DE2008702A1 - Nordsuchendes Kreiselpendel - Google Patents

Description

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Bökenbusch 41 itUUö /Ui

Dipl.-Phys. ^Jürgen lOeisse
Patentanwälte

Patentanmeldung

Bodenseewerk Gerätetechnik GmTeEL, Überlingen/Bodensee

Nordsuchendes Kreiselpendel

Zusatz zu Patent ·..
(Patentanmeldung P 19 41 808.7)

Das Hauptpatent ... (Patentanmeldung P 19 41 808.7) betrifft ein nordauchendes Kreiselpendel mit einem an einem Band aufgehängten Kreisel. Nach dem Hauptpatent weist ein solches nordsuchendes Kreiselpendel einen Abgriff zur Erzeugung eines Signals nach Maßgabe der Azimut-Auslenkung des Kreisels aus der Bandnullage, einen dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkenden Drehmomenterzeuger, der von dem Abgriffsignal über einen Verstärker beaufschlagt ist, und eine ebenfalls von dem Abgriffssignal beaufschlagte Anzeigevorrichtung zur Anzeige der Nordrichtung auf. Nach dem Ausführungsbeispiel des Hauptpatentes erfolgt ein Nullabgleich, in dem die Bandaufhängung mittels eines Stellmotors im Azimut verdrehbar und der Stellmotor von dem Abgriffssignal gesteuert ist· Es erfolgt also eine automatische Eindrehung des Kreiselpendels in die Nordrichtung. Es ist in dem Hauptpatent auch schon der Vorschlag gemacht worden, den Winkel zwischen Band» nullage und Nordrichtung durch Messung des Stromes in dem Drehmomenterzeuger zu bestimmen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung der letztgenannten Art, die den Vorteil hat, daß eine Nachdrehung des Kreisels nicht erforderlich ist und somit die Nordrichtung schneller ermittelt werden kann, trotzdem eine direkte Anzeige der Nordrichtuhg zu erzielen·

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß durch das Abgriffsignal über einen Servoverstärker und P einen Stellmotor ein Anzeigeglied zur Anzeige der Nordrichtung verdrehbar ist und von einem mit dem Anzeigeglied verdrehbaren Stellungsmelder ein Rückführsignal auf den Eingang des Servoverstärkers geschaltet ist«

Das Anzeigeglied kann beispielsweise ein Fernrohr sein»

Bei geeigneter Bemessung kann dann erreicht werden, daß das Anzeigeglied in die Nordrichtung einläuft, und zwar ohne daß der Kreisel in die Nordrichtung einzulaufen braucht. Die Kompensation des Kreiselrichtmoments durch den Drehmomenterzeuger sorgt, wie noch gezeigt werden wird, automatisch dafc für, daß der Strom im Drehmomenterzeuger ein Maß für die Abweichung zwischen Bandnullage und Nordrichtung darstellt, während andererseits durch die Stellungsrückführung eine Verdrehung des Anzeigegliedes um einen zu dem Abgriffsignal proportionalen Winkel erfolgte

Es kann außerdem ein Anzeigeinstrument zur Anzeige des Abgriff signals vorgesehen sein. Dieses Anzeigeinstrument zeigt dann sofort zwar nicht die Nordrichtung, aber die Abweichung der Bandnullage von der Nordrichtung an·

Das Kreiselrichtmoment hängt ab von d er geographischen Breite und infolgedessen würde auch die Anzeige bzw.

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die Ausrichtung des Anzeigegliedes von der geographischen Breite abhängig sein. V/enn das Kreiselpendel unter stark unterschiedlichen geographischen Breiten verwenden werden soll, dann müssen Vorkehrungen getroffen werden, um diesen Einfluß der geographischen Breite zu berücksichtigen. Das kann auf verschiedene Weise geschehen.

Eine Möglichkeit "besteht darin, daß der Stellungsmelder ein Potentiometer ist, dessen Speisespannung prcportional zum Kehrwert des Kosinus der geographischen Breite

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einstellbar ist. Bei einer solchen Anordnung wird die geographische Breite im Rückführzweig des das Anzeigeglied in die Nordrichtung verdrehenden Servokreises vorgesehen.

Eine andere Möglichkeit "besteht darin, daß die im Drehmomenterzeuger abfallende Spannung über ein nach Maßgabe des Kosinus der geographischen Breite einstellbares Potentiometer dem Servorverstärker zugeführt wird. Über ein ähnliches Potentiometer kann auch bei Verwendung eines Anzeigeinstrumentes diese Spannung dem Anzeigeinstrument zugeführt^werden. In diesem Falle kann der Abgriff eines einzigen nach Maßgabe des Kosinus der geographischen Breite einstellbaren Potentiometers sowohl mit dem Anzeigeinstrument als auch mit dem Servoverstärker verbunden sein«,

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Pig. 1 zeigt schematisch den Aufbau und die Schaltung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die mit Gleichstrom arbeitet, und die Berücksichtigung der geographischen Breite gestattet«

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I¹Ig, 2 ist eine ähnliche Darstellung eines mit Wechselstrom arbeitenden Gerätes.

Fig, 3 zeigt in Draufsicht den Drehmomenterzeuger bei der Ausführungsform nach Fig. 2.

Fig. 4 dient der Veranschaulichung der verwendeten Winkelb e zei chnungen.

P Fig. 5 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform zur Berücksichtigung der geographischen Breite.

In das Gerät nach Fig. 1, bestehend aus einem Gehäuse A mit einem Deckel B, ragt ein Stutzen D nach unten, der als Klemmvorrichtung für ein Band F ausgebildet ist. An dem Band F hängt ein Kreisel G mit seinem Mast H, an dessen oberen Ende das Band F an einer Klemme J befestigt ist. Der Mast H trägt einen kleinen Spiegel K. Am unteren Ende des Kreisels ist ein Stutzen L angeordnet, der an seinem Ende einen Flächenanker M eines Drehmomenterzeugers trägt. Der Anker M schwebt zwischen den Polen eines Magnetsystems N. Dieses Magnetsystem N ist auf dem Boden C des Gehäuses befestigt. Zwischen Kreisel G und Drehmomenterzeuger, bestehend aus dem Flächenanker M und dem Magnetsystem N liegt eine magnetische Abschirmung 0.

Gegenüber dem Spiegel K befindet sich eine Lichtquelle P und eine Fotozelle Q, die den über den Spiegel reflektierten Lichtstrahl empfängt. Oberhalb des Deckels B ist ein Stiieen R angebracht, der seinerseits eine Hülse S

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drehbar aufnimmt. Die Hülse S trägt am oberen Ende ein Fernrohr T und am unteren Ende eine Zahnscheibe U. Ein Elektromotor V greift mit einem Ritzel in die Scheibe U ein. Die Zahnscheibe U greift außerdem über ein Ritzel ein Potentiometer ¥, welches somit nach Maßgabe der Verdrehung des Fernrohres und der Zahnscheibe U verstellt wird ο

Das Ausgangssignal der Photozelle Q wird über Vorverstärker, Vorhaltnetzwerk und Kraftverstärker über elastische Stromzuführungen dem Anker M des Momentengebers zugeführt. An einem in Reihe mit dem Momentengeber geschalteten hochgenauen Messwiderstand R kann eine Spannung ν abgegriffen werden, die ein Maß für die Ablage der Bandnullage von der Nordrichtung ist. Diese Spannung wird durch ein Potentiometer P entsprechend der geographischen Breite des Messortes korrigiert und über ein Filter 16 dem Servoverstärker 18 zum Nachstellen des Fernrohres zugeführt. Der Verstärker speist den Motor V, dessen Bewegung durch eine Spannung vom Potentiometer W rückgemeldet wird. Statt des Servoverstärkers 18 kann auch ein Voltmeter 20 zur Ablesung der Nordablage benutzt werden. In diesem Falle könnte das Potentiometer eingespart werden. Der abgelesene Wert könnte durch eine Tabelle korrigiert werden.

Mit Hilfe des Servokreises "Photoabgriff-Drehmomenterzeuger" kann die Schwingungazeit de3 Pendels um <X durch die Wahl der Kreiaverstärkung beeinflußt werden. Durch das Vorhaltnetzwerk 12 wird die Schwingung des Pendels gedämpft. Weiterhin kann zur Dämpfung eine im Magnetfeld des Momenterzeugers liegende Kupfer- oder Aluminiumscheibe verwendet werden.

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Der Filter 16 bewirkt, daß das Fernrohr unabhängig von äußeren auf den Kreisel wirkenden Störmomenten eine ruhige Einstellung beibehält. Dabei muß der Frequenzgang des Filters dem jeweiligen Störspektrum angepaßt werden.

Wie nachstehend noch gezeigt werden wird, ist die dem Servokreis zugeführte Spannung ν ein Maß für die Nordablage des Gerätes. Das P-Verhalten des Servokreises wird nach den gegebenen Bedingungen abgestimmt.

ψ Das im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Gerät benutzt einen Gleichstrom-Drehmomenterzeuger. Es läßt sich ebenso ein Gerät mit einem Wechsel-atrom-Drehmomenterzeuger aufbauen, wie Fig. 2 und 3 zeigt. In Fig. 2 sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Der Drehmomenterzeuger enthält einen Ferrarisanker 22, der an einem Ansatz des Kreisels G angebracht ist. Der Anker 22 befindet sich oberhalb von wechselstroragespeisten Startoranordnungen 26, 28 und 30, 32 mit je einer Steuerspule und einer von einer konstanten Erregung durchflossenen Feldspule. Die Ausgangssignale des fotoelektrischen Abgriffs von dem Ver-

| stärker 10 werden über Potentiometer a, b in Form von Strömen i^ und i„ auf die Steuerspulen der Systeme 26 bis 32 gegebenen und zwar in der in Fig. 3 dargestellten Weise. Der Strom i.. wird dabei auf die Steuerspulen der Systeme 26 und 28 gegeben und der Strom i~ auf die Steuerspulen der Systeme 30 und 32, während die Feldspulen in der dargestellten Weise von konstanten Wechselströmen durchflossen sind. Der Strom I₁ bewirkt auf diese Weise ein Moment um die Bandachse des Bandes F, während der Strom ip in der dargestellten Weise ein Moment um eine zur Papierebene, d.h. hier zur Ebene von Band und Kreisel·

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drallachse senkrechte Achse hervorruft. Die von dem Strom i« hervorgerufenen Felder suchen den Anker 22 nach links in Fig. 1 zu verlagern, wie durch die Pfeile dargestellt ist. Durch diese Bewegung erfolgt über die Kopplung der Kreiselachsen eine Dämpfung der Azimut-Schwingungen. Insofern ersetzen die Systeme 30, 32 das Vorhaltnetzwerk 12 bei der Ausführungsform nach Figo 1. Der Strom i,. ist dabei ein Maß für die Nordablage des Kreisels«, Er wird wie bei Fig. 1 beschrieben über einen Meßwiderstand R_n in die Spannung ν verwandelt; die dann dem Servoverstärker zugeführt wird.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 der Zeichnungen näher erläutert:

Für den stationären Zustand (nach dem Einschwingen des Gerätes) gilt

(1) IW_e cosy sin-Λ + C_x^/ +M=O

(2) M = o*·*-* = σ_Μ ν

Dabei ist negativ und es bedeuten H = Kreiseldrall
¹^e - Erddrehgeschwindigkeit V= geographische Breite

= Federkonstante des Bandes

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M s= Moment des Drehmomenterzeugers

C_M = spezifisches Moment des Drehmomenterzeugers bezogen auf die Spannung v

ν = am Drehmomenterzeuger anliegende Spannung

C_(C = spezifisches Moment des Drehmomenterzeugers bezogen auf den Winkel

Wenn man davon ausgeht, daß das Gerät zunächst einmal etwa mittels eines Marschkompasses, grob nach Nord ausgerichtet ist, dann kann man sin.> ungefähr gleich setzen. Man kann dann M und fjC eliminieren und erhält:

(4) H.4 cos^_o + HuAcoB^ +^lV+ ς*''^λ/<^β Ο

(5) jOC j = ( 1 + CjL + C ·Λ ) ^

Drückt man (^ , durch ν aus

(6) A/< = M_ ο ν

und setzt

(7) C^ = Ki₀L

dann wird

(8)/^,,/= H ^ ⁰⁰⁹^⁺ ^⁴· ¹^ °.Λ ^CM . ν

VC^ H^cos/

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Es ergibt sich somit folgendes: Λ_σ ist proportional der Abgriffspannung ν. Der Proportional!tätsfaktor hängt jedoch außerdem von der geographischen Breite / ab, und zwar in dem vorstehenden Ausdruck sowohl der erste Faktor als auch der zweite Faktor von v. Es läßt sich aber zeigen, daß die '/ -Abhängigkeit des ersten Faktors vernachlässigbar ist. Für y = 90° ist H^₁- cos¹/'= 0. Wenn man von der konstruktiv gegebenen Bedingung ausgeht, daß das Bandmoment kleiner als das Kr^iselmoment H'^ cos Y (für/= 0) sein soll, dann kann im ungünstigsten Fall

(9) c.jc = H^ cosy₀

sein» Damit wird der erste Faktor der Gleichung (8)

(10) Hl. COS .Υ + (1+xKx _ LjL + (x+1 ) CK _ .. _2_

Der Fehler, der entsteht, wenn man diesen Faktor als festen. Wert annimmt, liegt in der Größenordnung von Bruchteilen einer Bogenminute» Es bleibt somit die durch den zweiten Faktor von Gleichung (8) gegebene -Abhängigkeit

OD /^;/ = ⁰M _v

ti/ > fO^ '*&"

Der Proportionalitätsfaktor zwischen der Abgriffspannung ν und dem Winkel^ zwischen der Bandnullage und der Hordrichtung, um den das Fernrohr gegenüber der Bandnullage verdreht werden muß, ist somit umgekehrt proportional zu cos/« Diese Änderung des Proportionalitätsfaktors mit der geographischen Breite muß in geeigneter Weise berücksichtigt werden, wenn das Gerät in verschiedenen geographischen Breiten benutzt wird.

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Eine Möglichkeit ist bereits am Beispiel nach Figur 1 beschrieben worden. Weiterhin ist eine Lösung nach S¹Ig. 5 denkbar.

Der Servoverstärker 18 verstellt über den Motor V einerseits, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, das Fernrohr T und zum anderen das Potentiometer W. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 wird das Potentiometer W mit einer Spannung gespeist, die an einem Potentiometer 38

abgegriffen wird und proportional zu 1

cos /

einstellbar ist. Auf das Potentiometer 38 kann in geeigneter Weise nicht linear gewickelt sein, so daß an diesem unmittelbar der Winkel γ eingestellt werden kann.

Stattdessen kann auch der Skalenfaktor C_M des Drehmomentgebers mittels eines Kosinus-Potentiometers für die betreffende Breite eingestellt werden. Man könnte ebenfalls mit einer Änderung der Kreiselfrequenz eine Änderung der Instrumenteneichung vermeiden. Zu diesem Zweck müßte man mit abnehmendem Kosinus (höherer geographischer Breite) eine ent-P sprechende Anhebung des Kreiseldralls vornehmen, was aber technisch einen relativ großen Aufwand erfordern würde*

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Claims (6)

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   - 11 Patentansprüche

   1c) Nordsuchendes Kreiselpendel mit einem an einem Band aufgehängten Kreisel, einem Abgriff zur Erzeugung eines Signals nach Maßgabe der Azimut-Auslenkung des Kreisels aus der Bandnullage, einem dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkenden Drehmomenterzeuger, der von dem Abgriffsignal über einen Verstärker beaufschlagt ist und einer ebenfalls von dem Abgriffsignal beaufschlagten Anzeigevorrichtung zur Anzeige der ITordrichtung nach Patent ..<> (Anmeldung P 19 41 808.7), dadurch gekennzeichnet_? daß durch den Strom am Momentenerzeuger (v) über einen Servoverstärker (18) und einen Stellmotor (Y) ein Anzeigeglied (T) zur Anzeige der Nordrichtung verdrehbar ist und von einem mit dem Anzeigeglied verdrehbaren Stellungsmelder (W) ein Rückführsignal auf den Eingang des Servoverstärkers (18) geschaltet ist„
2. 2.) Nordsuchendes Kreiselpendel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeglied ein Fernrohr (T) ist.
3. 3·) Nordsuchendes Kreiselpendel nach Anspruch 1, oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein Anzeigeinstrument (20) zur Anzeige des Abgriffsignals (v) vorgesehen ist«
4. 4.) Nordsuchendes Kreiselpendel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsmelder ein Potentiometer (W) ist, dessen Speisespannung proportional zum Kehrwert des Kosinus der geographischen Breite einstellbar ist.

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   - -I₂ -
5. 5.) Nordsuchendes Kreiselpendel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom am Momentenerzeuger (v) über ein nach Maßgabe des Kosinus der geographischen Breite einstellbares Potentiometer (38) dem Servoverstärker (18) zugeführt wird.
6. 6.) Nordsuchendes Kreiselpendel nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Strom am Momentenerzeuger (v) über ein nach Maßgabe des Kosinus der geographischen Breite einstellbares Potentiometer (38) dem Anzeigeinstrument zugeführt wird.

   7·) Nordsuchendes Kreiselpendel nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff eines einzigen nach Maßgabe des Kosinus der geographischen Breite einstellbaren Potentiometers (3B), an dem der Strom am Momentenerzeuger (v) anliegt, sowohl mit dem Anzeigeinstrument (20) als auch mit dem Servoverstärker (18) verbunden ist»

   1 I) a B J Ί I Ü 7 8 ü