DE2008702C3

DE2008702C3 - Nordsuchendes Kreiselpendel

Info

Publication number: DE2008702C3
Application number: DE2008702A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. 7770 Ueberlingen Tumback
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1970-02-25
Filing date: 1970-02-25
Publication date: 1978-11-23
Also published as: FR2083146A5; DE2008702A1; US3750300A; DE2008702B2; CH516787A

Description

entspricht, wobei

«o* = Winkel zwischen Anzeigeglied und Nullage.

ν = am Drehmomenterzeuger (M, N) anliegende Spannung,

Cm = spezifisches Moment des Drehmomenterzeugers (MNJt

H = Kreiseldrall,

<u_e = Erddrehgeschwindigkeit,

φ = geographische Breite ist.

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2. Nordsuchendes Kreiselpendel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeglied (T) ein Fernrohr ist.

3. Nordsuchendes Kreiselpendel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsmelder (W) ein Potentiometer ist, dessen Speisespannung durch das Potentiometer (38) proportional zum Kosinus der geographischen Breite (φ) einstellbar ist.

4. Nordsuchendes Kreiselpendel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Meßwiderstand (R_n) abfallende Spannung über das nach Maßgabe des Kehrwertes des Kosinus der geographischen Breite einstellbare Potentiometer (pudern Servoverstärker (18) zugeführt wird.

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Die Erfindung betrifft ein Kreiselpendel mit einem um eine vertikale Achse drehbaren und mit seiner Drallachse ständig horizontal gehaltenen Kreisel, einem Abgriff zur Erzeugung eines Signals nach Maßgabe der Azimut-Auslenkung der Drallachse des Kreisels aus einer Nullage, das auf einen Verstärker geschaltet ist, einem dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkenden Drehmomenterzeuger, einem mit dem Drehmomenterzeuger in Reihe liegenden Meßwiderstand und einer Anzeigevorrichtung mit einem nach Maßgabe der Abweichung zwischen Nullage und Nord servomotorisch verstellbaren Anzeigeglied.

Auf einen Kreisel, der um eine vertikale Achse drehbar angeordnet ist und mit seiner Drallachse ständig horizontal gehalten wird, wirkt infolge der Erddrehung ein »Kreiselrichtmoment«, welches die Drallachse des Kreisels ständig nach Nord auszurichten trachtet Es ist beispielsweise bekannt zur Bestimmung der Nordrichtung ein J£xeiselgehäuse an einem Band aufzuhängen, wobei die Drallachse in dem Kreiselgehäuse horizontal angeordnet ist Die Schwingungsdauer solcher nordsuchender Kreiselpendel ist sehr lang und die Dämpfung ist üblicherweise sehr gering. Infolgedessen dauert es lange, bis sich die Drallachse des Kreisels tatsächlich nach Nord eingestellt hat Für viele Anwendungen ist eine solch lange Meßzeit nicht tragbar.

Es ist daher eine Anordnung bekannt (US-PS 32 06 864), bei welcher mit dem Kreisel ein um eine vertikale Achse wirksamer Drehmomenterzeuger verbunden ist Ein Abgriff erzeugt ein Abgriffsignal nach Maßgabe der Azimut-Auslenkung des Kreisels aus einer Nullage. Dieses Abgriffsignal wird in einem Verstärker verstärkt und liefert eine Ausgangsspannung gegen Masse, die an einer Klemme eines Anzeigeinstruments anliegt An der anderen Klemme dieses Anzeigeinstruments liegt eine Spannung gegen Masse, die an einem einstellbaren Potentiometer abgegriffen wird. Diese letztere Spannung wird von Hand so eingestellt, daß das Anzeigeinstrument Null anzeigt Sie wird gleichzeitig über einen Meßwiderstand auf den Drehmomenterzeuger gegeben.

Es wird somit das auf den Kreisel wirksame Kreiselrichtmoment durch ein Gegenmoment kompensiert. Der Strom durch den Drehmomenterzeuger und damit der Spannungsabfall an dem mit dem Drehmomenterzeuger in Reihe liegenden Meßwiderstand sind dann proportional dem Kreiselrichtmoment und liefern damit auch ein Maß für die Abweichung der Kreiseldrallachse von der Nordrichtung. Allerdings hängt das Kreiselrichtmoment außer von dieser Abweichung auch von der geographischen Breite ab.

Bei der bekannten Anordnung liegt an dem Meßwiderstand ein Voltmeter an, welches den Spannungsabfall anzeigt Zur Bestimmung der Abweichung der Kreiseldrallachse von der Nordrichtung ist ein von der Meßrichtung vollständig getrennter Rechner vorgesehen. Dieser enthält zwei an je einer Wechselspannungsquelle liegende Eingangspotentiometer, an deren einstellbaren Abgriffen Voltmeter zur Anzeige der einstellbaren Eingangsspannungen anliegen. An einer Statorwicklung eines Resolvers liegt die Differenz der eingestellten Eingangsspannungen. An der anderen Statorwicklung des Resolvers liegt über ein weiteres Potentiometer ein Bruchteil der einen Eingangsspannung. An einer Rotorwicklung des Resolvers liegt ein Anzeigeinstrument. Der Rotor des Resolvers ist mittels eines Stellknopfes zusammen mit einem über einer kompaßrosenartigen Skala beweglichen Anzeigeglied (Zeiger) verdrehbar.

Bei dieser bekannten Anordnung wird der Kreisel mit seiner Drallachse in die Ost-West-Richtung vorausgerichtet Es wird eine Messung bei zwei sich geringfügig unterscheidenden Winkeln vorgenommen wobei jedesmal die Spannung, die als Spannungsabfall an dem Meßwiderstand abgelesen wird, mittels der Voltmeter auf das eine bzw. das andere Eingaogspotentiometer übertragen wird. Es wird dann der Rotor des Resolvers von Hand zusammen mit dem Anzeigeglied so lange verdreht, bis das an der Rotorwicklung liegende Anzeigeinsmiment Null zeigt Das Anzeigeglied zeigt dann über der Skala den Winkel an, um den die Kreiseldrallachse von der Nordrichtung abweicht, wobei der Einfluß der geographischen Breite auf das Kreiselrichtmoment herausfällt, da die Abgleichstellung des Resolvers nur vom Verhältnis der an den Statorwicklungen anliegenden Spannungen abhängt

Diese bekannte Anordnung ist in vielfältiger Hinsich! nachteilig. Meßtechnische Probleme ergeben sich dadurch, daß sich die an der einen Statorwicklung anliegende Meßspannung als kleine Differenz zweier relativ dazu großer (aber fast gleicher) Signale ergibt und die an der anderen Statorwicklung anliegende Meßspannung ein kleiner Bruchteil der Eingangsspannung ist Es sind zwei Messungen erforderlich, zwischen denen die Kreiseldrallachse um einen genau definierten Winkel verdreht werden muß. Es müssen anhand der Instrumente insgesamt fünf manuelle Einstellungen vorgenommen werden. Eine Automatisierung dieser Einstellung erfordert eine entsprechende Anzahl von Servokreisen. Als Ergebnis erhalt man dann nicht gine direkte Anzeige der Nordrichtung, d. h. ein direkt nach Nord weisendes Anzeigeglied nach Art einer Kompaßnadel, sondern es wird ein Winkel angezeigt, um den eine nicht mit der Nordrichtung zusammenfallende Referenzrichtung (Nullage) von der Nordrichtung abweicht

Wenn eine solche Anordnung auch zumindest theoretisch die Bestimmung der Nordrichtung gestattet, so wird sie doch nicht den praktischen Erfordernissen gerecht In der Praxis wird nicht ein Gerät benötigt, das einen Ablagewinkel liefert, aus welchem man schließlich die Nordrichtung bestimmen kann, sundern ein Gerät das unmittelbar angibt: »Dort ist Nord«.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein nordsuchendes Kreiselpendel zu schaffen, das in kurzer Zeit automatisch eine unmittelbare Anzeige der Nordrichtung gestattet, wobei eine hohe Meßgenauigkeit gewährleistet und der Aufwand für die Automatisierung gering ist

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das mit einem Stellmotor gekuppelte Anzeigeglied am Gerätegehäuse um eine vertikale Achse verdrehbar gelagert und mit einem Stellungsmelder mechanisch gekuppelt ist, und daß an einem den Stellmotor steuernden Servoverstärker ein dem Spannungsabfall an dem Meßwiderstand und damit der Spannung an dem Drehmomenterzeuger proportionales Signal und ein von dem Stellungsmelder geliefertes, dem Winkel zwischen Anzeigeglied und Nullstellung proportionales Rückführsignal in einem nach Maßgabe der geographischen Breite mittels eines Potentiometers einstellbaren Verhältnis gegeneinandergeschaltet sind, welches

H <i>_e cos

entsDricht. wobei

OC₀* = Winkel zwischen Anzeigeglied und Nullage,

ν = am Drehmomenterzeuger anliegende Spannung,

Cm = spezifisches Moment des Drehmomenterzeu-

gers,

H = Kreiseldrall,

We = Erddrehgeschwindigkeit

φ — geographische Breite ist

Das Kreiselpendel nach der Erfindung wird mit seiner Drallachse nach Nord vorausgerichtet statt in Ost-West-Richtung. Auch bei dem Kreiselpendel nach der Erfindung schwingt der Kreisel nicht mit seiner Drallachse in die Nordrichtung ein sondern wird das Kreiselrichtmoment durch ein von einem Drehmomenterzeuger ausgeübtes Gegenmoment kompensiert Das geschieht aber nicht durch einen manuellen oder automatisierten Abgleich sondern in einfacher Weise dadurch, daß der Drehmomenterzeuger samt Meßwiderstand im Ausgangskreis eines entsprechend hochverstärkenden Leistungsverstärkers liegt Der Spannungsabfall am Meßwiderstand steuert einen Servokreis mit Stellungsrückführung. Durch diesen Servokreis wird ein Anzeigeglied um eine vertikale Achse verdreht Der Servokreis ist dabei unter Berücksichtigung der geographischen Breite so bemessen, daß das Anzeigeglied — wie eine Kompaßnadel — unmittelbar nach Nord weist

Durch die Erfindung wird somit ein nordsuchendes Kreiselpendel geschaffen, das sehr schnell eine direkte Anzeige der Nordrichtung liefert

Es ist durch die CH-PS 4 55 305 bekannt, durch einen Abgriff die Lage eines bandaufgehängten, den Kreisel aufnehmenden Innenrahmens gegenüber einem um eine vertikale Achse verdrehbaren Außenrahmen abzugreifen. Dabei wird von dem Abgriffsignal über einen Verstärker und einen Stellmotor der Außenrahmen dem unter dem Einfluß des Kreiselrichtmoments sich in die Nordrichtung eindrehenden Innenrahmen nachgeführt. Durch die DE-AS 12 42 887 ist ein ortsfest aufgestellter Kreiselkompaß bekannt bei dem der Kreisel sich ebenfalls mit seiner Drallachse selbst in die Nordrichtung einstellt und eine Tragplatte mit der Bandaufhän- gung des Kreisels sowie einem auf der Tragplatte sitzenden Theodoliten dem Kreisel nachgeführt wird. Das geschieht mittels eines Nachlaufmotors, der von einem auf die Verdrehung des Kreisels gegenüber der Trägplatte ansprechenden Abgriff gesteuert ist.

In beiden Fällen erfolgt die Nachdrehung von Innengehäuse bzw. Tragplatte nach Maßgabe der Eindrehung der Drallachse des Kreisels in die Nordrichtung. Die Einstellung dauert entsprechend lange.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend

unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch den Aufbau und die

Schaltung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die mit Gleichstrom arbeitet, und die Berücksichtigung der geographischen Breite gestattet;

F i g. 2 ist eine ähnliche Darstellung eines mit Wechselstrom arbeitenden Gerätes;

b5 F i g. 3 zeigt in Draufsicht den Drehmomenterzeuger bei der Ausführungsform nach F i g. 2;

F i g. 4 dient der Veranschaulichung der verwendeten Winkelbezeichnungen;

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Berücksichtigung der geographischen Breite.

In das Gerät nach Fig.], bestehend aus einem (jelia'use A mit einem Deckel B, ragt ein Stutzen D nach unten, der als Klemmvorrichtung für ein Band F ausgebildet ist. An dem Band Fhängt ein Kreisel G mit seinem Mast H. an dessen oberen Ende das Band Fan einer Klemme / 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 O.

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 Stutzen R angebracht, der seinerseits eine Hülse 5drehbar aufnimmt. Die Hülse S trägt am oberen Ende ein Fernrohr Fund am unteren Ende eine Zahnscheibe U. Ein Elektromotor Vgreift mit einem Ritzel in die Scheibe U ein. Die Zahnscheibe U treibt außerdem über ein Ritzel ein Potentiometer VK welches somit nach Maßgabe der Verdrehung des Fernrohres und der Zahnscheibe U verstellt wird.

Das Ausgangssignal der Photozelle Q wird über Vorverstärker, Vorhaltnetzwerk und Kraftverstärker über elastische Stromzuführungen dem Anker M des Momentgebers zugeführt. An einem in Reihe mit dem Momentgeber geschalteten hochgenauen Meßwiderstand R_m 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 IVrückgemeldet wird.

Mit Hilfe des Servokreises »Photoabgriff-Drehmomenterzeuger« kann die Schwingungszeit des Pendels um ix durch die Wahl der Kreisverstärkung 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.

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 vein Maß für die Nordablage des Gerätes. Das P-Verhalten des Servokreises wird nach den gegebenen Bedingungen abgestimmt.

Das im Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebene Gerät benutzt einen Gleichstrom-Drehmomenterzeuger. Es läßt sich ebenso ein Gerät mit einem Wechselstrom-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 wechselstromgcspeisten Statoranordnungen 26, 28 und 30, 32 mit je einer Steuerspule und einer von einer konstanten Erregung duichflossencn Feldspule. Die Ausgangssignalc des fotoelektrischcn Abgriffs von dem Verstärker 10 werden über Potentiometer a. b in Form von Strömen /Ί und h auf die Steuerspulen der Systeme 26 bis 32 gegebenen, und zwar in der in Fig.3 dargestellten Weise. Der Strom Z₁ wird dabei auf die Steuerspulen der

ίο Systeme 26 und 28 gegeben und der Strom /₂ auf die Steuerspulen der Systeme 30 und 32, während die Feldspulen in der dargestellten Weise von konstanten Wechselströmen durchflossen sind. Der Strom /Ί bewirkt auf diese Weise ein Moment um die Bandachse des Bandes F, während der Strom /·? in der dargestellten Weise ein Moment um eine zur Papierebene, d. h. hier zur Ebene von Band und Kreiseldrallachse senkrechte Achse hervorruft. Die von dem Strom h hervorgerufenen Felder suchen den Anker 22 nach links in F i g. 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 F i g. 1. Der Strom i\ ist dabei ein Maß für die Nordablage des Kreisels. Es wird wie bei Fig. 1 beschrieben über einen Meßwiderstand R_n, in die Spannung ν verwandelt; die dann dem Servoverstärker zugeführt wird.

jo 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

Ho₆COSy sin a + c_a «_K + Af = 0, (1)

M = C_a<x_K = C„v, (2)

a = O₀ + a_K. (3)

Dabei ist »κ negativ, und es bedeutet

H = Kreiseldrall,

ω? = Erddrehgeschwindigkeit

φ = geographische Breite,
C_1x = Federkonstante des Bandes,

M = Moment des Drehmomenterzeugers,

Cm — spezifisches Moment des Drehmomenterzeugers, bezogen auf die Spannung v,

ν = am Drehmomenterzeuger anliegende Spannung,

C_n = 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 α setzen. Man kann dann M und « eliminieren und erhält

H w_e COS <f Λ₀ + H ω, COS ψ a._K + C₁ a_K + C_a a_x = 0,

Drückt man «_K durch ν aus:

und setzt

(7)

dann wird

H (.I₁. cos ν + (x + 1) C₇

H (u„ COS Ii

(8)

Es ergibt sich somit folgendes: Xq ist proportional der Abgriffspannung v. Der Proportionalitätsfaktor hängt jedoch außerdem von der geographischen Breite φ 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 φ-Abhängigkeit des ersten Faktors vernachlässigbar ist. Für qp = 90° ist HoJ₁. cosf/j = 0. Wenn man von der konstruktiv gegebenen Bedingung ausgeht, daß das Bandmoment kleiner als das Kreiselmoment /Ai)₁. cos φ (für φ = 0) sein soll, dann kann im ungünstigsten Fall

c-, = H ι»,, cos 7 . (9)

sein. Damit wird der erste Faktor der Gleichung (8)
// α_e cos ι/ + (1 + x)c\

XC₁

c, + (x+

XC¹,

= 1 + — . χ

(10)

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

H <K_e COS 7

V .

(H)

Der Proportionalitätsfaktor zwischen der Abgriffspannung ν und dem Winkel <%o zwischen der Bandnullage und der Nordrichtung, um den das Fernrohr gegenüber der Bandnullage verdreht werden muß, ist somit umgekehrt p-oportional zu cos φ. Diese Änderung des Proportionalitätsfaktors mit der geographischen Breite muß in geeigneter Weise berücksichtigt werden, wenn das Gerät in verschiedenen geographischen Breiten benutzt wird.

Eine Möglichkeit ist bereits am Beispiel nach Fig. 1 beschrieben worden. Weiterhin ist eine Lösung nach F i g. 5 denkbar.

Der Servoverstärker 18 verstellt über den Motor V einerseits, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, das Fernrohr Fund zum anderen das Potentiometer W. Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 wird das Potentiometer W mit einer Spannung gespeist, die an einem Potentiometer 38 abgegriffen wird und proportional zu cos φ einstellbar ist. Auch das Potentiometer 38 kann in geeigneter Weise nicht linear gewickelt sein, so daß an diesem unmittelbar der Winkel φ eingestellt werden kann.

Statt dessen kann auch der Skalenfaktor Cm des Drehmomentgeber 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 (höhere geographischer Breite) eine entsprechende Anhebung des Kreiseldralls vornehmen, was aber technisch einen relativ großen Aufwand erfordern würde.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nordsuchendes Kreiselpendel mit einem um eine vertikale Achse drehbaren und mit seiner Drallachse ständig horizontal gehaltenen Kreisel, einem Abgriff zur Erzeugung eines Signals nach Maßgabe der Azimut-Auslenkung der Drallachse des Kreisels aus einer Nullage, das auf einen Verstärker geschaltet ist, einem dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkenden Drehmomenterzeuger, einem mit dem Drehmomenterzeuger in Reihe liegenden Meßwiderstand und einer Anzeigevorrichtung mit einem nach Maßgabe der Abweichung zwischen Nullage und Nord servomotorisch verstellbaren Anzeigeglied, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einem Stellmotor (V) gekuppelte Anzeigeglied (T) am Gerätegehäuse (A) um eine vertikale Achse verdrehbar gelagert und mit einem Stellungsmelder (W) mechanisch gekuppelt ist, und daß an einem den Stellmotor (V) steuernden Servoverstärker (18), ein dem Spannungsabfall an dem Meßwiderstand (R_m) und damit der Spannung an dem Drehmomenterzeuger (MN; proportionales Signal (v) und ein von dem Stellungsmelder (W) geliefertes, dem Winkel (<xo*) zwischen Anzeigeglied (T) und Nullstellung proportionales Rückführsignal in einem nach Maßgabe der geographischen Breite (φ) mittels eines Potentiometers (p;3S) einstellbaren Verhältnis gegeneinandergeschaltet sind, welches

«0* C_M

Ho>_e COS φ