglich, die Plattform immer senkrecht zur wahren Lotrichtung zu halten. Ein solches System erfordert jedoch einen großen feinmechanischen Aufwand.

Es war deshalb eine einfachere, aber nach demselben Prinzip arbeitenden Einrichtung zur gleichzeitigen Massependel zum Anzeigen der wahren
Lotrichtung unabhängig von das Pendel
beeinflussenden Horizontalbeschleunigungen

Anmelder:

Svenska Aktiebolaget Philips, Stockholm
Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:
Nils-Folke Hector,
Karl-Johan Aström, Stockholm

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 9. April 1959 (3394),

vom 24. September 1959 (8920)

Messung der Horizontalbeschleunigung und zur zweimaligen Integrierung dieser Horizontalbeschleunigung und zum Drehen eines um eine horizontale Achse drehbaren Körpers in Übereinstimmung mit dem Integrationsergebnis entwickelt worden. Diese bekannte Einrichtung besteht aus einem äußeren Tragring, der um eine horizontale Achse drehbar ist und eine bestimmte Unwucht um seine Drehachse aufweist, so daß er als Pendel wirkt. In diesem äußeren Tragring ist ein zweiter, innerer Tragring drehbar um eine vertikale Achse gelagert. In dem inneren Tragring ist weiter ein Kreiselkörper um eine horizontale, zur horizontalen Drehachse des äußeren Tragringes senkrechte Achse gelagert. Weiter ist der innere Tragring durch eine Spiralfeder an den äußeren Tragring gekuppelt. Durch geeignete Bemessung der Unwucht des äußeren Tragringes, des kinetischen Momentes des Kreiselkörpers und der Federkraft der Spiralfeder ist es bei dieser Einrichtung wenigstens in der Theorie möglich zu erreichen, daß der äußere als Pendel wirkende Tiagring sich immer in die wahre Lotiichtung unabhängig von Horizontalbeschleunigungen in Richtung senkrecht zu seiner Drehachse einstellt. Die Genauigkeit dieser Einrichtung ist jedoch schon deswegen beschränkt, weil sie eine genaue Bemessung rein mechanischer Elemente erfordert. Dieses bekannte Massependel hat auch den Nachteil, daß es nur zum

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Anzeigen der wahren Lotrichtung und also als Lotfühler auf einer stabilisierten Plattform verwendet werden kann. Es ist dagegen nicht möglich, aus diesem bekannten Massependel Signale proportional der Winkelbeschleunigung um die Pendelachse zu erhalten, die für Navigationszwecke verwendet werden können.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb, ein Massependel zum Anzeigen der wahren Lotrichtung unabhängig von das Pendel beeinflussenden Horizontalbeschleunigungen zu schaffen, das in feinmechanischer Hinsicht einfacher ist und durch bevorzugte Verwendung elektrischer Mittel eine beträchtlich größere Genauigkeit und Stabilität als bisher bekannte Massependel aufweist und von dem elektrischen Beschleunigungssignale für Navigationszwecke unmittelbai erhalten werden können.

Die Erfindung geht von der neuen Erkenntnis aus, daß es möglich ist, das Trägheitsmoment eines um eine Achse drehbaren Körpers auf elektrischem Wege dadurch künstlich zu vergrößern, daß die Winkelbeschleunigung des drehbaren Körpers um seine Drehachse relativ zum Trägheitsraum gemessen wird und ein dieser Winkelbeschleunigung proportionales Drehmoment dem drehbaren Körper um seine Drehachse entgegengesetzt der Winkelbeschleunigung des Körpers zugeführt wird. Nach der vorliegenden Erfindung wird jetzt diese Methode verwendet, um das Trägheitsmoment eines Massependels künstlich derart zu vergrößern, daß das Pendel unabhängig von Horizontalbeschleunigungen stets die wahre Lotrichtung anzeigt.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Meßeinrichtung zur Gewinnung eines der Winkelbeschleunigung des Pendels um seine Drehachse relativ zum Trägheitsraum proportionalen elektrischen Signals und durch einen mit diesem Signal beaufschlagten, das Pendel um seine Drehachse beeinflussenden und dem Pendelschlag entgegenwirkenden Drehmomentgeber.

Zum Erzeugen des der Winkelbeschleunigung des Pendels um seine Drehachse relativ zum Trägheitsraum proportionalen elektrischen Signals wird vorzugsweise ein Kreisel verwendet. Es ist z. B. möglich, einen integrierenden Kreisel zu verwenden, der mit dem Pendel derart verbunden ist, daß die Eingangsachse des Kreisels mit der Drehachse zusammenfällt, wobei das Ausgangssignal des Kreisels dem Drehmomentgeber durch eine das Ausgangssignal zweimal differenzierende Einrichtung zugeführt wird. Nach einer anderen Ausführung der Erfindung wild in ähnlicher Weise ein integrierender Kreisel in Geschwindigkeitskopplung verwendet, dessen Ausgangssignal dem Drehmomentgeber durch eine das Signal einmal differenzierende Einrichtung zugeführt wird. Bei noch einer anderen Ausführung der Erfindung wird ein integrierender Kreisel in Beschleunigungskopplung verwendet, wobei das Ausgangssignal des Kreisels dem Drehmomentgeber ohne Differenzierung zugeführt wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 schematisch ein System zur Erläuterung der der Erfindung zugrunde liegenden Methode der künstlichen Vergrößerung des Trägheitsmomentes eines um eine Drehachse drehbaren Körpers,

F i g. 2 schematisch ein Massependel nach der Erfindung mit einem integrierenden Kreisel,

F i g. 3 ein entsprechendes Massependel nach der Erfindung mit einem integrierenden Kreisel in Geschwindigkeitskopplung und

F i g. 4 eine Modifikation des in F i g. 3 dargestellten erfindungsmäßigen Massependels bei Verwendung eines integrierenden Kreisels in Beschleunigungskopplung.

F i g. 1 zeigt einen um eine Drehachse 1 a drehbaren Körperl, dessen Drehwinkel tfflmirtr Drehachse la relativ zum Trägheitsraum mitsö bezeichnet ist. Das System zur künstlichen Vergrößerung des Trägheitsmomentes des Körpers enthäif'eipe mit der Drehachse 1 a verbundene Einrichtung 2 zum Erfassen

d©

der Winkelgeschwindigkeit

dt

des Körpers 1 um

seine Drehachse 1 a relativ zum Trägheitsraum, eine differenzierende Einrichtung 3, eine verstärkende Einrichtung 4 und einen mit der Drehachse 1 a verbundenen Drehmomentgeber5. Die Einrichtung! zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit des drehbaren Körpers 1 relativ zum Trägheitsraum kann z. B. aus einem integrierenden Kreisel in Geschwindigkeitskopplung bestehen, der mit dem Körper 1 derart verbunden ist, daß die Eingangsachse des Kreisels mit der Drehachse 1 a des Körpers 1 zusammenfällt. Dieser Kreisel erzeugt also ein der Winkelgeschwindigkeit ^ά~ des

Körpers 1 um seine Drehachse la

relativ zum Trägheitsraum proportionales, elektrisches Signal, das der differenzierenden Einrichtung 3 zugeführt wird, die also ein Signal proportional der Winkel-

d²0

beschleunigung

di²

des Körpers 1 relativ zum Trägheitsraum abgibt. Das Ausgangssignal der differenzierenden Einrichtung wird in dem Verstärker 4 verstärkt und dem Drehmomentgeber 5 zugeführt, der also dem Körper 1 ein Moment um seine Dreh-

achse 1 a proportional der Winkelbeschleunigung -^_ides Körpers beibringt. Weiter wird angenommen, daß der Drehmomentgeber 5 dem die Winkelbeschleunigung des Körpers 1 relativ zum Trägheitsraum verursachenden, äußeren Drehmoment entgegenwirkt.
Mit den Bezeichnungen:

J = das Trägheitsmoment des drehbaren

Körpers 1,
D = Dämpfung des Systems,
M_m — das vom ' Drehmomentgeber 5 erzeugte

Drehmoment,
M₂ = das äußere, auf den Körper wirkende Drehmoment

erhält man folgende Gleichung für das System: d³6>

di²

^ d0

D = M₂-

dt^z

-M_n

Für das vom Drehmomentgeber 5 erzeugte Drehmoment M_m ergibt sich jedoch:

M_rt

dt*

worin & eine sich aus den Proportionalitätskonstanten des Kreisels 2, der differenzierenden Einrichtung 3, der verstärkenden Einrichtung 4 und des Drehmoment-

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gebers 5 zusammensetzende Proportionalitätskonstante bezeichnet. Hieraus erhält man also

u = k) ^ύΗ-> +η ^άΘ =M..
dt² dt

Aus dieser Gleichung geht unmittelbar hervor, daß der drehbare Körper 1 wegen des vom Drehmomentgeber 5 erzeugten, der Winkelbeschleunigung des Körpers relativ zum Trägheitsraum proportionalen Drehmoments sich wie ein Körper mit dem Trägheitsmoment J + k verhält. Das scheinbare Trägheitsmoment des Körpers 1 ist also im Verhältnis zu dem physikalischen Trägheitsmoment / des Körpers künst- *5 lieh vergrößert worden. Durch eine geeignete Wahl der Verstärkung im System ist es also möglich, das Trägheitsmoment eines um eine Achse drehbaren Körpers bis auf einen beliebigen Wert künstlich zu vergrößern.

Nach der Erfindung wird jetzt die in Verbindung mit F i g. 1 beschriebene Methode verwendet, um das Trägheitsmoment eines Massependels künstlich derart zu vergrößern, daß das Pendel eine Schwingungsperiode von etwa 84 Minuten erhält und also unab- hängig von Horizontalbeschleunigungen stets die wahre Lotrichtung anzeigt.

Das in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massependels weist ein nur sehr schematisch dargestelltes Pendel 6 auf, das mit seiner zugehörigen Drehachse 6a in einem Gestell 7 drehbar gelagert ist. Die Drehachse 6 a des Pendels trägt einen Rahmen 8, in dem ein integrierender Kreisel angeordnet ist. Der integrierende Kreisel besteht in an sich bekannter Weise aus einem rotierenden Kreiselkörper 9, dessen Drallachse senkrecht zur Drehachse 6a des Pendels liegt und der um eine zu sowohl der Drallachse als auch der Drehachse 6 a des Pendels senkrechte Welle 10 im Rahmen 8 schwenkbar gelagert ist. Die Eingangsachse des Kreisels fällt also mit der Drehachse 6 a des Pendels 6 zusammen, während die Welle 10 die Ausgangsachse des Kreisels darstellt.

Der Kreisel umfaßt weiter in an sich bekannter Weise eine Flüssigkeitsdämpfung 11 und ist mit einem Signalgeber 12 versehen, der die Drehung der Welle 10 relativ zum Rahmen 8 erfaßt und also das Ausgangssignal des Kreisels erzeugt. Der Signalgeber 12 ist mit einem Schleifring 13 auf der Drehachse 6a des Pendels verbunden. Das Ausgangssignal eines solchen integrierenden Kreisels ist, wie bekannt, proportional dem Drehwinkel des Kreisels um seine Eingangsachse relativ zum Trägheitsraum, und im vorliegenden Falle ist also das Ausgangssignal des Signalgebers 12 proportional dem Drehwinkel ω des Pendels 6 um seine Drehachse 6 a relativ zum Trägheitsraum.

Das Ausgangssignal des Signalgebers 12 wird vom Schleifring 13 einem Verstärker 14 zugeführt, von dem das verstärkte Signal einer das Signal zweimal differenzierenden Einrichtung 15 zugeführt wird. Diese differenzierende Einrichtung gibt also ein Ausgangssignal

d² co

proportional der Winkelbeschleunigung des

Pendels 6 relativ zum Trägheitsraum ab, und dieses Signal wird einem Drehmomentgeber 16 zugeführt, der mit der Drehachse 6a des Pendels derart verbunden ist, daß er dem Pendel ein dem Pendelausschlag entgegenwirkendes Drehmoment proportional der

Winkelbeschleunigung des Pendels relativ zum Trägheitsraum beibringt.

Statt eines einfachen integrierenden Kreisels ist es bei einem erfindungsmäßigen Massependel auch möglich, einen integrierenden Kreisel in Geschwindigkeitskopplung zu verwenden. F i g. 3 zeigt schematisch ein solches Massependel nach der Erfindung, wobei in F i g. 3 gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile wie in F i g. 2 verwendet sind. Dieses Massependel unterscheidet sich von dem in F i g. 2 dargestellten nur dadurch, daß der integrierende Kreisel in Geschwindigkeitskopplung in an sich bekannter Weise auch einen an die Ausgangsachse 10 des Kreisels gekuppelten Drehmomentgeber 17 umfaßt, der mit einem Schleifring 18 auf der Drehachse 6a des Pendels 6 veibunden ist. Diesem Schleifring 18 wird durch den Verstärker 14 und den Schleifring 13 das dem Ausschlagwinkel des Kreisels proportionale Signal des Signalgebers 12 zugeführt. Dem Drehmomentgeber 17 des Kreisels wird also das Ausgangssignal des Kreisels zugeführt. Wie bekannt, ist das Ausgangssignal eines solchen integrierenden Kreisels in Geschwindigkeitskopplung proportional der Winkelgeschwindigkeit des Kreisels um seine Eingangsachse relativ zum Trägheitsraum und im vorliegenden Falle also proportional der Winkelgeschwindigkeit -^- des Pendels 6 um seine Drehachse 6 a relativ zum Trägheitsraum. Das Ausgangssignal des Verstärkers 14 wird einer das Signal einmal differenzierenden Einrichtung 19 zugeführt, die also ein Signal abgibt, das

proportional der Winkelbeschleunigung des

Pendels 6 relativ zum Trägheitsraum ist und dem Drehmomentgeber 16 zugeführt wird.

Bei einem Massependel nach der Erfindung ist es auch möglich, einen integrierenden Kreisel in Beschleunigungskopplung zu verwenden. Ein solcher integrierender Kreisel in Beschleunigungskopplung unterscheidet sich von dem in F i g. 3 gezeigten Kreisel in Geschwindigkeitskopplung nur dadurch, daß dem um die Ausgangsachse des Kreisels wirkenden Drehmomentgeber 17 ein Signal proportional dem Zeitintegral des Ausgangssignals des Kreisels zugeführt wird. Bei einem derartigen Massependel nach der Erfindung wird also, wie F i g. 4 schematisch darstellt, das vom Schleifring 13 dem Verstärker 14 zugeführte Signal durch eine integrierende Einrichtung 20 dem Schleifring 18 und damit dem Drehmomentgeber 17 des Kreisels zugeführt. Wie bekannt, ist das Ausgangssignal eines solchen integrierenden Kreisels in Beschleunigungskopplung proportional der Winkelbeschleunigung des Kreisels um seine Eingangsachse relativ zum Trägheitsraum und im vorliegenden Falle also proportional der Winkelbeschleunigung ^jjir des Pendels 6 um seine Drehachse 6 a relativ zum Trägheitsraum. Das Ausgangssignal vom Verstärker 14 wird also in diesem Falle dem Drehmomentgeber 16 unmittelbar zugeführt.

Die Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschränkt. Zum Beispiel können natürlich auch andere Einrichtungen als integrierende Kreisel zur Gewinnung eines der Winkelbeschleunigung des Pendels um seine Drehachse relativ zum Trägheitsraum verwendet werden. Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform der

Claims (4)

1 242 OOl Erfindung kann auch z. ß. der Drehmomentgeber 17 des Kreisels durch eine Feder ersetzt werden, wobei der Signalgeber 12 des Kreisels durch einen Tachogenerator ersetzt werden kann, so daß das Ausgangssignal des Kreisels unmittelbar proportional der Winkelbeschleunigung des Pendels wird. Patentansprüche:

1. Massependel, dessen Trägheitsmoment künstlieh derart vergrößert ist, daß es unabhängig von Horizontalbeschleunigungen stets die wahre Lotrichtung anzeigt (84-Minuten-Pendel), gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung zur Gewinnung eines der Winkelbeschleunigung des Pendels um seine Drehachse (21) relativ zum Trägheitsraum proportionalen elektrischen Signals und durch einen mit diesem Signal beaufschlagten, das Pendel um seine Drehachse beeinflussenden und dem Pendelausschlag entgegenwirkenden Drehmomentgeber (30).

2. Massependel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zur Gewinnung eines der Winkelbeschleunigung propor-

tionalen Signals aus einem integrierenden Kreisel, der, mit seiner Eingangsachse mit der Pendeldrehachse zusammenfallend, mit dem Pendel verbunden ist, und einer das Ausgangssignal des Kreisels zweimal differenzierenden Einrichtung besteht.

3. Massependel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zur Gewinnung eines der Winkelbeschleunigung proportionalen Signals aus einem integrierenden Kreisel in Geschwindigkeitskopplung, der, mit seiner Eingangsachse mit der Pendeldrehachse zusammenfallend, mit dem Pendel verbunden ist, und einer das Ausgangssignal des Kreisels einmal differenzierenden Einrichtung besteht.

4. Massependel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zur Gewinnung eines der Winkelbeschleunigung proportionalen Signals aus einem integrierenden Kreisel in Beschleunigungskopplung besteht, der, mit seiner Eingangsachse mit der Pendeldrehachse zusammenfallend, mit dem Pendel verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 162 242.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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