DE1954790C - Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit eines nordsuchenden Kreisels - Google Patents

Description

Nachfühimotors Tür das Gehäuse oder eine davon abhängige Umdrehungszahl bestimmt wird und daß danach der Motor um eine dem Winkel

'^l'-^r~^l entsprechende Drehzahl weitergedreht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenni.-lehnet, daß eine der Zahl der Umdrehungen des Motors nach der Drehzahlerhöhung proportionale elektrische Größe gebildet wird, daß während der weiteren gesteuerten Verdrehung des Kreisels eine /weite der Umdrehungszahl proportionale elektrische Große gebildet wird, die jedoch mit der Umdrehungszahl über einen (n 1) mal so großen Propen tionalitalsfaklor zusammenhängt und daß bei Anwachsen der zweiten elektrischen Größe auf den Wer· der ersten elektrischen Größe die Nachsteuerung des Kreisels unterbrochen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß den Umdrehungszahlen proportionale Impulsgruppen gebildet und die Impulse der Gruppen gezählt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendungeines Vorwärts-Rückwärts-Zählers. dem die Impulsgruppen zugeführt werden, und der bei Erreichen der Nullstellung den Motor stillsetzt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit der angezeigten Nordrichtung eines nordsuchenden Kreisels, der aus einem in einem Rahmen gelagerten, sich drehenden Kreisclrotor, aus einem um eine möglichst genau vertikale Drehachse drehbaren Gehäuse, in dem dieser Rahmen mit zur Rotorachse senkrechter, wenigstens naherungswcise vertikaler Drehachse gelagert ist, und aus einer Servoschleife, die über ein Stellglied eine Nachführung des Gehäuses im Sinne einer Verringerung der Auslenkung des Rahmens gegenüber dem Gehäuse bewirkt, besteht, durch Konektur der bei'einei jrsten Rotordrehzahl eingenommenen Endstellung des Kreisels entsprechend einem bei einer anderen Rotordrehzahl gleicher Drehrichtung ermittelten Korrekturwert als Funktion der auf den Kreisel wirkenden Störmomente.

Ein nordsuchender Kreide! der verwendeten Art ist aus der französischen Patentschrift 1 532 013 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Kreisel ist zur Erhöhung der Genauigkeit der angezeigten Nordrichtung des Kreisels die Drehachse des Rahmens und die Drehachse des Gehäuses um einen kleinen Achsenfluchtwinkel Λ derart bleibend gegeneinander geneigt, daß die zwischen diesen Achsen aufgespannte Ebene bei Nullstellung des Rahmens möglichst zur Gehäuseachse definierten Winkelsinn des Achsenfluchtwinkels mit dem Drehsinn des Rotors übereinstimmt.

Ferner ist aus der USA.-Patentschrift 2 972 195 «in Verfahren fur einen Kreiselkompaß mit einem Wendekreisel zur Verbesserung der I- instellgenauigkeil bekannt, bei dem hierfür die Drehzahl des Rotors geändert wird. Der den Rotor tragende Rahmen ist in einem Gehäuse um eine vertikale Achse drehbar gelagert und mittels eines Drehmomentengebers an das Gehäuse elektrisch gefesselt. Das Gehäuse wird in mehreren Schritten derart eingestellt, daß das Signal eines Stellungsgebers, welcher die Lage des Rahmens bezüglch des Gehäuses angibt und den Drehmomentengeber steuert, zu Null wird. Zu Beginn der Messung wird zunächst eine Grobeinstellung des Kreisels bei stillstehendem Rotor durchgeführt. Anschließend wird der Rotor in Gang gesetzt und die neue Einstellung des Gehäuses gemessen. Zur Kompensation der dynamischen Störmomente wird dann die D'-chnchtung des Rotors umgedreht. Aus den gemessenen Einstellungen des Gehäuses für beide Drehrichtungen wird anschließend der Mittelwert gebildet und'das Gehäuse auf diesen eingestellt. Bei diesem Kreisel ist. vor allem die Anzahl der erforderlichen Verfahrensschritte von großem Nachteil.

In einer älteren Patentanmeldung, Offenlcgungsschrift 1 950 505, ist auch bereits vorgeschlagen worden, die Genauigkeit eines nordsuchenden Kreisels dadurch zu erhöhen, daß nach Einlauf des Kreisels in eine erste Endstellung, die der Nordrichtung in etwa entspricht, die Drehzahl des Kreiselrotors stark abgesenkt und die Servoschleife aufgetrennt wird; die hierdurch zustande kommende, durch Störmomentc hervorgerufene Auslenkung des Rahmens wird dort

dazu benutzt, einen Strom derartiger Große einzustellen, daß ein auf die Drehachse des Rahmens wirkender Momenlcnerzeuger, dem dieser Strom zugeführt wird, die Auslenkung kompensiert. Nach Hinstellung des Stromes wird die Servoschleifc wieder geschlossen und die Rotordrelr/.ahl wieder erhöht. Zu diesem Vorschlag führen folgende Überlegungen:

Der Kreisel wird deshalb nicht in die exakte Nordrichiung geführt, weil dem nordtreibenden Moment des Kreisels Stürmomenle überlagert sind, die bei einer bestimmten Größe des nordtreibenden Momentes mit diesem zusammen die Momentensumme Null ergeben und hierdurch ein weiteres Nachführen des Kreisels in die exakte Nordrichtung verhindert. Man macht nun, gemäß dem älteren Vorschlag, nach Einlauf des Kreisels in seine erste Endstcliung, die der Nordrichtung in etwa entspricht, das iiordireibende Moment durch starke Drehzahl absenkung praktisch zu Null. Das dann noch verbleibende Moment, das im wesentlichen gleich der Summe der Störmomente ist, wird dann kompensiert, indem man mittels eines Momentenerzeugers, der auf die Drehachse des Rahmens wirkt, ein entsprechendes Gegenmoment erzeugt. Am Ende des Kompensationsvorgangcs ist die Summe der auf die Drehachse des Rahmens wirkende Momente Null. Nach Wiedererhöhung der Drehzahl des Kreiselrotors wirkt dann auf die Drehachse des Rahmens nur noch das nordireibende Moment, das ein Nachführen des Kreiselgehiiuses auf eine verbesserte Nordrichiung bewirbt. Gegebenenfalls kann dieses Verfahren mehrfach nacheinander angewandt werden. Es sei noch erwähnt, daß dieses Verfahren unabhängig davon ist. ob zwischen der Drehachse des Gehäuses und hs Rahmens ein kleiner Achscnfiuchtwinkel eingeführt wurde. Der Vorschlag gemäß de·, älteren Anmeldung kann also als zusätzliche Maßnahme angewandt werden, jedoch auch als alleinige Maßnahme zur Genauigkeitserhöhung.

Die der Erfindung zugrundeliegend*. Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit der angezeigten Nordrichtung eines nordsuchenden Kreisels zu schaffen, das ähnlich dem bereits vorgeschlagenen Verfahren keine Änderungen am Kre'sel selbst benötigt, trotzdem aber eine wesentliche Verbesserung der Genauigkeit mit sich bringt. Das erfindungsgemäße Verfahren soll also bei vorhandenen Kreiseln eines bestimmten Genauigkeitsgrades zur Anwendung gebracht werden können, um diese vorhandenen Kreisel für weitere Einsatzzwecke mit höheren Anforderungen brauchbar zu machen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser A"fgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß nach Einlaufen des Kreisels in seine erste Endstellung, in der er mit seiner Rotorachse in eine von der tatsächlichen Nordrichtung um den Winkel/rest verschiedene Richtung zeigt, die Rotordrehzahl um den Faktor n(n > 1) erhöht wird, daß der Differenzwinkel, welist, zwischen der ersten und deshalb nicht in die exakte Nordrichtung, weil dem nordtreibenden Moment Störmomente überlagert sind, die bei bestimmter Größe des nordtreibenden Momentes mit diesem zusammen die Momentsumme Null ergeben. Da von diesen Momenten nur das nordtreibende Moment von dei Drehzahl des Rotors abhängig ist, vergrößert sich bei der Erhöhung der Drehzahl um den Faktor η lediglich das nordtreibende Moment, und es kommt zu einer weiteren Annäherung an die

ίο exakte Nordrichtung. Da man annehmen kann, daß das nordtreibende Moment der Drehzahl streng proportional ist, kommt eine Annäherung um den

ί/i -- 11 *' rest

Winkel -—■'- zustande. Wenn man die Dreh-

zahl des Rotors beliebig hoch setzen könnte, wäre eine sehr gute Annäherung an die exakte Ausrichtung möglich. Da diese Möglichkeit jedoch in der Praxis nie!' iicgehen ist, wird die weitere Verbesserung der Noidausnchtung gemäß dem /weiten Merkmal ('.er Erfindung dadurch erzielt, d«w> die wegen der I rhöliung des nordtreibenden Momentes zustandekommende Wiiikelerhöhunggemessen v, ird. Der gemessene Winkel ist etwa '" ''^ies! ,under ist proportional

denn Winke!, um den sich nach der Drehzahlerhöhung die Ausrichtung des Kreisels noch von der exakten

cher etwa i-—-i- η

zweiten Endstellung des Kreisels gemessen und daraus

der Korrekturwinkel '1^i ermittelt wird, um welchen η

der Kreisel über die zweite Endstellung hinaus in der gleichen Drehrichtung wenigstens näherungsweise weitergedreht wird.

Der Erfindung liegt folgende Überlegung zugrunde: Wie bereits oben ausgeführt, gelangt der Kreisel Nordrichtung unterscheidet '

real

Man kann also

nach der Messung der Winkeländerung nadi der Erhöhung des nordtreibenden Momentes eine Nach

steuerung des Kreisels um den Winkel ' einleiten.

Zur Bestimmung der Winkeländcrung kann man die Verdrehung des Nachstcllglieds. z. B. des Nachführmotors, für das Gehäuse nach Erhöhung der Drehzahl bestimmen. Vorzugsweise wird eine dieser Verdrehung proportionale elektrische Größe gebildet, und auch während der weiteren gesteuerten Verdrehung des Kreisels wird eine zweite der Verdrehung

*o proportionale Größe gewonnen. Lediglich im Falle einer Drehzahlvcrdopplung sind jedoch die beiden Größen in gleicher Weise von der Vei drehung abhängig. Ist dagegen /ι φ 2, so ist der Proportionalitäufaktor für die zweite elektrische Größe (n - l)mal so groß wie der Proportionalitälsfaktor. über den die zuerst gebildete elektrische Grüße mit der Verdrehung zusammenhängt. Das Kreiselgehäuse wird dann so lange nachgedreht, bis die zweite elektrische Größe den gleichen Wert wie die zuerst erzeugte elektrische Größe hat. Beispielsweise können diese elektrischen Größen Gleichspannungen sein, deren Größe jeweils von der Verdrehung abhängt. In diesem Falle kann man die Differenz der beiden nacheinander erzeugten Gleichspannungen zur Nachsteuerung des Kreisels ausnutzen. Günstiger ist es jedoch Impulsgruppen zu bilden, dere·. Impulszahlen der jeweiligen Verdrehung propcrtional sind. In diesem Falle wird die Zahl der Impulse nach der Drehzahlerhöhung bestimmt, z. B. in einem Zähler. Danach wird an den Nachführmotor eine Spannung gelegt, die so lange auf den Kreiselmotor einwirkt, bis die gleiche Impulszahl auf Grund der gesteuerten Verdrehung des Kreisels erreicht ist. Danach wird der Motor wieder zum Stillstand gebracht. Als Zähler kann man z. B. einen Vorwärts-Rückwärts-Zähler verwenden, der bei der ersten auf Grund der Drehzahlerhöhung zustande kommenden Impulsgruppe in die eine Richtung und bei der gesteuerten Verdrehung des Kreisels in die andere

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Richtung zählt. Hei Erreichen der Nullstellung wird dann der Motor stillgesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Genauigkeitserhöhung kann ebenfalls zusammen mit anderen Maßnahmen zur Genauigkeitserhöhung eines Kreisels eingesetzt werden, also z. B. auch bei Kreiseln, bei denen zwischen der Drehachse des Gehäuses und der Drehachse des Rahmens einen Achsenfluchtwinkel eingeführt ist.

An Hand des Ausführungsbeispiels der Zeichnung soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Bei dem hier dargestellten Kreisel ist die Drehachse des Rahmens gegenüber der Drehachse des Gehäuses um den Achsenfluchtwinkel Λ geneigt. Mit 1 ist in der Zeichnung ein mit dem Kreiselträger verbundenes Gestell bezeichnet, mit 2 das vorgenannte Gehäuse des Kreisels. Der Kreiselrahmen trägt das Bezugszeichen 3, und mit 4 ist der Rotor des Kreisels bezeichnet. Das Gehäuse 2 ist um die vertikale Drehachse 5 gegenüber dem Gestell 1 verdrehbar. Andererseits läßt sich der Rahmen 3 um die nahezu vertikale Achse 6 verdrehen. Die Achsen 5 und 6 sind um einen kleinen Achsenfluchtwinkel gegeneinander geneigt. Dieser Winkel ist in der Zeichnung vergrößert eingezeichnet. Im Rahmen 3 dreht sich der Kreiselrotor um eine zur Achse 6 senkrechte D:ehachse7.

Nach Ausrichtung des Kreisels nach Nord, wenn aUo der Zeiger 8 und die Achse des Kreiselrotors 4 nach Norden zeigen, steht die Rotorachse 7 senkrecht auf der durch die beiden Achsen 5 und 6 aufgespannte Ebene. In dieser Stellung sind die beiden Federn 9 gleichstark gespannt. Der mit dem Rahmen 3 verbundene Finger des Abgriffs 10 ist dann in einer solchen Stellung, daß die dem Verstarker 11 zugeführte Spannung Null ist. Damit ist der Motor 12, der über das Getriebe 13 eine Verdrehung des Gehäuses 2 um die Achse 5 bewirken kann, in Ruhe.

Weicht dagegen der Zeiger 8 von der Nordrichtung ab, so entsteht wegen des nordtreibenden Moments eine Auslenkung des Rahmens 3 um die Achse 6 aus der beschriebenen Stellung, wobei sich eine der Federn 9 entspannt, während die andere gespannt wird. Mit dieser Auslenkung tritt am Abgriff 10 eine Spannung auf, die nach Verstärkung den Motor 12 antreibt, bis die Ausgangsspannung des Abgriffs 10 wieder NuI¹ ist. Das Gehäuse 2 wird somit durch den Nachführkreis in eine Stellung gebracht, in der der Zeiger 8 in die Nordrichtung zeigt

Treten bei einem derartigen Kreisel Störmomente um die Achse6 (z.B. durch die Lager, Federn) auf, so werden diese Störmomente das iiordtreibende Moment, wenn es im Verlauf des Einlaufs auf Nord eine bestimmte Größe erreicht, gerade kompensieren. Obwohl also noch ein nordtreibendes Moment vorhanden ist, kommt nunmehr keine Auslenkung des Rahmens 3 und damit keine weitere Nachführung des Gehäuses 2 mehr zustande. Der Zeiger 8 gibt demzufolge nicht die exakte Nordrichtung an, sondern eine Richtung, die von der Nordrichlung um einer kleinen Winkelbetrag abweicht. Zur Verbesserung' der Genauigkeit des Kreisels wird nun das criindungsgcmäße Verfahren zum Einsatz gebracht. Hierzu wird zuerst die Drehzahl des Rotors 4 um den Faktor η erhöht. Dies kann z. B. dadurch realisiert werden, daß man Oei einem entsprechenden Antriebsmotor für den Rotor die Frequenz der Antriebsspannung erhöht. Auf Grund dieser Drehzahlerhöhung kommt eine

to weitere Verdrehung des Kreiselgehäuses 2 zustande. Am Meßglied 14, das mit der Achse des Kreiselmotors 12 verbunden ist, wird diese Winkeländerung gemessen. Das Glied 14 soll hier so aufgebaut sein, daß es eine der Verdrehung des Motors 12 proportionale Impulszahl abgibt. Diese Impulszahl wird im Vorwärts-Rückwärts-Zähler 15 bestimmt. Sie ist proportional dem Verdrehungswinkel ^(Mr-':'^res_ des

Gehäuses 2. Nachdem der Kreisel wieder zur Ruhe gekommen ist, wird der Nachführkreis durch Betätigung des Schalters 16 aufgetrennt. Über den Schalter 16 wird gleichzeitig die Antriebsspannung des Generators 17 an den Motor 12 gelegt. Mit der Betätigung des Schalters 16 wird auch der Schalter 20 betätigt, durch dessen Utrlegen in die gestrichelt eingezeichnete Stellung bewirkt wird, daß nunmehr die im Glied 14 erzeugten Impulse über den Vervielfacher 18 geführt werden, in dem eine Vervielfachung der Impulszahl mit dem Faktor (n - 1) bewirkt wird. Die über den Vervielfacher 18 laufenden impulse gelungen dünn zum Zähler und bewirken dort eine Rückwärtszählung. Wird die Nullstellung des Zählers erreicht, so gibt dieser einen Impuls auf das Tor 19, wodurch dieses den dem Motor 12 zugeführten Strom unterbricht.

Wurde beispielsweise die Drehzahl des Kreiselrotors um den Faktor η = 3 erhöht, so kommt nach Erhöhung der Drehzahl eine Nachführung des Kreiselgehäuses 2 um den Winkel2/3 ·/ rest zustande. Es ist somit noch notwendig, das Kreiselgchäuse um den Winkel ^γΤ~* , also um die Hälfte der aufgelaufenen

Verdrehung, nachzusteuern. In diesem Falle ist der Faktor des Vervielfachers 18 π - I = 2. Im Laufe der Verdrehung des Gehäuses 2 um den Winkel —γ- laufen deshalb so viele Impulse in den Zähler 15 daß dessen Nullstellung erreicht wird. Somit ku in die am Motor 12 liegende Spannung abgeschaltet werden Der Vervielfacher 18 kann dann entfallen, wenr lediglich eine Verdopplang der Rotordrehzahl vor

genommen wird, weil dann um den gleichen Winke nachgesteuert werden muß, um den das Gehäuse vo der Drehzahlverdopplung nachgeführt wurde.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vor allen dort zum Einsatz kommen, wo man zur Auffinduni der exakten Nordrichtung etwas mehr Zeit zu Verfugung hat, dafür jedoch eine genauere Nordaiis richtung des Kreisels verlangt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung der Gen?uigkeil der angezeigten Nordrichtung eines nordsuchenden Kreisels, der aus einem in einem Rahmen gelagerten, sich drehenden Kreiselrotor, aus einem um eine möglichst genau vertikale Drehachse drehbaren Gehäuse, in dem dieser Rahmen mit zur Rotorachse senkrechter, wenigstens näherungsweise ver- ₎₀ tikaler Drehachse gelagert ist. und aus einer Servoschleife, die über ein Stellglied eine Nachführung des Gehäuses im Sinne einer Verringerung der Auslenkung des Rahmens gegenüber dem Gehäuse bewirkt, besaht, durch Korrektur der bei einer ersten Rotordrehzahl eingenommenen Endstellung des Kreisels entsprechend einem bei einer ;inderen Rotordn-h/.ahl gleicher Drehrichtung ermu'.Jten Korreki^iwert als Funktion der auf den Kreisel wirkenden Suirmomente. dadurch gekennzeichnet, daß nach Einlaufen des Kreisels in seine erste l.ndstellunn, in der er mit seiner Rotorachse in eine von der t;¹ sächlichen Nordrichtung um den Winkel -· rest \crschiedene Richtung zeigt, die Rotordrehzahl um den Faktor /i(/i ,· 1) erhöht wird, daß der Differenzwinkel.

, , in - 1) γ rest . -Ij

welcher etwa ist. zwischen der ersten

und zweiten End-'tilling des Kreisels gemessen und daraus der Korreklut winke'' ^/>re!l ermittelt

wird, um welchen der Kreisel ür-^r die zweite Endstellung hinaus in der gleichen Drehrichtung wenigstens näherungsweise weitergedreht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Winkels (»-I) rest _{dle Zahl dcr} Umdrehungen des