DE1798049C3 - Meridiankreisel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meridiankreisel mit einer an einem Gestell als Torsionspendel an einem Band aufgehängten Kreiselkappe, die einen Kreisellau-

fer mit horizontaler Drehinipulsachse enthalt und an der sine Skalenscheibe mit einander diametral gegenüberliegend angeordneten Skalenmarken befestigt ist. mit zwei an dem Gestell angebrachten optischen Ablesecinrichtungen zur Bestimmung der mittleren Winkelablage

einer gestellfesten Bezugsrichtung von der geographischen Nordrichtung aus der horizontalen Schwingungsamplitude der Kreiselkappe, wobei vorher das Gestell mit seiner Bezugsrichtung und die mit dieser überein

stimmenden Torsionsnullage des Bandes bei ruhendem {5A) auf der Skalenscheibe (6) zugeordnet sind, die 30 Kreisel grob nach Norden ausgerichtet sind.

zu Beginn jedes Meßzyklus einen Torimpuls an das Tor (17) der Zählanordnung (18) und an einen Taktgeber (23) abgeben, daß ein Register (25) vorgesehen ist, in das vor dem Meßzvklus ein tabellarisch ermittelter Wert für die halbe Schwingungsdauer der Drehschwingungen der Kreiselkappe eingegeben wird, daß ein Zähler (24) für die vom Taktgeber (23) gelieferten Taktsignale vorgesehen ist, daß eine Vergleichsschaltung (27) bei Gleichheit der Inhalte des Registers (25) und des Zählers (24) ein Torsignal abgibt, das die Torschaltung (17) sperrt, und daß zwischen der Zählanordnung (18) und einer Anzeigeanordnung (21) ein Multiplikationsglied (19) geschaltet ist, das die Summe der beiden Impulsfolgen der Zählanordnung (18) mit dem Faktor

2il

multipliziert, wobei Kr das Bandrichtmoment und Kgdas Kreiselrichtmoment ist.

2. Meridiankreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Register (26) vorgesehen ist, das Impulse mit der halben Folgefrequenz der vom Taktgeber (23) gelieferten Taktsignale zählt, daß eine zweite Vorwärts-Rückwärts-Zählanordnung (30) vorgesehen ist, der die beiden Impulsfolgen über ein durch den Torinipuls gesteuertes Tor (29) zugeführt werden und die so ausgebildet ist, daß sie bei jedem zweiten Nulldurch- *ang ein Ausgangssignal liefert, das die Übertragung ]es Inhalts des zweiten Registers (26) unter -.öschung dieses Registers in das erste Register (25) luslöst, den Zähler (24) löscht und das erste Tor (17) jffnet.

3. Meridiankreisel nach den Ansprüchen 1 und 2, iadurch gekennzeichnet, daß jeder photoelcktrische

Bei einem aus der DT-PS 8 42 272 bekannten Meridiankreisel dieser Art sind als Ableseeinrichtungen zwei einander diametral gegenüberliegende Ablcseiuikroskope vorgesehen, und die Ermittlung des mittleren Winkels der horizontalen Drehschwingiingen der Kreiselkappe erfolgt durch die Beobachtung der Umkehrpunkte der Schwingungen. Durch die doppelte Ablesung werden kleine Translationsbewegungen (Schaukelbewegungen) der Kreisclkappe. die sich den Drehschwingungen überlagern, dadurch eliminiert, daß ein '. Inikehrpunkt aus der halben Summe beider Ablesewerte bestimmt wird. Aus mehreren derart gewonnenen Umkehrpunkten kann dann der Schwingungsnullpunkt der Kreiselschwingungen errechnet werden.

Dieses Meßprinzip ergibt zwar eine genaue Feststellung der Nordrichtung, erfordert jedoch ein geschultes Bedienungspersonal mit großer Erfahrung und eine sehr sorgfältige Bedienung des Geräts. Ferner ist die Meßdauer ziemlich groß.

In der DL-PS 19 349 ist andererseits eine Vorrichtung beschrieben, mit welcher die Nordrichtung während des Einschwingvorganges von Kreiselkompassen automatisch ermittelt werden kann. Diese bekannte Vorrichtung beruht darauf, daß der Drehimpulsvektor des Kreisels mit maximaler Geschwindigkeit durch die Nord-Süd-Richtung schwingt.

Die maximale Geschwindigkeit wird mittels eines Geschwindigkeitsmessers, der durch einen von den Nachsteuerimpulsen angetriebenen Motor mit Schwungmasse angetrieben wird, oder mittels eines Kontaktwerkes bestimmt. Die mechanischen Rcchcneinrichtungcti hierfür sind komplizierte Präzisionsinstrumente.

Aus der Zeitschrift »Glückauf«, 90, 1954, Heft 9/10. S. 270 bis 272, ist es schließlich bekannt, bei Meridiankreiselri Photo/.ellcn als Winkelabgriff für eine elektronische Nachdrehsteuerung der Bandaufhängung zu

verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meridiankreisel der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß die Nordrichtung mit betriebssicheren elektronischen Mitteln vollautomatisch in sehr kurzer Zeit angezeigt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgeniäßen Meridiankreisel erfolgt die Bestimmung der Nordrichlung mit rein elektronisehen und digital arbeitenden Anordnungen, die bekanntlich sehr betriebssicher sind. Dabei bleibt der Vorteil der Ablesung von diametral gegenüberliegenden Skalcnmarken, nämlich die Ausschaltung von den DrehschwingungeR überlagerten Schaukelbewegungen. in vollem Umfang erhalten. Das erste Meßergebnis wird bereits nach einer halben Drehschwingungsperiode erhalten. Die Genauigkeit der Anzeige kann durch Messungen während der folgenden Schwinguiigsperioden entsprechend der Ausgestaltung des Meridiankreisels gemäß den Unteransprüchen weiter erhöht werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. I eine schematische Ansicht eines Meridiankreisels. _2J

F i g. 2 eine Ansicht der Scheibe mit der Gradeinteilung und

Fig. 3 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Rechengerätes für den Meridiankreisel gemäß F i g. I.

Bevor das Kreiselgerät beschrieben wird, sollen die theoretischen Grundlagen der Berechnungen erörtert werden, auf denen die Bestimmung der geographischen Nordrichtung beruht.

Die Lösung der Differentialgleichung für die ungestörten Präzessionsschwingungen eines Kreiselsystems gemäß Fig.) ergibt sich zu

Punkte durch die gehäusefeste Bezugsrichtung hindurchgehen, und A ist die Bewegiingsamplitude der horizontalen Drehbewegung. Mit t = to + T/2 erhält

[B₁ + O₂]

= — 4 A ■ sin 1

Wenn der Ablesepunkt für ίο auf der Skalenscheibe genau der Richtung des Drehimpulsvektors des Kreisclrotors entspricht, so kann durch Einsetzen der Meßwerte in die Gleichung (3) die Nordrichtung bezüglich der gehäusefesten Bezugsrichtung berechnet werden.

Es wird deshalb auf der mit der pendelnd aufgehängten Kreiseikappe verbundenen .Skalenscheibe eine Marke festgelegt, deren Lage in Bezug auf die Richtung der Drehimpulsachse des Kreiselrotors bekannt ist und die die Bestimmung des Anfangszeitpunktes to der Messung beim Durchgang dieser Marke durch die gehäusefeste Bezugsrichtung ermöglicht. Zur Messung werden die Skalenmarken der Scheibe gezählt, die während einer Halbperiode von diesem Anfangszeitpunkt an einem gestelifesten Punkt vorbeigehen, um daraus unter Berücksichtigung des Faktors

(D

Darin sind

40

öu die Winkelablage einer gehäuselesten Bezugsachse bezüglich der Nordrichtung;

[ \(-ϊ]1 die Schwingungsamplitude der Kreiselkappe,

₀ die durch Zählung der auf der Scheibe

angebrachten Skalenmarken ermittelt wird; Kr das Torsionsrichtmoment des Bandes; Kg das Kreiselrichtmoment.

Den Schwingungsbewegungen der Kreiselkappe überlagern sich komplexe Störbewegun^en, die entweder die Folge von äußeren Störungen, wie z. B. Schwingungen oder Stößen, sind, die über das Aufhängeband auf den Kreisel übertragen werden, oder von der Freigabecinrichtung für den Kreisel stammen. Diese Störbewegungen äußern sich in Schaukelbewegungen, die von den Drehbewegungen unterschieden werden müssen, da sonst die Ergebnisse verfälscht werden. Wenn zur Vermeidung von Fehlern durch derartige Störungen an zwei Punkten, die in zwei einander diametral gegenüberliegenden Sektoren der Scheibe liegen, gemessen wird, so läßt sich deren Bcwegiingsgleichung in folgender Form darstellen:

W, + θ₂ = 2 A ■ (sin oit - sin o>t_Q). (2).

Hierbei ist to der Anfangszeitpunkl, für den der Augenblick gewählt wurde, in dem die betrachteten die Winkelablage zwischen der Nordrichtung und der gehäusefesten Bezugsrichtung zu bestimmen.

Die Skalenmarken auf der Scheibe werden mittels photoelektrischer Einrichtungen gezählt, die nach entsprechender Signalformung Rechtecksignale ergeben. Die Genauigkeit kann man noch dadurch verbessern, daß nicht die Rechtecksignalc selbst zählen, sondern deren Vorder- und Hinterflanken, wodurch ein Faktor 2 eingeführt wird, durch den das Zählresultat geteilt werden muß.

Gleichzeitig wird die halbe Schwingungsdauer fonlaufend gemessen, um jeweils den vorhergehenden Wert durch den zuletzt ermittelten genaueren Wert zu ersetzen. Das Rechengerät ist so programmiert, daß es das Mittel aus mehreren Ergebnissen bildet, die während mehrerer aufeinanderfolgender, beispielsweise vier Meßzyklen erhalten werden.

Es soll nun die Vorrichtung zur Durchführung des im vorstehenden beschriebenen Verfahren erläutert werden.

In Fig. 1 ist ein Mcridiankreisel dargestellt, der auf einem Sockel 9 montiert ist, der mit Rändelschrauben und mit einer Libelle ?ur Einstellung der horizontalen Lage versehen ist. Ferner ist eine Richtungsbussole für die erforderliche Richtungsvoreinstcllung vorhanden. Die zuletzt genannten Teile sind nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeil der Zeichnung nicht zu beeinträchli.'jcn. Zu der pendelnd aufgehängten Baugruppe gehört der Kreiselrotor 2 mit horizontal ausgerichteter Figurenachse. Die Baugruppe hängt an einem Band I und ist an ihrem unteren Teil mit einer Glasscheibe 6 versehen. Diese Glasscheibe 6 trägt zwei Raster von Skalenmarken 4, AA. die einander diametral gegenüber angeordnet sind, wie in F i g. 2 dargestellt ist. Die Raster werden mittels zweier photoelektriücher Einrichtungen 3 und ZA abgetastet. Die Scheibe 6 ist vorzugsweise so ausgeschnitten, daß sie auf die beiden mit den Rastern versehenen Sektoren beschränkt ist, wie in Fig. 2 dargestellt ist.

Auf der Scheibe 6 ist ein kleiner Sektor 5,?

vorgesehen, der einen Übergang von schwarz zu weiß oder von undurchsichtig zu durchsichtig aufweist und dessen Lage in Bezug auf die Drehimpulsachse des Kreisclrotors bekannt ist.

Der Sektor 5.7 ermöglicht die Bestimmung des Anfangszeitpunktes to beim Durchgang zwischen einer Lichtquelle und einer Hilfsphotozelle 56. welche die gchätisefestc Bezugsrichlung festlegen. Die photoclcktrischen Ableseeinrichtungcn 3, 3/\ weisen Photozellen 8, SA auf, die am Sockel 9 befestigt sind. Diese Pholozellcn werden jeweils von einer Lichtquelle beleuchtet, z. B. in Form von Elcktrolumincs/cnzcliodcn, die mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert werden und deren Licht durch die Skalenteilungen auf die zugeordnete Photozelle 8, SA projiziert wird. Die von den Photozellen 8 bzw. 8-4 abgegebenen Signale werden in dem Rechengerät weiter verarbeitet, dessen Schaltung im einzelnen in F i g. 3 dargestellt ist.

Während des Transportes oder des Nichtbctricbes des Kreisclgcrätes wird die pendelnd aufgehängte Kreiselkappe mechanisch arretiert, so daß das Aufhängeband 1 entlastet wird. Vor jeder Messung ermöglicht es eine Arreliervorrichtung, das Band wieder unter Spannung zu setzen und die Krcisclkappc freizugeben, wobei einerseits die Schwingungsamplituden der Drehung begrenzt werden und andererseits Störeinflüsse gedämpft werden. Diese Arretiervorrichtung weisi einen Stellknopf 7 auf, der gegebenenfalls durch einen kleinen Elektromotor ersetzt werden kann, und der über ein Getriebe mit Kegelrädern und einer Schnecke eine senkrechte Verschiebung einer beweglichen Platte 10 bewirkt. In der Arretierstellung wird die Scheibe 6 durch die Platte 10 gegen Anschläge an einer am Gestell des Gerätes befestigten Platte 11 gedrückt.

Wie Fig. 3 zeigt, ist die Photozelle 8 mil einem Vorverstärker 13 verbunden, an dessen Ausgang zwei Filter 14, 14' angeschlossen sind, die auf die Modulationsfrequenz der einen bzw. der anderen Elektrolumineszenzdiode abgestimmt sind. An diese Filter schließen sich Verstärker- und Signalformerschaltungen 15,15' an. die mit einer logischen Schaltung 16 zur Feststellung der Drehrichtungen verbunden sind, welche die Zählung der Skalenteilungen in der Vorwärts- oder in der Rückwärlsrichtung bestimmt.

Die Photozelle SA ist mit einer entsprechenden Impulsformerschaltung verbunden. An die Ausgänge dieser beiden Schaltungen sind zwei Vorwärts-Rückwärts-Zählanordnungen 18 und 30 angeschlossen, die von Torschaltungen 17 bzw. 29 gesteuert werden.

Die erste Zählanordnung 18 enthält zwei Vorwärts- Rückwärts-Zähler, die algebraisch die Ablesesignale summieren, die von den Photozellen 8. SA stammen, sowie eine Addierschaltung, welche die algebraische Summe der Vorwärts-Rückwärts-Zähler bildet. Am Ausgang der Addierschaltung ist ein Teiler 19 vorgesehen, der eine Division durch den Faktor

8 - f 1 +

Kg)

durchfuhrt. Der Faktor 8 = 2-4 berücksichtigt die Tatsache, daß jede der beiden einander diametral gegenüberliegenden Photozellen während einer Halbperiodc die doppelte Schwingungsamplitude mißt, also insgesamt die vierfache Schwingungsamplitude gemessen •wird, wie aus der Gleichung (3) hervorgeht, und daß dieses Meßergebnis durch Zählung der Vorder- und Hir.ierflünkcn der Reckteekimpulsc verdoppelt wird.

Di:v Faktor

(■♦-£)

ergibt die durch das Torsionsrichtmomcnl A.V des Bandes und das Kreisclrichtmomcnl Kg bedingte Korrektur. Das F.rgebnis wird an einer Anzeigetafel 21 als »Bezugs-Azimut« angezeigt, der in Bogengradcn,

ίο Uogenminuten und Bogensekunden ausgedrückt wird, und gegebenenfalls können die Werte durch eine Schaltung 20 hindurchgehen, die dazu bestimmt ist, das Mittel aus mehreren aufeinanderfolgend erhaltenen Resultaten zu bilden.

Die Torschaltung 17 wird durch das erste Torsignal der Hilfsphotozelle 56entsperrl. Diese Torschaltung hat die Aufgabe, die Verbindung der vier Schallungsketten, in denen die Signale verarbeitet werden, mit der Zählanordnung 18 lediglich während einer Halbperiodc herzustellen.

Die zweite Zählanordnung 30, die ähnlich wie die Zählanordnung 18 aufgebaut ist. addiert dauernd die Ablesesignale, nachdem die Torschaltung 29 von dem Tonsignal der Hilfsphotozelle 56 geöffnet wurde. Diese Zählanordnung 30 enthält eine Null-Dcteklorschaltung. die bewirkt, daß die Zählanordnung 30 bei jedem zweiten Nulldurchgang ein Ausgangssignal abgibt.

Das von der Hilfsphotozelle 56 stammende Torsignal, welches den Beginn der Zählung bestimmt, wird außerdem dazu verwendet, einen Taktgeber 23 in Beirieb zu setzen, der Impulse mit einer Frequenz F abgibt und mit einem Zähler 24 verbunden ist. An der Anzeigetafel 21 ist ein Knopf 22 vorgesehen, der es ermöglicht, einen vorbestimmten Wert 772 der Halbpcriode. der die Zähldauer des ersten Meßzyklus festlegt, einzustellen und in ein Register 25 einzugeben. Mit dem Zähler 24 und dem Register 25 sind die Eingänge einer digitalen Vergleichsschaltung 27 verbunden, deren Ausgang mit der Torschaltung 17 verbunden ist.

Ein zusätzliches Register 26, welches mit dem Register 25 und der Anzeigetafel 21 verbunden ist. empfängt über eine nicht dargestellte Torschaltung, die ebenfalls durch das von den Sektoren 5 stammende Signal geöffnet wird, Impulse mit der Folgefrequenz

F/2. d. h. der halben Folgefrequenz der Impulse, die vom Taktgeber 23 abgegeben werden. Beispielsweise kann es sich hierbei um die Impulse des Taktgebers handeln, die durch eine Frequenz-Halbierschaltung 28 hindurchgegangen sind. Diese Torschaltung wird durch die

Null-Detektorschaltung der Zählanordnung 30 beim zweiten Nulldurchgang der Addierschaltung dieser Anordnung gesperrt und dann wieder geöffnet, beispielsweise unter Zwischenschaltung einer nicht dargestellten Kippschaltung.

Diese Anordnung arbeitet in folgender Weise: Vor dem ersten Meßzyklus wird die Halbperiode T/2, die einer Funktionstafel für die geographische Breite des Meßortes entnommen wird, mit Hilfe des Knopfes 22 auf der Anzeigetafel 21 eingestellt und in das Registet 25 eingegeben. Nachdem der Kreiselkompaß grob nach Norden voreingestellt und nach der Entriegelung des Kreisels angeworfen worden ist, löst der erste Impuls, der von der Hilfsphotozelle 56erzeugt wird.den Beginn der Zählung der Skalenmarken in der Zählanordnung 18 durch Öffnen der Torschaltung 17 und in der Zählanordnung 30 durch öffnen der Torschaltung 29 aus. Gleichzeitig beginnt der Zähler 24 die Zählung der vom Taktgeber 23 mit der Frequenz F abgegebenen

Impulse.

Am Ende der Zeitdauer 772, das von der Vergleichsschaltung 27 bei Gleichheit der Inhalte des Registers 25 und des Zählers 24 festgestellt wird, sperrt das von der Vergleichsschaltung abgegebene Signal die Torschaltung 17, wodurch die Zählung der Skalenmarkcn in der Zahlanordnung unterbrochen wird. Der Inhalt der Addierschaltung der Zählanordnung 18 wird unter Löschung in die Anzeigevorrichtung der Anzeigetafel 21 übertragen, und das erste Resultat wird als »Bezugs-Azimut« auf dieser Anzeigetafel angezeigt.

Andererseits werden dem Register 26 weiterhin Taktimpulse mit der Frequenz F/2 zugeführt, bis die Addicrschaltung der Zählanordnung 30 zum zweiten Mal durch Null hindurchgeht. Bei diesem Nulldurchgang stellt der Inhalt des Registers 26 die effektiv gemessene Halbperiode dar. Das entsprechende Signal, welches von der Zählanordnung 30 abgegeben wird, verursacht die folgenden Vorgänge:

Sperrung der Torschaltung am Eingang des Registers 26, wodurch die Zuführung von Taktimpulsen der Folgel'requenz F/2 unterbrochen wird;
eine Übertragung des Inhalts des Registers 26 in das Register 25, welches vorher auf Null zurückgestellt wurde, und die Anzeige dieses Inhalts als Halbpcriodeauf der Anzeigetafel 21;
das Zurückstellen des Registers 26 und des Zählers 24 auf Null;

das Öffnen der Torschaltung, so daß wiederum Taktimpulse mit der Frequenz F/2 zur Messung der nächsten Halbperiode in das Register 26 gelangen können.

Dieses Signal ersetzt von nun an das von der Hilfsphotozelle 56 stammende Signal für das Öffnen der Torschaltungen 17 und 29 und löst auch den Beginn des zweiten Meßzyklus dadurch aus, daß die Torschaltung geöffnet wird. Dieser Zyklus wird in der gleichen Weise durchgeführt wie der erste, wobei die Anordnung diesmal den arithmetischen Mittelwert der beiden ersten Zählergebnisse bildet, die für den Bezugs-Azimut erhalten wurden; dann wird in gleicher Weise weiter verfahren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Meridiankreisel mit einer an einem Gestell als Torsionspendel an einem Band aufgehängten Kreiselkappe, die einen Kreiselläufer mit horizontaler Drehimpulsachse enthält und an der eine Skalenscheibe mit einander diametral gegenüberliegend angeordneien Skalenmarken befestigt ist, mit zwei an dem Gestell angebrachten optischen Ablesceinrichtungen zur Bestimmung der mittleren Winkelablage einer gestellfesten Bezugsrichtung von der geographischen Nordrichtung aus der horizontalen Schwingungsamplitude der Krciselkappe, wobei vorher das Gestell mit seiner Bezugsrichtung und die mit dieser übereinstimmenden Torsionsnullage des Bandes bei ruhendem Kreisel grob nach Norden ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablesceinrichtungen durch zwei photoelektrische Abgriffe (8. 84) gebildet sind, die entsprechend der Anzahl der an ihnen vorbcilaufenden Skalenmarken (4, 4A) zwei elektrische Impulsfolgen erzeugen, daß eine Vor-Rückwärts-Zählanordnung (18) vorgesehen ist, der über Impulsformerschaltungen (14. 14', 15. 15'. 16) und ein Tor (17) während der Dauer einer halben Schwingungsperiode die beiden Impulsfolgen zugeführt weiden, daß der gestellfesten Bezugsrichtung (Bandnullagc) eine Hilfspholozelle (5B) am Gestell und eine Hilfsinarke

Abgriff (8, 8-4) das Licht von zwei mit unterschiedli chen Frequenzen modulierten Lichtquellen emp fängt, daß an den Ausgang jedes photoelektrische! Abgriffs (8, 8A) zwei parallele Schaliungszweigf angeschlossen sind, die Filter (14. 14') enthalten, dit jeweils auf eine der beiden Modulationsfrequenzer abgestimmt sind, und daß an die Ausgänge dei beiden parallelen Schaltungszweige eine logische Schaltung (16) zur Feststellung der Drehrichtung det Skalenscheibc (6) und zur Bestimmung der Zählrichtung in den Vorwärts-Rückwärts-Zählanordnungcn (18,30) angeschlossen ist.