DE2306838A1 - Kreiselkompass - Google Patents

Description

It 2395 P/b

KABUSHIKIKAISHA TOKYO KEIKI, Tokyo, Japan

Kreiselkompaß

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreiselkompaß und insbesondere auf einen solchen, der Mittel zur Dämpfung der Nordsuchbewegung _ der Kreiseldrehachse aufweist.

Zur Dämpfung der Nordsuchbewegung der Kreiseldrehachse werden bekannte ÄTisnuetz- tind Plat-i-Ereiselkcropaesa mit einer Dämpfungsvorrichtung, die gerneIr. als Där'pf-ingsflasche bezeichnet wird, in einem Abschlußkesse.l xr.-t einem Kreisel darin verwendet. Das bekannte Prinzip der herkömmlichen Dämpfungsvorrichtung wird hier nicht: beschrieben, denn es ist seit 1910 bekannt, und ein ähnliches Verfahren vcrä-?. in den bekannten Br own -Kreiselkompassen verwendet, Das Wessn dieses Verfahrens ist, daß die durch die Dämpfuncfsflasche arzeugte Drehkrafc zum Dämpfen der Nordsuchbawegung >er Kreissldrehachse auf eine Horisontalachse des Kreisels angewendet >-irä Cdaher wird dieses System im weiteren als Horizontal ichsendärapfimgssystem bezeichnet), und daß die Drehkraft bezug lieh der Phase vorverlegt ist im Vergleich zur Neigung der Kreiseidrehachse relativ zu einer horizontalen Ebene. Der die Dämpfungsflasche verwendende Kompaß besitzt den Vorteil, daß kein geographischer Breitenfehler hervorgerufen wird bei Einstellung relativ zur Erde nach Norden zeigend, hat aber den Nachteil, daß die Neigung der Kreiseldrehachse gegen · die horizontale Ebene groß ist, und das Fließen der in der Dämpfungsflasche enthaltenen Flüssigkeit erfordert eine lange Zeit, und daher ist die Einstellzeit verhältnismäßig lang (etwa 5 Stunden).

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Kriegsschiffe haben ein Verfahren entwickelt, bei dem sie die Dämpfraigsvorrichtung ausschalten, um Beschleunigungsfehler im Falle des Wendens zu vermeiden, aber in diesem Fall ist es notwendig, das Fließen der Flüssigkeit in der Dämpfungsflasche anzuhalten. Zu diesem Zweck verwendet das herkömmliche Dämpfungsflaschenverfahren ein elektromagnetisches Ventil in dem Abschlußkessel, und daher ist es unvermeidlich teuer und im Aufbau kompliziert.

Dahingegen verwenden die Sperry-Kreiselkompasse eine bekannte nach Osten exzentrische Achse oder ein Dämpfungsgewicht als Dämpfungsvorrichtung für den Nordsuchvorgang der Kreiseldrehachse. Jedes dieser Systeme ist von der Art, daß die Drehkraft zur Dämpfung an eine vertikale Achse des Kreisels angreift (und sie.werden daher im weiteren als vertikales Achsendämpfungssystem bezeichnet). Bei diesem bekannten System ist die Drehkraft proportional dem Neigungswinkel der Kreiseldrehachse gegen die horizontale Ebene, und die Neigung des Kreisels zur Einstellzeit ist weit kleiner als die des Dämpfungsflaschensystems, und es ist keine Flüssigkeit in der Dämpfungsvorrichtung vorhanden, so daß die Einstellzeit verhältnismäßig kurz ist (3 - 3 1/2 Stunden). Dieses System hat jedoch Nachteile wie einen geographischen Breitenfehler,, einen festen Fehler^ der sich ergibt aus einer Nord-Süd-Massenungleichgewichtsdrehkraft des Kreisels um seine horizontale Achse, einen Fehler durch Temperaturabhängigkeit als Folge der Änderung in dem Nord-Süd-Massenungleichgewicht hervorgerufen durch Temperaturwechsel usw. Dieses System besitzt ferner die Unzulänglichkeit, daß die K^eiseldrehachse eine Drift bewirkt in dem Fall, in dem die Dämpfungsvorrichtung ausgeschaltet ist«,

Bei Verwendung eines bekannten Integrators in Kombination mit einem Dämpfungsgewicht wird die Drehachse horizontal gehalten zur Zeit der Einstellung, und der geographische Breitenfehler und der von dem Nord-Süd-Massenungleichgewicht des Kreisels herrührende feste Fehler können vermieden werden. Da jedoch die Möglichkeit bestehen bleibt, daß die Bewegung der großen Zeitkonstanten verbleibt entsprechend den Anfangsbedingungen

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des Integrators, ist die Einstellzeit sicher kürzer als die des Dämpfungsflaschensystems, aber langer als die des üblichen Vertikalachsendäinpf ungssystems.

Entsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kreiselkompaß mit einem Dämpfungssystern zu schaffen, bei dem die oben erwähnten Nachteile vermieden werden.

Der Kreiselkompaß soll den Vorteil des Vertikalachsendämpfungssystems besitzen, daß die Einstellzeit verhältnismäßig kurz ist, bei dem aber der geographische Breitenfehler, der von dem Nord-Süd-Massenungleichgewicht des Kreisels herrührende feste Fehler und der von der Temperaturabhängigkeit herrührende feste Fehler vermieden werden, die bei dem herkömmlichen Vertikalachsendämpfungssystem unvermeidbar sind. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kreiselkompaß mit einem Vertikalachsendämpfungssystem zu schaffen, bei dem die Dämpfung beim Wenden eines Schiffes durch einfaches Herstellen oder Unterbrechen eines elektrischen Kontaktes ausgeschaltet werden kann und welches eine Drift erzeugt und keine speziellen Mittel wie ein elektromagnetisches Ventil oder ähnliches benötigt.

Diese Aufgaben werden durch einen Kreiselkompaß mit einem Kreiselkörper gelöst, der sich gemäß der Erfindung kennzeichnet durch Mittel zum Anlegen einer Drehkraft an den Kreiselkörper um seine im wesentlichen senkrechte Achse proportional dem Neigungswinkel der Drehachse des Kreiselkörpers gegen die Horizontalebene zur Dämpfung der NordSuchbewegung des Kreiselkörpers und Mittel, die die Drehkraft im wesentlichen proportional zu dem Neigungswinkel für eine Komponente des Neigungswinkels, die mit einer Periode variiert, die gleich oder nahezu gleich der Nordsuchbewegung ist, hingegen für eine nicht variierende Komponente des Neigungswinkels angenähert gleich Null machen.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

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Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung der Nordsuchbewegung eines herkömmlichen Kreiselkompasses;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Kreiselkompasses, bei dem die Erfindung Verwendung findet;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebes der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 4 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des in dem Kreiselkompaß in Fig. 2 verwendeten Dämpfungssystems;

Fig. 5 ' ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Erfindung für die in Fig. 2 und 7 dargestellten Kreiselkompasse;

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Nordsuchbewegung des Kreiselkompasses;

Fig. 7 andere Ausführungsformen der. Kreiselkompasse, bei ^un denen die Erfindung anwendbar ist;

Fig. 9 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Betriebes des in Fig. 8 gezeigten Kreiselkompasses unter Anwendung der Erfindung;

Fig. 1OA Schaltungen der verwendeten Rechenverstärker; bis 1OC

Fig. 11A andere Ausführungsformen der Erfindung; und 11B

Fig. 12 Diagramme zur Erläuterung des Betriebes des in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispieles; und

Fig. 14 ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zuerst ein herkömmliches Vertikalachsen-Dämpfungssystem beschrieben. Ih dem Kreiselkompaß ist es notwendig, daß eine Drehkraft ΚΘ, die proportional dem Neigungswinkel θ seiner Kreiseldrehachse gegen die Horizontalebene mit K als einer Proportionalitätskonstanten ist, über eine Horizontalachse senkrecht zur Kreiseldrehachse angelegt wird, wodurch die Nordsuchbewegung des Kreisels hervorgerufen wird. Eine Vorrichtung zur Erzeugung der Drehkraft ΚΘ wird hierin im weiteren als Nordsuchvorrich-

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tung bezeichnet. Wird allein die Nordsuchvorrichtung verwendet, dann oszilliert die Kreiseldrehachse sinusförmig nach Ost und West über Nord und bleibt nicht im Norden. Gleichzeitig oszilliert auch die Neigung der Kreiseldrehachse sinusförmig synchron damit, und das Zentrum der Oszillation liegt nicht in der Horizontalebene sondern in der nördlichen Hemisphäre in einer Position, in der das nördliche Ende der Drehachse ein wenig erhoben ist. .Das Zentrum o.&r Oszillationsbewegung der Neigung der Krsiseldrehachse bild c den folgenden Winkel gegen die horizontale Ebene;

in der H der Drall äei* Kreisels, Ji-³Ie Winkelgeschwindigkeit. der Erdärehung und ■+ die -;eographi«C;he Breite, an der sich der Kreiselkompaß befindet, daxstellen.

Nimmt mar. an, daß dar Kreisel nicht vollständig um die vorgenannte horizontals Achse ausbalanciert- sondern -.-.n der südlichen Seite etwas schwerer ist, daß der Kreisel sich bei Betrachtung vom Süden aus im Uhrzeigersinn dreht und daß die/axe Horizontalachse als Folge dieses Ungleichgewichte--3 und der Schwerkraft erzeugte Drehkiaft gleich My ist, da^n besitzt das Zentrum der Oszillation der Neigung d*>.r Kreiseidrehaohse einen Wert, der gegenüber de;«:; cbigsr um den lah'-rr My/K größer ist.

Das Vertika!achsen-Dä/i.pfungssyst-is ist ein seiches, bei dem die OszillationsiDeweguivrr der Drehachse gedämpft wird durch Anlegen einer Drehkraft an eine Vertikalachse senkrecht zu der Drehachse und der Horizontalachse, und in bekannter Weise wird zu diesem Zweck eine Drehkraft verwendet, die proportional dem Neigungswinkel θ ist. Bei einer Proportionalitätskonstanten μ-ist die an die Vertikalachse angelegte Drehkraft gleich/U©, durch die die Bewegung der Kreiseldrehachse gedämpft wird, und die Drehachse liegt still und zeigt im wesentlichen in bekannter

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Weise nach Norden. Als Beispiel zeigt Fig. 1 den Fall, in dem das Azimuth der Kreiseldrehachse zum Zeitpunkt t = O fS. ist, und der Neigungswinkel θ der Drehachse ist Null, und die Drehachse ist auf.der Nordseite ein wenig abgesenkte Mit zunehmender Zeit t führt das Azimuth φ der Drehachse eine gedämpfte Oszillation aus und stellt sich unter einem konstanten Winkel ein. Der Neigungswinkel ©_a der Drehachse besitzt nach der Einstellung einen Zentrumswert der Oszillation bei U=O (wenn das Vertikalachsen-Dämpfungssystem nicht verwendet wird), d.h. der Neigungswinkel wird bestimmt durch die folgende Gleichung:

wobei My das Nord-Süd-Massenungleichgewicht des Kreisels ist.

Es ist zu beachten,, daß, da der Neigungswinkel θ der Drehachse sogar dann nicht Null ist, wenn der Kreisel stillsteht, die Drehkraft T um die Vertikalachse zur Dämpfung bestimmt wird

CS.

durch die folgende Gleichung entsprechend dem Neigungswinkel Θ;

My
■^Ta ⁼ ^ (-fpAsin y + —g- ) ,

wobei zu bemerken ist, daß der Wert nicht Null wird.

Allgemein besitzen beim Kreiselkompaß die Äufwärtsdrehkraft M über die vertikale Achse und ein Azimuthfehler^ φ während des Festsetzens des Kreisels das folgende Verhältnis %

Der Festsetzungswert d des Azimuths kann aus der folgenden Gleichung (1) folgendermaßen erhalten werden:

^yfvisin Jf ₊ -ψ-

ά ~

HlXCOS φ Hj2COS

-Γ" (2)

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Im obigen Fall wird der Festsetzungswert 6 des Azimuths gegen Osten erzeugt. Der erste Teil der Gleichung (2) ist proportional der Tangente der geographischen Breite und wird daher als geographischer Breitenfehler bezeichnet. Der zweite Teil der Gleichung (2) ist proportional dem Nord-Süd-Massenungleichgewicht My des Kreisels, d.h. es ist ein fester Fehler, der als Antwort auf das Nord-Süd-Massenungleichgewicht des Kreisels hervorgerufen wird. Aus dem vorhergehenden ist zu erkennen, daß der Grund für die konstanten Fehler darin liegt, daß die Drehkraft für die Dämpfung als festgelegte Drehkraft über die Vertikalachse bestehen bleibt, wenn der Kreisel stillsteht.

Ein Dämpfungssystem der Erfindung kann bei verschiedenen Typen von Kreiselkompassen verwendet werden. Im folgenden wird zuerst ein neuer Kreiselkompaß und dann ein Beispiel zur Verwendung mit dem Kreiselkompaß beschrieben. Fig. 2 zeigt den Aufbau des Kreiselkompasses. Mit 1 ist ein Kreiselgehäuse bezeichnet, welches einen Kreiselkörper einschließt, der mit hoher Geschwindigkeit rotiert, und welches flüssigkeitsdicht ausgebildet ist. Mit 2 ist ein Behälter wie etwa ein Tank bezeichnet, der das Abschlußkessel 1 umgibt, und mit 3 ein Aufhängedraht zum Aufhängen des Kreiselgehäuses 1, der an seinem oberen und seinem unteren Ende mit dem Tank 2 und dem Kreiselgehäuse 1 fest verbunden ist. Mit 4N, 4S und 5N, 5S sind primäre und sekundäre Seitenelemente eines berührungslosen Auslenkungsdetektors 6 bezeichnet. Die primären Seitenelemente 4N und 4S sind beispielsweise auf der Oberfläche des Kreiselgehäuses 1 an den Durchstoßpunkten der Fortsetzung der Kreiseldrehachse, d.h. an der Nord- und der Südseite des Kreiselkörpers befestigt. Dagegen sind die sekundären Seitenelemente 5N und 5S auf dem Tank an Stellen befestigt, die den primären Seitenelementen 4N und 4S entsprechen. In dem Tank 2 ist eine Flüssigkeit 7 enthalten, etwa ein Dämpfungsöl mit hoher Viskosität. Ein Paar horizontaler Wellen 8 und 8¹ sind an ihren einen Enden an dem Äquator des Tanks 2 an Stellen senkrecht zu der Drehachse (an der Ost- und der Westseite des Kreisels) befestigt, und die anderen Enden

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- der horizontalen Wellen 8 und 8' sind drehbar in Lagern 13 und 13' festgelegt/ die in einem horizontalen Ring 12 an den Wellen 8 und 8' entsprechenden Stellen vorgesehen sind. Mit ist ein Servomotor zum horizontalen.Nachfolgen bezeichnet, der mit dem horizontalen Ring 12 gekoppelt ist. Ein Horizontalrad ist auf der einen Horizontalwelle 8 montiert und befindet sich in Eingriff mit einer horizontalen Antriebswelle 11, die an die Drehwelle des Servomotors 10 angekoppelt ist. An dem horizontalen Ring 12 sind entsprechend Kardanwellen 14 und 14' an Stellen senkrecht zu den horizontalen Wellenlagern 13 und 13' befestigt, und sie sind drehbar in Kardanwellenlagern 15 und 15* angebracht, die in einem Nachlaufring 16 vorgesehen sind an Stellen, die diesen entsprechen. Der Nachlaufring 16 besitzt nach oben und nach unten daran befestigte Nachlaufwellen 17 und 17', deren freie Enden drehbar in Nachlaufwellenlagern 25 und 25' angebracht sind, die in einem Kompaßgehäuse 24 an den Nachlaufwellen 17 und 17' entsprechenden Stellen montiert sind. Ein Azimuthrad 21 ist auf der Nachlaufwelle 17 befestigt. Mit 19 ist ein Azimuthnachlaufservomotor bezeichnet, der in dem Kompaßgehäuse 24 befestigt ist, und mit 20 eine Azimuthantriebswelle, die auf der Drehwelle des Servomotors 19 sitzt und die mit dem Azimuthrad 21 in Eingriff steht. Eine Kömpaßrose 22 ist auf der anderen Nachlaufwelle 17' montiert. Mit 23 ist eine Bezugslinienplatte bezeichnet, die oben auf dem Kompaßgehäuse 24 gegenüberliegend der Rose 22 montiert ist. Der Kurs eines Fahrzeuges, auf dem der Kreiselkompaß montiert ist, ergibt sich aus der Bezugslinie 26/ die auf der Bezugslinienplatte 23 durch deren Mitte gezeichnet ist, und der Rose 22.

Im folgenden wird der kontaktlose Abweichungsverstellungsdetektor 6 kurz beschrieben. Ein von den Primärseitenelementen 4N und 4S herkommender Wechselstromfluß wird durch die sekundären Seitenelemente 5N und 5S festgestellt, wodurch gleichzeitig relative Abweichungswinkel des Kompaßgehäuses 1 gegenüber dem Tank 2 und die vertikale Achse (konkret um den Aufhängungsdraht 3) und um die horizontalen Wellen 8 und 8' festgestellt werden. Ein elektrisches Signal, welches proportional

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ist dem relativen Abweichungswinkel des Kompaßgehäuses 1 zum Tank 2 um die vertikale Achse (dieses Signal wird im weitem als vertikales Nachlaufsignal bezeichnet), wird durch einen vertikalen Nachlaufregelverstärker 102 (Fig. 4) zur Steuerung des Servomotors 19 verstärkt« Die Drehung des Servomotors 19 wird auf den Tank über die Antriebswelle 20, das Azimuthrad 21, den Nachlaufring 16, die Wellen 14 und. 14', den horizontalen Ring 12 und die Wellen 8 und 8¹ übertragen, wodurch der Tank um die vertikale Achse des KoiBpsßgeüäuses 1 gedreht wird zur Verminderung der relativen Abweichung des Tankes 2 gegenüber dem Kompaßgehäuse '\ auf Null für alle Zeiten. In ähnlicher Weise wird ein elektrisches Signal (welches im weiteren als horizontales Nachlaufsignal bezeichnet wird) entsprechend dem relativen Abweichungswinkel des Kompaßgehäuses 1 zum Tank 2 über die horizontalen vielien P und 8^: vcn ά&ϊά kontaktlosen Auslenkungsdetektor f> zu sineir Horizontaln&ahlaufservoverstarker geführt, der später beschrieben wird, uric, durch dieser: -/erstarkt und danach dem Serve motor IG zur B fco·..; er «ng desselben zugeführt. Die Drehung des Servomotors 10 wird übertragen auf dan Tank 2 über die Antriebsweile Ή_f das Rad 5 und die Welle 8_f wodurch der Tank 2 de:^ Kcinpa3gehäis.3e 1 um die Wellen 8 und 8' folgt.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Erklärung der Bewegung des Abschlußkesselb 1 in 3er Richtung der Drehachse relativ zum Tank 2, während die IQichlaufregelkreise m der oben beschriebenen Weise in Betrieb sind. Die Figur zeigt den Abschlußkessel, wo die Richtung A3 de:: Hrei?eldrehac;is^ in dem Äbschiußkessel 1 um den Winkel θ eeg^n eine hori&cntale Ebene HH¹ geneigt ist. Die sekundären Seitenelemente 5N und SS des berührungslosen Verstellungsdetektors 6 liegen an Stellen A* und B¹ auf dem Tank, und der Horizontalnachlaufregelkreis befindet sich in Betrieb, so daß die Stellen A¹ und B¹ auf der Fortsetzung der geraden Linie AB liegen. Da die Erdbeschleunigung auf den Abschlußkessel 1 wirkt, wird der Aufhängedraht 3, der zwischen einem Punkt P an der Decke des Tanks 2 und dem Abschlußkessel 1 verbunden ist, im wesentlichen parallel mit der Schwerkraftlinie, und entsprechend wird der Abstand zwischen B und B¹ kürzer als zwischen A und A¹. Die Differenz im Abstand zwischen A-A¹ und

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B-B¹ ist proportional dem Winkel Θ.

Der berührungslose Verstelldetektor 6 erzeugt auch ein der Differenz im Abstand zwischen A-A" und B-B' entsprechendes Wechselstromsignal durch Subtraktion der von den Sekundärelementen 5N und 5S abgeleiteten Signale. Das elektrische Signal ist proportional dem Winkel θ und 'wird daher im weiteren als ©-Signal bezeichnet. Ist der Winkel θ negativ und liegt der Punkt A' unter der Linie HH', dann ist der Abstand zwischen den Punkten A und A' kürzer als der zwischen den Punkten B und -B¹, und das Θ-Signal ist auch umgekehrt bezüglich seiner Phase. Ist der Winkel θ Null;, dann sind die Abstände zwischen den Punkten A und A¹ und zwischen denen B und B' einander gleich, und das ©-Signal ist Null.

Das·Dämpfungssystem zur Verwendung mit dem oben beschriebenen Kreiselkompaß in Fig. 2 ist ein System, bei dem das ©-Signal dem Vertikalnachlaufsignal in dem Vertikalnachlaufservoverstärker hinzugefügt wird. Mit diesem System wird der Tank 2 durch den Vertikalnachlaufregelkreis um die Vertikalachse verstellt, bis der berührungslose Verstelldetektor 6 ein Vertikalnachlaufsignal erzeugt, welches genau die gleiche Größe wie das hinzugefügte Θ-Signal besitzt und eine dazu entgegengesetzte Polarität aufweist, weil der Servomotor 19 nicht stoppt, bis die Summe aus dem Vertikalnachlaufsignal und dem Θ-Signal Null wird. Daher ist der Wert des Vertikalnachlaufsignals immer proportional dem Θ-Signal und daher dem Neigungswinkel Θ. Auf diese Weise ist der Äufhängdraht 3 immer durch das Vertikalservosystem proportional dem Neigungswinkel © gedreht« Ist die Proportionalitätskonstante zwischen, der durch die Verdrehung des Aufhängdrahtes 3 erzeugten Drehkraft und dem Neigungswinkel θ alsß.gewählt, dann wird dem Abschlußkessel 1 eine Dfehkraft ü8 über die Vertikalachse zugeführt, so daß der Nordsuchvorgang der Kreiseldrehachse gedämpft wird, wie es vorher beschrieben worden ist im Hinblick auf das vorgenannte Vertikalachsendämpfungssystem. Weicht die Drehachse des Kreiselkompasses von Norden um einen Winkel 0_Q ab nach Osten mit dem nördlichen Ende ein wenig abgesenkt, dann führt die Drehachse genau dieselbe Bewegung aus, wie

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es vorher im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben worden ist, und steht schließlich still und hält den festen Fehler S .

In Fig. 4 ist in Form eines Blockschaltbildes das Verhältnis zwischen dem Vertikalnachlaufrege!kreis und dem Θ-Signal in dem in Fig. 2 gezeigten Kreiselkompaß gezeigt.

In Fig. 4 zeigt φ den Azimuth der Kreiseldrehachse (die Richtung der geraden Linie AB in Fig. 3), und 0_Q zeigt den Azimuth der Linie A¹B¹ des Tanks 2. Die Differenz (φ^φ^) zwischen ihnen wird durch den berührungslosen Verstelldetektor 6 (mit einem Verstärkungsfaktor G₂) in ein entsprechendes Vertikalnachlaufsignal umgewandelt, welches dem Θ-Signal hinzugefügt wird, welches auch ein Ausgangssignal von dem berührungslosen Verstelldetektor 6 mit einer Ausbeute G- ist. Das resultierende Signal wird dem Servomotor 19 über einen Servoverstärker 102 zugeführt, und der davon abgeleitete Ausgangswinkel wird über ein Getriebe 101 (entsprechend dem Radverhältnis 1/N des Rades 17 zu der Antriebswelle 20) zu dem Tank 2 geführt, um dessen Azimuth 0_Q zu bilden.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Erfindung, wie es für den Kreiselkompaß in Fig. 2 verwendet wird. In Fig. 5 sind dieselben Elemente wie in Fig. 4 mit denselben Bezugszeichen versehen, und sie werden nicht wieder beschrieben. Der Unterschied zwischen den Azimuth φ und φ~ wird umgekehrt durch den berührungslosen Verstelldetektor 6 in ein Wechselstromsignal wie im Fall der Fig. 4, aber im Beispiel in Fig. 5 wird das Wechselstromsignal durch einen Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandler 104 in ein Gleichstromsignal umgewandelt und dann wieder durch eine elektrische Schaltung 103 in ein Wechselstromsignal umgekehrt. Die Schaltung 103 besitzt eine Schaltung einschließlich einer Addierstufe, einer dazugehörigen Schaltungsapparatur und eines Gleichstrom-Wechsel strom- Umwandler s. Das ©-Signal wird umgewandelt durch den Detektor 6 in ein Wechselstromsignal und dann in ein Gleichstromsignal durch einen Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandler 105 ähnlich dem vorgenannten 104 umgewandelt und danach dem Rechenverstärker 106 zugeführt. Das Ausgangssignal von dem

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Rechenverstärker 106 wird dem Vertikalnachlaufsignal in Schaltung 103 hinzugefügt. Die Charakteristik des Rechenverstärkers 106 spielt die wichtigste Rolle in der Erfindung. Es sei angenommen, daß die übertragungsfunktion des- Rechenverstärkers 106 wenigstens die folgende Eigenschaft aufweist, wie in Fig. 5 dargestellt:

T₂S

+ 1

wobei S der Laplace-Operator ist. Wie es in der Selbstregelungstechnik bekannt ist, kann das von dem Rechenverstärker 106 zu einem Zeitpunkt abgeleitete Äusgangssignal dann, wenn der Neigungswinkel θ sinusförmig variiert, in einer solchen Form ausgedrückt werden, daß S ersetzt wird durch j ^. Hier

2 "

gilt j = -1. Das oben genannte Ausgangssignal kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

Sogar wenn uo so gewählt wird, daß es die Winkelfrequenz entsprechend der üblichen löriode des Kreiselkompasses darstellt, d.h. etwa 70 bis 100 Minuten, und wenn T₁ so gewählt wird, daß es die Beziehung CuT₁J^I gut erfüllt, dann nähert" sich das vorgenannte Signal dem durch die folgende Gleichung (3) gegebenen Signal an:

-¹UJ 2 -³IU 2 2 r-^—^j— = Γ-ψ= = = konstant , (3)

Es wurde bereits beschrieben, daß der Winkel θ sich sinusförmig ändert, während sich der Kreisel bewegt, um sich nach Norden einzustellen. Entsprechend ändert sich das Θ-Signal in der Periode des NordsuchVorganges während eines solchen Nordsuchvorganges des Kreisels, so daß das Ausgangssignal von dem Rechenverstärker 106- nahezu aus dem Θ-Signal zusammengesetzt ist, weil die Übertragungsfunktion des Rechenverstärkers 106 im we-

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sentlichen etwa 1 ist, Das Vertikalservosystem, welches mit dem von dem in Fig. 5 gezeigten Rechenverstärkar 106 kommenden Ausgangssignal beaufschlagt wird, ist im wesentlichen dasselbe wie das in Fig. 4 gezeigte bei dieser Bewegung. Folglich ist auch bei Verwendung des vertikalen Nachlaufregelkreises aus Fig. 5 die durch das Verdrehen des Aufhangedraht.es 3 erzeugte Drehkraft im wesentlichen υ,θ wie im Fall von Fig. 4, womit es möglich ist zu bewirken, daß der Kreiselkompaß von Fig. 4 eine hinreichend gedämpfte Oszillation Leim Nordsuchvorgang ausführt. Diese Eigenschaft ist ferner dieselbe, wie man sie mit einem herkömmlichen Vertikalachsen-Dämpfungssystem erreicht und ergibt daher den Vorteil, äaß die Einstellzeit wesentlich kürzer ist als die beim Horizontalachse.i-Dämpfungssystem.

Wenn sich der Kreisel graduell eiR.st.ellt.- dann erreicht das Θ-Signal einen konstanten Wert Easxr· U' /¥., wie vorher beschrieben. Da jedoch die Charakteristik des Rachsnveretärkers 106 offensichtlich eine " Di fieren, hie !eigenschaft einer Verschiebung erster Crdnun/" iac, ist tie Differentiation einer Konstanten Null, und daher bleibt diese Grundeigsnschaft sogar dann unverändert, wenn sie mit einer Verzögerung erster Ordnung (first order lag) versehen wird. Da das e-sSignal sish dein konstanten Wert annähert, nähert sie das Ausgangssignal des Rechenverstärkers 106 graduell dem Wert ^TuIi. Hat sich der Kreisel auf diese Weise eingestellt,, dam: w^rd das. Ausgangssignal des Rechenverstärkers 106 vollständig KuI?.. Als Ergebnis davon ist in dem VertikalnachXsiufregelkreis der Avfhangedraht 3 .liebt verdreht, wenn der Kreisel rr_tl:t, bc daß k;^r.,iüe Drehkraft ecf die vertikale Achse des Kreisels aas j jüfot wird ur.ci daher M=O ist. Entsprechend ist der Einsteliwert oder Anlaufwert 6 des Azimuths auch Null, es ist kein geographischer Breitenfehler vorhanden, und der feste Fehler als Folge des Nord-Süd-Massenungleichgewichtes My des Kreisels wird nicht hervorgerufen. Auf diese Weise wird ein Vertikalachsen-Dämpfungssystem mit einer verhältnismäßig kurzen Einstellzeit des Kreisels, frei von festen Fehlern, erreicht. Die Nordsucheigenschaft des Kreiselkompasses, der dieses System aus Fig. 5 verwendet, ist derart, wie sie in Fig. 6

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dargestellt ist und unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Eigenschaft dadurch, daß der Einstellwert </ des Azimuths nicht vorhanden ist.

In Fig. 5 wird das Ausgangssignal von dem Rechenverstärker in Form des Gleichstromsignals dem Vertikalnachlaufsignal der Anfangsstufe der Schaltung 103 hinzu addiert, aber es ist auch möglich, das Ausgangssignal des Rechenverstärkers 106 unmittelbar in ein Wechselstromsignal umzuwandeln„ das Vertikalnachlaufsignal in Form eines Wechselstromsignales zu halten, ohne es einem Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandler 104 zuzuführen, die beiden Wechselstromsignale zu addieren und unmittelbar das daraus resultierende Signal dem Vertikal-Servoverstärker 102 zuzuführen. Kurz gesagt reicht es für den Zweck aus, daß das Θ-Signal mit den Eigenschaften T₂S/(T^S + 1) versehen sein kann, Ss können verschiedene Verfahren mit Schaltungsbautechniken ausgeführt werden, und sie alle fallen in den Bereich der Frfindung.

Die Erfindung ist auch anwendbar auf andere Arten von Kreiselkompassen, und es werden jetzt Beispiele von Anwendungen auf zwei Arten von Kreiselkompassen beschrieben.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel für die Verwendung der Erfindung bei einem neu geschaffenen Kreiselkompaß. In der Figur entsprechen die verwendeten Bezugszeichen denen von Fig. 2.

Der in Fig. 7 gezeigte Kreiselkompaß ist bezüglich des Aufbaus identisch mit dem in Fig. 2 in Verbindung mit dem Horizontalring 12, den Wellen 14 und 14¹, den Lagern 15,-15', dem Nachlaufring 16, den Wellen 17, 17', den Lagern 25, 25', dem Servomotor 19, der Antriebswelle 20 und der Azimuthscheibe 21. Der in Fig. 7 gezeigte Kreiselkompaß unterscheidet sich gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten dadurch, daß kein Horizontalnachlaufregelsystem verwendet wird und daß die Wellen 8, 8' drehbar in den Lagern 13, 131 gelagert sind. Die Wellen 8, 8¹ sind mit einem Vertikalring 200 gekoppelt, der einen Anschlag oder Aufbau 204 und Lager 205, 205' besitzt. Der Abschlußkessel 1 um-

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schließt den Kreisel und besitzt vertikale nach oben und nach unten von diesem gerichtete Achswellen 206, 206', wobei die vertikalen Achswellen 2O6_? 206' drehbar in den vorgenannten Lagern 2Q5, 205' gelagert sind und das obere Ende der Achswelle 206' an dem Aufhängedraht 3 von dem Aufbau 204 des Vertikalringes 200 in der Mitte von diesem aufgehängt ist. Der Kreiselkompaß verwendet als Nordsuchvorrichtung eine flüssigkeitsballistische Anordnung, die an einem vertikalen Ring 200 befestigt ist und die zwei Gefäße 2O3A, 2O3B, eine Verbindungsleitung 2O3C zur Verbindung der Gefäße 2O3A, 2O3B und eine Flüssigkeit, die die Gefäße 2O3A, 2O3B halb füllt und zwischen diesen über die Leitung 2O3C fließt, umfaßt. In dem Beispiel in Fig. 7 ist ein Beschleunigungsmesser oder elektrolytisches Niveaugerät 207 auf dem vertikalen Ring 200 befestigt zum Aufzeigen des Neigungswinkels θ der Drehachse in die Horizontalebene. In einer Blockdarstellung ist das in Fig. 7 gezeigte Ausführungsbeispiel ähnlich dem in Fig. 5 dargestellten, wobei jedoch das Θ-Signal als ein Wechselstromsignal von dem oben genannten elektrolytischen Niveaugerät 207 abgeleitet wird und das Aufzeigen der Differenz im Azimuth {φ-φ*) erreicht wird durch einen berührungslosen Azimuthabweichungswinkeldetektor 201 (dessen Elemente 201A, 2Q1B. auf dem Abschlußkessel 1 und dem vertikalen Ring 200 montiert sind). Die Anwendung des Systems aus Fig. 5 auf den Kompaß in Fig. 7 ermöglicht eine Realisierung der Vertikalachsendämpfung derart, daß der Einstellwert ef des Azimuths auf Null vermindert wird, wie es vorher im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben worden ist.

Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kreiselkompasses. In diesem Beispiel sind die Wellen 14, 14' und die Teile auf der Außenseite desselben identisch mit denen in Fig. und Fig. 7. In dem dargestellten Beispiel wird der in den vorhergehenden Beispielen verwendete horizontale Ring 12 nicht verwendet, sondern stattdessen ein Behälter 300, wie beispielsweise eine sphärische Kugel, die in Fig. 8 teilweise entfernt ist, und es werden Lager 13, 13' auf der Innenseite des Gefäßes 300 vorgesehen, in denen die horizontalen Wellen 8, 8¹ drehbar gelagert sind. Ferner trägt der vertikale Ring 200 Lager 205, 205* und

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_ ₁₆ _ 230683a

-ist im wesentlichen identisch mit dem in Fig. 7 verwendeten und besitzt die Wellen 8, 8', hat jedoch nicht den Anschlag bzw. Aufbau 204. Der Abschlußkessel 1 mit dem Kreisel darin besitzt vertikale Achswellen 206,' 206', die in den Lagern 205, 205' gelagert werden. Der berührungslose Azimuthabweichungswinkeldetektor 201 ist bezüglich des Aufbaus identisch mit dem in Fig. 7 verwendeten, und der Beschleunigungsmesser 207 istfest auf dem vertikalen Ring 200 montiert und wird verwendet zum Aufzeigen des Neigungswinkels θ wie in dem Fall des Beispiels von Fig. 7. Das in Fig. 8 gezeigte Beispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 7 gezeigten zuerst dadurch, daß der Abschlußkessel 1 nicht an dem Aufhängedraht 3 aufgehängt ist, wie er in dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel verwendet wird, sondern im wesentlichen kugelförmig ist und durch eine in dem Gefäß 300 enthaltene, nicht gezeigte Flüssigkeit gepuffert wird, wobei das spezifische Gewicht des Abschlußkessels 1 im wesentlichen gleich dem der Flüssigkeit in dem Gefäß 300 gewählt wird, und zweitens dadurch, daß die Nordsuchvorrichtung ein Drehmomenterzeuger 302 zur Umwandlung eines elektrischen Signales in eine entsprechende Drehkraft ist, und drittens dadurch, daß ein Dämpfungsdrehmoment-Erzeuger 301 vorgesehen ist. Das eine Element 3O2A des Drehmomenterzeugers 302 ist an dem Gefäß 300 befestigt, und das andere Element 3O2B ist an der Welle 8' befestigt und ist angepaßt zur Erzeugung einer Drehkraft an der Welle 8'. proportional dem dem Element 3O2A zugeführten elektrischen Signal. Durch Beaufschlagen des¹ Drehmomenterzeugers 302 mit einem elektrischen Signal proportional dem Neigungswinkel Θ, welches durch den Beschleunigungsmesser 207 nach einer Verstärkung aufgezeigt wird, wird die Drehkraft ΚΘ für den Nordsuchvorgang geliefert. In ähnlicher Weise besitzt der Drehmomenterzeuger 301 Elemente 301A und 301B, die an dem vertikalen Ring und der Welle 206 entsprechend befestigt sind, und ist ausgerichtet, um eine Drehkraft auf den Kreisel um die Wellen 206, 206' auszuüben durch Anlegen eines elektrischen Signals an das Element 301A. Durch Beaufschlagen des Drehmomenterzeugers 301 mit einem elektrischen Signal proportional dem Neigungswinkel Θ, welcher durch den Beschleunigungsmesser 207 aufgezeigt wurde, nach

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seiner Verstärkung, wird das konventionelle Vertikalachsen-Dämpfungssystem geschaffen. Wird die Erfindung jedoch auf den in Fig. 8 gezeigten Kreiselkompaß angewendet, dann kann das Vertikalachsen-Dämpfungssystem dargestellt werden wie das Blockdiagramm in Fig. 9. Ist das von dem Beschleunigungsmesser 207 abgeleitete Signal ein Wechselstromsignal, dann wird es durch den Wechselstrom-Gleichstrom-Kcnverter 105 in ein Gleichstromsignal umgewandelt und dem Rechenverstärker 106 zugeführt, der wenigstens die Eigenschaft T₂S/(T.jS + 1) besitzt wie in Fig. 5, und dann Über den Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter 103 einem Servoverstärker 102 zugeführt zur Verstärkung, und das verstärkte Signal wird dem Drehmomenterzeuger 301 augeführt. In diesem Fall wird die Dänpfungsdrehkraft direkt über den Drehmomenterzeuger 301 über die Vertikalachse zugeführt,- und das ist das Vertikalachsen-Däxnpfungssy stein, und es wir Λ eine Dämpfung zur Verminderung des Einstollwertes J des Azimuths auf Null erhalten, um den Zweck zu erfüllen.

Ist das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 207 in Fig. ein Gleichstromsicnal und handelt es sich bei dem Drehmomenterzeuger 301 u'ft einen Gleichstromdrehmomenterzeuger, dann können die Wechselscroni—olaicrstrom- und Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter 105 und 103 weggelassen werden.

Im folgenden wird der Unterschied zwischen dem herkömmlichen Vertikalachserr Da-npfuiigssystem und demjenigen geniäS der Erfindung auf eine ar car^ «iise näher erläutert. Wird die Drehkraft um die vertikrIe Achf> zur Dämpfurg als Q_D angenommen, dann wird die Drehkraft in dem bekannten System folgendermaßen ausgedrückt :

Q_D = Μ.Θ (4) .

Das Verhältnis zwischen der Drehkraft Q_D und dem Neigungswinkel θ in diesem Dämpfungssystem gemäß der Erfindung wird durch die folgende Gleichung beschrieben:

209833/CUn

- ie -, 230683

Ist T- sehr groß und ist die Änderung in θ sehr groß,dann ist der erste Term hinreichend größer als der zweite Term auf der linken Seite der Gleichung (5), und daher kann die Gleichung (5) in der folgenden Form geschrieben werden:

^Q *

dt" ^QD 7 * ~dt~ ^θ

Entsprechend ist Q_n = ιιθ und ist der Dämpfungsvorgang vorgesehen und ändert sich der Winkel θ nicht, dann ist -— θ = O, woraus folgt Q = O, was aus Gleichung (6) deutlich zu entnehmen ist. Durch die Laplace-Transformation der Gleichung (6) des Verhältnisses zwischen Q_ und θ mit dem Laplace-Operator als S und der Laplace-Transformation von Q und θ als Q (S) und θ(S) und den Anfangszuständen gleich Null wird die folgende Gleichung erhalten:

SQ₀(S) + -~- Q_D(S) = .itSe(S) . ■ ■ Entsprechend.wird daraus die folgende Gleichung erhalten:

Q0(S)	R	,a S	T1S	,, cCT2S	1	T2S
θ (S) ·		T1S + 1 f	T S 4·	« T1S + ι

in der T-|/T₂ gleich oC gesetzt ist»

Im allgemeinen wird, nicht gefordert, daß die übertragungsfunktion des Rechenverstärkers 106 dieselbe Zeitkonstante T.. in seinem Nenner und seinem Zähler hat, sondern diese kann ausgedrückt werden als T₂SZ(T-S +1), wie es in Block 106 in den Fig. 5 und 9 gezeigt ist. In diesem Fall ist es jedoch erforder lich, daß die Verstärkung von beispielsweise dem Wechselstrom-Gleichstrom-Konverter 105 mit ei in Übereinstimmung mit T₂ multi pliziert wird. Mit anderen Worten kann der Wert von ^c gewählt werden durch Einstellen der Ausbeute G, des Wechselstrom-Gleich

strom-Konverters 105, so daß, wenn der Wechselstrom-Gleichstrom-Konverter 105 einen Verstärkungsabschnxtt aufweist, T2 nach Belieben gewählt werden kann.

Der Wert der Zeitkonstante T- ist in der Erfindung wichtig. Auf der Tatsache basierend, daß der Umlauf des Kreiselkompasses gewöhnlich 70 bis 120 Minuten beträgt, wenn T- mehrere hundert Sekunden beträgt, wird der Nordsuchvorgang gedämpft, aber das Dämpfen ist in diesem Fall unzureichend. Ist T- größer als 1000 Sekunden, dann ist sie praktikabel, und liegt T- über 2000 Sekunden, dann wird ein ausreichender und idealer Dämpfungsvorgang erhalten. Je größer T- ist, desto besser ist es, aber der Effekt ändert sich praktisch nicht bei T.. größer als 2000 Sekunden. Gemäß praktischer Beispiele mit Anwendung der Erfindung auf den in Fig. 2 gezeigten Kreiselkompaß mit T- = 2000 Sekunden betrug der Nordsuchumlauf 80 Minuten (bei einer geographischen Breite von 35° Nord), das Dämpfungsverhältnis der Amplitude bei jeder Halbperiode betrug nahezu 0,30, und der geographische Breitenfehler, der feste Fehler als Folge des meridionalen Ungleichgewichtes und der feste Fehler als Folge der Temperaturänderung traten nicht auf.

Als nächstes erfolgt eine Beschreibung im Zusammenhang mit der Weise, in der die Eigenschaft der übertragungsfunktion T-S/(T..S+1) in dem Rechenverstärker 106 konkret realisiert wird. Da diese Eigenschaft ein Problem der Rechenverstärkerschaltung ist, können verschiedene Verfahren angewandt werden. Zwei von diesen sind in den Fig. 1OA und 1OB gezeigt. Bei dem System in Fig. 1OA haben eine Ausgangssignalspannung E' von einem Verstärker 400 und eine Eingangsspannung E. das durch die folgende Gleichung beschriebene Verhältnis:

^E'o ~^R2 1

E_± R₁ * R₂CS +1

Daher gilt die durch die folgende Gleichung (9) ausgedrückte Relation zwischen der Ausgangsspannung E_Q des Verstärkers 401 und der Eingangsspannung Ej:

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₂ j 1
^EO ^{= R}5 R₁R₃ * R₂CS + 1 R^ ^Ei ' ' * " * ⁽⁹⁾ *

Sind die Widerstandswerte R-, R₂, Rq? R^ und R₁- der entsprechenden Widerstände R¹.,, R¹,; ^R\^{f R}*4 ^un<^ ^R°5 ^so 9^ewählt, ^{daß sie} das Verhältnis R-R₃/R₂ = R^ = R₅ erfüllen, dann wird die folgende Gleichung (10) erhalten:

~ ^lK5 R_n ' R-CS + 1 R_K ' *Ί

1 "^R2^CS - - (1 - ^- ^₁- ) E₁ - _{RCS + 1} E₁ ...... (10)

Auf diese Weise wird der gewünschte Betrieb erreicht. Zu dieser Zeit ist T₁ = T₂= RpC, wobei C die Kapazität des Kondensators C ist.

In Fig. 1OB ist das Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal E_Q und dem Eingangssignal E₁ des Verstärkers 402 durch die folgende Gleichung (1.1) zu beschreiben:

^E0 ⁼ "

Dementsprechend kann der Zweck auch erreicht werden mit der in Fig. 10B gezeigten Schaltung, wo T₁ = RoC₂ und T₂ = R₂C₁ ist und C₁ und C₂ die Kapazitäten der Kondensatoren C'₁ und C'₂ sind.

Fig. 1OC zeigt ein Beispiel, in dem eine Verzögerung erster Ordnung hinzugefügt ist. Das Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal E₀ und dem Eingangssignal E₁ wird in diesem Beispiel durch die folgende Gleichung (12) ausgedrückt:

_ ft₂ ^C1^S "

^E0 ~ (R₁C₁S + 1) (R₂C₂S + 1) *··· ⁽¹²⁾ *

Daher ist es möglich, eine Operation auszuführen, die ähnlich der im Beispiel in Fig. 1OB ist mit C₁ = C₂ und T₁ = R₂C₂- Ist die Bedingung L<XE₂ erfüllt und wird eine Zeitkonstante R₁C₁ gewählt, die kleiner als einige Minuten ist, dann ist die Zeit-

309833/043/-

konstante zu klein im Vergleich mit der Periode (70 bis 100 Minuten) des Nordsuehvorganges des Kreisels, so daß das Hochfrequenzrauschen in dem Θ-Signal, welches von der Oszillation eines Schiffes herrührt, entfernt werden kann, ohne daß irgendein Einfluß auf den Nordsuchvorgang und ~uf den Dämpfungsvorgang basierend auf T->1000. ausgeübt, wird. Das in Pig. 1OC gezeigte System ist daher in der Praxis vorteilhafter.

Wie bereits ausgeführt wurde, kann die Eigenschaft des Terms T₃SZ(T₁S + 1) mit vielen anderen Schaltungen erreicht werden, und das Verfahren des Hinzufügens eines Tiefpaßfilters gibt es auch mehrere, und diese können in fer Praxis im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet werden.

Ferner kann das Ausschalten der Dämpfung zu einem Zeitpunkt, in dem ein Kriegsschiff umkehrt, allein dadurch bewirkt werden, daß ein Schalter geöffnet wird, der in Reihe in die Schleife des ©-Signals, beispielswaise in einer dem Rechenverstärker 106 in den Fig. 5 umd 9 vorhergehenden Stufe eingefügt werden kann. Da kein fester Fehler vorhanden ist, ist der Kreiseleinstellpunkt immer derselbe unabhängig vom Vorhandensein des Dämpfens, und entsprechend wird keine Drift zum Zeitpunkt des Ausschaltens der Dämpfung erzeugt.

Die vorherige Beschraibung erfolgte im Zusammenhang mit dem Verfahren, in dem dir Neigungswinkel der Kreiseldrehachse gegen die horizontals Fbene einmal in ein elektrisches Signal umgewandelt worden ist. Das Signal wird einer geeigneten Schaltung zugeführt, um ein Signal entsprechend der Zeitdifferentiation einer Verzögerung erster Ordnung zu erhalten? und das Signal wird dem Kreisel als Drehkraft um seine vertikale Achse zugeführt mit Hilfe eines Drehmomenterzeugers oder durch Verdrehen des Aufhängedrahtes. Die Erfindung ist jedoch nicht begrenzt auf das obige elektrische Verfahren und kann auch mit Hilfe reiner mechanischer Verfahren praktiziert werden. Das wird im weiteren im einzelnen beschrieben.

309833/0AÖ4

Die Fig. 11A und 11B zeigen eine abgewandelte Form der Erfindung, in der ein mechanisches Verfahren-auf den' Kreiselkompaß in Fig. 7 angewandt wird, bei dem eine Flüssigkeitsballistische Vorrichtung als Nordsuchvorrichtung verwendet wird. Die Fig. 11A und 11B zeigen den Kreiselkompaß vpn der Südseite her, wobei Teile innerhalb des vertikalen Ringes-200 in einem vergrößerten Maßstab dargestellt sind. Die dön in den vorhergehenden Figuren dargestellten Teilen entsprechenden Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und sie werden nicht noch einmal beschrieben. Fig. 11A ist eine Seitenansicht des Kreisels von Süden her, und der Kreiselkörper rotiert im Gegenuhrzeigersinh, wie es in der Figur aufgezeigt ist. Ein Dämpfungsgewicht 500, welches ähnlich dem ist, welches in dem einfachen Vertikalachsen-Dämpfungssystem verwendet wird, ist auf der Westseite des Abschlußkessels 1 montiert, und ein Träger 501 mit einem an seinem oberen Ende befestigten Aufhängeband ist an der Ostseite des Abschlußkessels 1 befestigt. Das ir i.ere Ende des Aufhängebandes 502 trägt ein daran befestigtes Gewicht 503, welches in eine Dämpfungsflüssigkeit 505 mit hoher Viskosität, die in einem Behälter 504 enthalten ist, welcher an dem Vertikalring 200 fest montiert ist, eingetaucht wird.

Fig. 12 zeigt ein Diagramm zur Erklärung des Prinzips der in den Fig. 11A und 11B gezeigten Vorrichtung. Da der Kreisel sich im Nordsuchvorgang befindet, ist sein Nordsuchende unter einem Winkel θ 'gegen die horizontale Ebene angehoben. Ein Punkt P zeigt den Verbindungspunkt von dem Aufhängeband 502 und dem Abschlußkessel 1, ein Punkt Q den Verbindungspunkt des Gewichtes 503 mit dem Aufhängeband 502 und £ den Abstand zwischen der Mitte des piehäja/öe^i 50$ und dem Schwerpunkt des Gewichtes 503. Der Kürze wegen sei angenommen, daß das Aufhängeband vollständig flexibel ist, und der Winkel zwischen der vertikalen Achse PO und dem Aufhängeband 502 sei & . Das Gewicht 503 besitzt eine Schwere nach unten (vertikal) von m'g und bewegt sich nach links in der Figur um eine Komponente f der Schwerkraft in Richtung der Drehachse, so daß ϋ übereinstimmen kann mit Θ, aber die Bewegung des Gewichtes 503 wird extrem gedämpft

geändert gemäß Eingab^ 309833/ 048 4 eingegangen am „

2306839

durch den Viskositätswiderstand der hochviskosen Dämpfungsflüssigkeit 505, und c wird zeitverzögert relativ zu Θ. Da der Neigungswinkel θ sehr klein bleibt während des Nordsuchvorganges . des Kreisels,wirkt das effektive Gewicht m'g des Gewichtes 503 mit Ausnahme des Auftriebs durch die Dämpfungsflüssigkeit 505 als Zugkraft auf das Aufhängeband 502, und dieses wirkt auf den Ankopplungspunkt P des Aufhängebandes 502 mit dem Abschlußkessel 1, und seine Komponente F inRichtung der Drehachse dient als Drehkraft um die Vertikalachse. Wenn die Länge des Aufhängebandes 502 a ist und der Abstand zwischen dem Ankopplungspunkt P und der vertikalen Achse r, dann ist die Komponente F ungefähr r χ F = m'gtfr = m'g —— χ r {<r = —a_ ) _r

Cl CL

und daher hängt die Drehkraft um die vertikale Achse durch das Gewicht 503 von er oder ζ ab.

Die Bewegung § des Gewichtes 503 relativ zu dem Behälter 5Ο4 in Richtung der Drehachse wird durch die Komponente f = m'g© der Schwerkraft m'g in Richtung der Drehachse, den Viskositätswiderstand (eine Viskositätswiderstandkonstante sei c) der Dämpfungsflüssigkeit 505 und eine Komponente m^lgc'=m¹g -^- der Zugkraft m'g des Aufhängebandes 502 in Richtung der Drehachse. Die Bewegung wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

c ξ = m¹g9 - m'g _a

in der das Trägheitsglied weggelassen ist, weil das Glied der Viskosität c % extrem groß ist. Durch Abwandlung obiger Gleichung folgt

Unter Verwendung des Laplace-Operators folgt

ζ TS + 1 ^ö '

in der T = —-,— eine Zeitkonstante ist. £ oder c ist eine Funktion mg

der Verzögerung erster Ordnurig des Kreiselneigungswinkels Θ, und die Drehkraft um die Vertikalachse durch das Gewicht 5Ο3 wird

3Ö9833/04S4

proportional der Verzögerung erster Ordnung des Kreiselneigungswinkels Θ, d.h.

_{r x F} = g θ

Sowohl die Drehkraft durch das Gewicht 503 als auch das Dämpfungsgewicht 500 wirken gleichzeitig um die vertikale Achse, wie es in Fig. 13 dargestellt ist. Wie aus der Figur ersichtlich ist, wird die letztere Drehkraft, wenn der Abstand.von der vertikalen Achse gleich r gesetzt wird, mge χ r, und sein Vorzeichen ist umgekehrt zu dem des Gewichtes 5Ο3. Nach diesen Ausführungen ist die auf den Kreisel um die vertikale Achse ausgeübte Drehkraft Q_ die folgende: -

^qd = ^e " β ,

und bei mgr = m'gr' = μ. folgt -

TS
^QD --.«"■ ^θ '

die mit der obengenannten Gleichung (7) übereinstimmt.

Mit anderen Worten ausgedrückt ist es so, daß, selbst wenn der Kreiselneigungswinkel θ während des Uordsuchvorganges des Kreisels besteht, das Gewicht 5Ο3 durch die hohe Viskosität der Dämpfungsflüssigkeit 505 gedämpft wird'und sich nicht in Richtung der Drehachse bewegen kann; und. daß" ξ; nahezu Null ist. Folglich wird keine Drehkraft durch das Gewicht 5Ο3 um die vertikale Achse erzeugt, aber das auf der Westseite des Abschlußkessels 1 angeordnete Dämpfungsgewicht erzeugt eine dem Kreiselneigungswinkel θ proportionale Drehkraft, so daß der Zustand während des Nordsuchvorgangs. im wesentlichen derselbe. ist_;vwie der, der entstehen würde, wenn nur das Dämpfungsgewicht 5,00 vorgesehen wäre, und auf diese Weise wird der Nordsuchvorgang gedämpft» . ■■- ; ·- . . .-".·'.; ■.">„-.;/ '.".■-.

3G9833/CH04

Am Ende des Nordsuchvorganges, d.h. wenn der Kreisel nahe seiner Ruhebedingung kommt, bewegt sich das Gewicht 503 nahe zu der vertikalen Linie, wodurch eine Drehkraft erzeugt wird, die bezüglich der Größe gleich der des Dämpfungsgewichtes 500 ist, aber eine entgegengesetzte Richtung besitzt, damit sich beide gegeneinander aufheben. Wenn der Kreisel vollständig ruht, dann sind die durch das Dämpfungsgewicht 500 und die durch dat; Gewicht 503 erzeugten Drehkräfte vollständig gleich bezüglich der Größe, und es wirW: keine Drehkraft auf den Kreisel um die vertikale Achse.

Fig. 14 zeigt ein anderes Beispiel der Erfindung unter Verwendung der mechanischen Methode. Die Zeichnung zeigt den Kreiselkompaß vor. Fig. 7, der die Erfindung verkörpert, wie es der Fall ist in dem in den Fig. 11A und 11B dargestellten Beispiel. In dieser Figur sind Teile, die denen in den Fig. 11A und 11B entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt. Das Beispiel von Fig. 14 unterscheidet sich von denen in Fig. 11A und 11B dadurch, daß das Dämpfungsgewicht 500 nicht verwendet wird, daß ein Aufhänger 501' an dem vertikalen Ring 200 befestigt ist und daß ein Behälter 504· mit einer Dämpfungsflüssigkeit 505' darin an dem Abschlußkessel 1 montiert ist. Auch in diesem Fall ist die Bewegung des Gewichtes 503' relativ zu dem Gehäuse 504' in Richtung der Drehachse basierend auf dem Kreiseineigungswinkel θ genau äquivalent zu dem in dem Beispiel in den Fig. 11A und 11B und ergibt, wenn er durch ξ ausgedrückt wird,

TS + 1

Da das obere Ende des Aufhängebandes 502' an dem vertikalen Ring befestigt ist, wirkt seine Zugkraft nicht als Drehkraft um. die vertikale Achse des Kreisels. Der Behälter 504' ist jedoch auf dem Abschlußkessel 1 befestigt, so daß, wenn sich das Gewicht 503' in Richtung der Drehachse,(d.h. senkrecht zur Ebene des Zeichenblattes)relativ zu dem Gehäuse 504' bewegt, eine Viskositätskraft, die im wesentlichen proportional der Geschwin-

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digkeit der Bewegung des Gewichtes 503' ist, über die Dämpfungsflüssigkeit 504' auf eine Stelle in einem Abstandrvon der vertikalen Achse wirkt, wodurch.eine Drehkraft auf die vertikale Achse des Kreisels wirkt. Die Geschwindigkeit des Gewichtes 503' relativ zu dem Behälter 504' ist eine Differentiation'von % nach der Zeit, und die als Viskositätskonstante cq auf die vertikale Achse ausgeübte Drehkraft Q wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben:

O- ^car'^s θ
^QD - TS + 1 * ^θ

. θ

mit der Zeitkonstanten T = —_s . Mit m'gr¹ = ,u. wie in dem vor-

m g

hergehenden Beispiel folgt

TS
Q_D = μ- ' _{TS +} 1 . θ .

Dieses Verfahren liefert also auch die durch die vorherige Gleichung (7) gegebene Eigenschaft und ermöglicht die Realisierung des Prinzips der Erfindung.

Die Erfindung ist auf ein sogenanntes Vertikalachsen-Dämpfungssystem gerichtet, bei dem der Nordsuchvorgang der Kreiseldrehachse gedämpft wird durch Anlegen der Drehkraft Q auf die Vertikalachse des Kreiselkompasses,die eine Funktion des Neigungswinkels θ der Kreiseldrehachse gegen die horizontale Ebene ist, und die Erfindung schafft Mittel zum Erfüllen der Beziehung der Gleichung (5) oder (7) zwischen Dämpfungsdrehkraft (Q_) und Neigungswinkel θ der Kreiseldrehachse, und die Erfindung kann mit verschiedenen elektrischen und mechanischen Mitteln in die Praxis umgesetzt werden.

Es gehören ferner Mittel zur Bildung desselben Verhältnisses zwischen Q-. und θ wie den durch die Gleichungen (5) und (7) gegebenen b.asierend auf der Periode des Nordsuchvorganges des

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Kreiselkompasses und Mittel, wie sie in Fig. 1OC gezeigt sind, in der das Verhältnis zwischen Q_ und θ ein wenig anders als in den Gleichungen (5) und (7) gebildet ist durch Addition der Verzögerung der ersten Ordnung, zu der Erfindung.

Die Übertragungsfunktion zwischen dem Neigungswinkel θ der Kreiseldrehachse und der Dämpfungsdrehkraft Q_n ist nicht speziell begrenzt auf die Form T^S/ (T..S + 1), sondern, wenn sie in der Form von f(S)/g(S) geschrieben ist, kann f(S) von der Form S'f'(S) sein, g(S) wird eine Konstante im Grenzfall von S gegen Null (S->O), und f(S)/g(S) besitzt eine Eigenschaft ähnlich der einer Konstanten in bezug auf den Winkel Θ, der bei einem Umlauf des Nordsuchvorganges oder einem diesem ähnlichen Umlauf variiert. Die Formen von f(S)/g(S), die die obigen Bedingungen erfüllen, können alle als Übertragungsfunktion der Dämpfungsvorrichtung für die Praxis der Erfindung verwendet werden.

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Claims (11)

1. 230683

   Patentansprüche

   Γ i) Kreiselkompaß mit einem Kreiselkörper, gekennzeichnet durch Mittel zum Anlegen einer Drehkraft an den Kreiselkörper um seine im wesentlichen senkrechte Achse proportional dem Neigungswinkel der Drehachse des Kreiselkörpers gegen die Horizontalebene zur Dämpfung der Nordsuchbewegung des Kreiselkörpers und Mittel, die die Drehkraft im wesentlichen proportional zu dem Neigungswinkel für eine Komponente des Neigungswinkels, die mit einer Periode variiert, die gleich oder nahezu_: gleich der Nordsuchbewegung ist, hingegen für eine nicht variierende Komponente des Neigungswinkels angenähert gleich Null machen. ·
2. 2. Kreiselkompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragungsfunktion dieser Mittel ausgedrückt wird in der Form f (S)/g (S), in der die eine Funktion f<S) ausgedrückt werden muß als Srf'iS), während die andere Funktion g(S) eine Konstante wird für den Grenzwert von S gegen Null (S-*O), wobei die Übertragungsfunktion f(S)/g(S) als eine Konstante für eine Oszillationsperiode der Nordsuchbewegung des Kreiselkompasses wirßt,
3. 3. Kreiselkompaß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragungsfunktion T2S/(T^S +.Λ) iist mit T> und T„ als Konstanten und S als dem Laplace-Operator.
4. 4. Kreiselkompaß mit einem Abschlußkesselgehäuse_r gekehnzeiehnet durch einen Kreiselkörper, Aufhängemittel, Lagerüngsmittel für das Lagern des Abschlußkessels durch die Aufhängemittel in Schwerpunktrichtung,

   durch Servomittel, die bewirken, daß die Lagerungsmittel dem Abschlußkessel nachlaufen über die Schwerkraftrichtung, Detektormittel zum Erfassen einer Abweichung des Winkels der Kreiseldrehachse von der horizontalen Ebene/ .

   309833/0404

   Übertragungsmittel zur Lieferung des Ausgangssignals von den Detektormitteln zu den Servomitteln zur Erzeugung eines winkelmäßigen Ausgleichs und

   mit den Übertragungsmitteln zusammenwirkende Mittel, durch die der Ausgleich im wesentlichen proportional zum Ausgangssignal der Detektormittel für eine Komponente des Ausgangssignales ist, welche mit der gleichen oder nahezu gleichen Periode variiert wie die Nordsuchbewegung des Abschlußkessels und durch die der Ausgleich nahezu Null wird für eine Komponente des Ausgangs signale s vor. den Detektormitteln, die nicht variiert.
5. 5. Kreiselkompaß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion der letztgenannten Mittel durch die Form f(S)/g(S) ausgedrückt wird, in der die Funktion f(S) ausgedrückt werden muß als S-»-f' (S) , während die andere Funktion g(S) eine Konstante wird beim Grenzwert von S gegen Null (S-^O), wobei die übertragungsfunktion f(S)/g(S) als Konstante für eine Oszillationsperiode der Nordsuchbewegung des Abschlußkessels wiikt.
6. 6. Kreiselkompaß nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragungsfanktion die Form T₂S/(T^S + 1) besitzt, wobei T- und T₂ Konstante und S der Laplace-Operator sind.
7. 7. Kreiselkompaß mil: einem Abschliißkesselgehause, gekennzeichnet durch einen Kreiselkörper, Detektormittel zum Aufzeigen einer Winkelabweichung der Kreiseldrehachse von der horizontalen Ebene, einen Drehmomenterzeuger zum Zuführen einer Drehkraft an dem Abschlußkessel um seine vertikale Achse in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal der Detektormittel, Übertragungsmittel zum Liefern des Ausgangssignales von den Detektormitteln zu dem Drehmomenterzeuger und Mittel, die mit den Übertragungsmitteln zusammenwirken zur Bildung einer Drehkraft, die im wesentlichen proportional dem Ausgangssignal der Detektormittel ist für eine Komponente des Ausgangssignales, die mit

   309833/0484

   derselben oder nahezu derselben Periode wie die Nordsuchbewegung des Abschlußkessels variiert/ während die Drehkraft nahezu Null gemacht wird für eine Komponente des Ausgangssignales von den Detektormitteln, die nicht variiert.
8. 8. Kreiselkompaß nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragungsfunktion der Mittel die Form f(S)/g(S) besitzt, in der eine Funktion f(S) ausgedrückt wird durch S.f(S), während die andere Funktion g(S) eine Konstante wird im Grenzfall von S gegen Null (S-?O), wobei die übertragungsfunktion f(S)/g(S) als eine ^Konstante für einen Oszillationsumlauf der Nordsuchbewegung des Kreiselkompasses wirkt.
9. 9. Kreiselkompaß nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragungsfunktion !2SZ(T₁S + 1) besitzt, wobei T₁ und T₂ Konstanten und S der Laplace-Operator sind.
10. 10. Kreiselkompaß, gekennzeichnet durch einen Abschlußkessel mit einem Kreiselkörper darin, tragende Mittel zur drehbaren' Lagerung des Abschlußkessels über seiner vertikalen Achse, Servomittel, die bewirken, daß die tragenden Mittel dem Abschlußkessel nachfolgen um seine vertikale Achse, einen Drehmomenterzeuger aus einem Gewicht, an dem Abschlußkessel an ihrem einen Ende befestigte Aufhängemittel, die das Gewicht an ihrem anderen Ende tragen, ein an den Aufhängemitteln befestigtes Gefäß mit viskoser Flüssigkeit darin, wobei das Gewicht in die Flüssigkeit eingetaucht wird und der Drehmomenterzeuger eine 'Drehkraft für den Abschlußkessel auf dessen vertikale Achse erzeugt, die im wesentlichen proportional der Neigung der Kreiseldrehachse gegen die horizontale Ebene für eine Komponente der Neigung, die mit derselben oder'nahezu selben Periode wie die Nordsuchbewegung des Abschlußkessels variiert, ist, während sie nahezu Null ist für eine Komponente der Neigung, die nicht variiert.

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11. 11. Kreiselkompaß nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentgeber aus einem Gewicht, mit ihrem einen Ende an den Tragemitteln befestigte! Aufhängemittel!, die an ihrem anderen Ende das Gewicht tragen, und einem an dem Abschlußkessel befestigten Gefäß, welches viskose Flüssigkeit enthält, bestehen, wobei das Gewicht in die viskose Flüssigkeit eingetaucht wird.

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