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Die Erfindung betrifft einen Vermessungskreiselkompaß, bei dem die
Bewegung
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des schwingenden, richtunggebenden Systems über einen Kreiselspiegel
mit Hilfe eines Autokollimationsfernrohres mittels opto-elektronischen Sensoren,
wie Fotodioden, Fotoelemente oder Vollflächendioden abgegriffen wird.
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Bei den bekannten Vermessungskreiselkompassen dieser Art ist es erforderlich,
um zu kurzen Meßzeiten zu kamen, Permanentmagnete bzw. Magnetfeldspulen zur Erzeugung
eines Gegenmomentes bzw. zur Dänpfung zusätzlich einzusetzen, die ihrerseits wieder
die Quelle von Fehlern sein können.
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Außerdem sind solche Vrnessungskreiselkatpasse nicht unempfindlich
gegen Erschütterungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vermessungskreiselkcnpaß dieser
Art so auszubilden, daß es möglich ist, ohne zusätzlichen Einsatz von Magneten zu
einem Mindestmaß an Meßzeit zu kommen, den Kreiselkompaß unempfindlich gegen Erschütterungen
zu machten und trotzdem zu erreichen, daß er mit höchster Genauigkeit arbeitet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgmäß dadurch gelöst, daß die Amplitude
des schwingenden Systems auf den linearen Bereich des opto-elektronischen Abgriffs
abgebremst ist, daß die opto-elektronischen Sensoren über eine Additions-Subtrakticns-Schaltung
auf Analogdividierer geschaltet sind, deren Ausgangssignab auf einen Addierer geschaltet
sind, dessen Ausgangssignal einem Integrator zugefUhrt wird, der es über eine volle
Schwingungsperiode des richtunggebenden Systems integriert.
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Vorzugsweise sind in weiterer Ausbildung der Erfindung mehrere opto-elektronische
Sensoren versetzt angeordnet und weist die Blende des Kollimators mehrere den Sensoren
zugeordnete Schlitze auf. Mit dieser Maßnahme können Linearitätsfehler unterdrück
werden, die durch inhomogene Intensitätsverteilung im Kollimator-Lichtbündel verursacht
werden. Durch arithmetische Mittelung der Sensorsignale wird eine höhere Genauigkeit
erzielt.
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Zweckmäßig ist in weiterer Ausbildung der Erfindung dem Integrator
ein Rechner mit Speicher zur Abspeicherung des Integrals nachgeschaltet.
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Dieser Rechner mit Speicher hat die Aufgabe der arithmetischen Verknüpfung
aller Maß- und Eingabewerte zur Festlegung der Nordlage, die dann digital abgelesen
werden kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Vermessungskreiselkeeaß ist es somit möglich,
ohne die Abtastung diskreter Punkte zu arbeiten. Vielmehr erfolgt die Passung durch
Flächenintegration der Schwingung, wobei sich zeigt, daß das Integral Uber die Fläche
durch Bodenerschütterungen nicht beeinflußt wird.
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Um jegliche Möglichkeit von StöreinflUssen auszuschalten, die zu Genauigkeitsänderungen
fUhren können, beispielsweise infolge Alterung und Temperaturgang des optischen
und elektronischen Abgriffsystems, wird in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen,
daß zusätzlich zu dem Kreiselspiegel ein gerätefest angebrachter, aber ebenso im
Strahlengang des Autokollimationsfernrohres liegender Referenzspiegel vorgesehen
ist. Dieser Referenzspiegel dient nunmehr als Nullmarke des Gerätes. Es ist vorteilhaft,
wenn der Referenzspiegel eine zur Spiegeloherfläche parallele Auflagefläche mit
hoher Oberflächengüte aufweist und kraftschlüssig auf drei Punkten gelagert ist.
Damit ist es möglich, durch Ungenauigkeiten am Referenzspiegel selbst verursachte
Störungen grundsätzlich auszuschalten.
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Da der Referenzspiegel nur kurzzeitig benötigt wird, wird in weiterer
Ausbildung der Erfindung eine ihn abdeckende Blende vorgesehen, die den Referenzspiegel
bei Meßbeginn kurzzeitig freigibt.
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Zur Erhöhung der Maßgenauigkeit wird in weiterer Ausbildung der Erfindung
eine Tenperaturkorrektur durchgefUhrt. Zu diesem Zweck sind ein äußerer und ein
im Geräte inneren angebrachter Temperaturfühler vorgesehen, deren Mittelwert digital
im Speicher abgespeichert wird.
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Das erfindungsgemaße Gerät ermöglicht es auch, in beliebigen Zeitabständen
eine mechanische Kalibrierung bei stehendem Kreisel durchzuführen. Hierdurch werden
Nullpunktänderungen des richtunggebenden Systems erfaßt.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungen und Erörterung
der ihr zugrunde liegenden theoretischen Uberlegungen näher erläutert werden.
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Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung
des Schwingungsvorganges bei einem VermessunJskreiselkarrpaß ; Fig. 2 bis 9 in Gegenüberstellung
der ungestörten und der durch Bodenerschütterungen gestörten Schwingung die Störungseinflüsse
bei verschiedenen bekannten Vermessungskreiselkarpassen ; Fig. 10 und 11 in Gegenüberstellung
der ungestörten Schwingung zur gestörten Schwingung die Ausschaltung des Einflusses
der Störungen bei Bodenerschütterungen beim erf indungsgemäßen Verrte ssungskreiselkompaß;
Fig. 12 die Fotodiodenanordnung mit dem Spiegelbild eines Schlitzes der Kollimatnrhlende;
Fig. 13 eine graphische Darstellung dazu; Fig. 14 ein Schaltbild einer Schaltung
zur Erzielung eines von der Beleuchtungsstärke unabhängigen Signal s; Fig. 15 ein
Schaltbild einer Schaltung zur Temperaturkorrektur; Fig. 16 ein Schaltbild der gesamten
MeBablaufsteuerung; Fig. 17 eine schematische Darstellung einer versetzten Diodenanordnung
mit dem Spiegelbild der Kollimatorblende; Fig. 18 eine graphische Darstellung der
Beleuchtungsstärke E über den Durchmesser eines realen Kollimatorlichtbündels; Fig.
19 ein Schaltbild einer Schaltung mit versetzter Diodenanordnung; und in
Fig.
20 ein Schaltbild entsprechend Fig. 19 unter Verwendung von Vollflächendioden, z.B.
Posiccndioden.
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Wie sich aus Fig. 1 entnehmen läßt, weist die Nullmarke des Gerätes
nach Abbremsung des Meßsystems auf kleine azimutale Schwingungen um die Schwingungsmittellage
R noch eine Orientierungsablage αN gegenüber geographisch Nord auf.
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Aus der Gleichgewichtsbedingung αK . DB = (αN - K) DK
mit DB= Torsionsrichtgröße Band DK = azimutale Richtgröße Kreisel erhält man oc
cx (1 +K) DB mitK= DK Die Ermittlung von αK bzw. wurde bisher immer über die
Bestimmung diskreter Schwingungspunkte vorgenommen.
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Sämtliche Verfahren arbeiten mit diskreten Punkten.
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Allen diesen Meßverfahren haftet, wie an Hand der Fig. 2 bis 11 gezeigt
werden soll, der Nachteil an, daß ein durch Bodenerschütterungen gestörtes Schwingungsbild
bzw. eine entsprechende stationäre Anzeige eine starke Verminderung der genauigkeit
bewirken.
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Fig. 2 zeigt eine Kurrendarstellung des Schwingungsverlaufs der ungestörten
Schwingung beim Umkehrlagenverfahren.
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Bei durch Bodenerschütterungen gestörter Schwingung ergibt sich das
Schwingungsbild nach Fig. 3.
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Mit U1, U2 .... sind die Umkehrpunkte beziechnet. Die Größe der Störeinflüsse
von
Eodenerschütterungen auf das Schwingungsbild bzw. das Meßsignal ist durch # U1,
# U2...kenntlich gemacht.
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Xhnliche Störeinflüsse ergeben sich auch beim Zeitdifferenzverfahren.
Fig. 4 zeigt die ungestörte Schwingung mit den Meßzeitpunkten t11, t12...
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Fig. 5 zeigt die durch Bodenerschütterungen gestörte Schwingung mit
den Größen der Störeinflüsse LN t12, # t21, # t31.
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Wie sich aus den Fig. 6 und 7 ergibt, entstehen ähnliche Störeinflüsse
auch bei einer Messung durch aperiodische Dämpfung bis zur stehenden Anzeige (Ruhelage).
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Fig. 6 zeigt wieder die ungestörte Schwingung. Fig. 7 die durch Bodenerschütterungen
gestörte Schwingung. Mit#αist die Größe des Störeinflusses angedeutet.
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Auch beim sogenannten Kompensationsverfahren ergeben sich entsprechende
Störeinflüsse. Fig. 8 zeigt die ungestörte Schwingung. Fig. 9 die durch Bodenerschütterungen
gestörte Schwingung mit der Größe # Ct des Störeinflusses.
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Wie man aus den Fig. 10 und 11 erkennt, ergibt die Integration der
azimutalen Schwingungskurven bezogen auf die Nullmarke des Gerätes einen zur Ablage
α K proportionalen Flächeninhalt und zwar im Falle der ungestörten Schwingung
und im Falle der durch Bodenschütterungen gestörten Schwingung, d.h. keine Veränderung
des Flächeninhalts durch überlagerte Schwingungen.
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Man erhält die Ablage α K in der gewünschten Größeneinheit (Neugrad)
durch Multiplikation des Flächenintegrals mit dem entsprechenden Umrechnungsfaktor
k und durch eine zweite Multiplikation mit dem Faktor (1 + 8 ) die Ablage α
N der Nullage des Gerätes von geographisch Nord in Neugrad.
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Da sich der Betrag des Flächenintegrals der azimutalen Schwingungskurve
und somit α K bzw. ob N durch den MeBspiegel überlagerte Eigenschwingungen
nicht ändert, wird eine geringe Störanfälligkeit gegenüber Bodenrschütterungen erreicht.
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Außerdem ist der Betrag des Flächenintegrals vom Zeitpunkt des Integrationsbeginnes
unabhängig, d.h. es wird kein bevorzugter Kurvenpunkt des Schwingungsbildes benötigt.
Die Meßzeit beträgt daher unabhängig van augenblicklichen Schwingungsbild eine Schwingungsperiode
T und stellt somit die kurzes mögliche MeBzeit des Systems dar.
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Vorzugsweise erlaubt das als Winkelabgriff dienende Autokollimationsfernrohr
sowohl eine visuelle als auch eine elektronische Erfassung der Spiegelnormalen,
d.h. der eßgrößen.
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Hierzu wird das halbe Strahlenbündel des Kollimators durch eine Blende
bis auf zwei schmale Lichtbalken ausgeblendet und die für den visuellen Abgriff
erforderliche Okularstrichplatte durch zwei den Lichtbalken zugeordnete opto-elektronische
Sensoren, beispielsweise vier Fotodioden oder zwei Vollflächendioden ersetzt.
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Wie man aus Fig. 12 und 13 erkennt, erhält man innerhalb des Bereiches,
in dem der Lichtbalken beide in Differenz geschaltete Fotodioden überstreicht, ein
mit der Verschiebung des Spiegelbildes lineares Signal (Fig. 13).
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Mit Hilfe der in Fig. 14 wiedergegebenen Schaltung erhält man ein
von der Beleuchtungsstärke unabhängiges Signal, da die Einzeldioden außer der Proportionalität
"beleuchtete Fläche": "Signal" auch eine Proportionalität "Beleuchtungsintensität":
"Signal" aufweisen.
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In Fig. 14 bedeuten 1 und 2 StromrSpannungs-Wandler, 3 die Additions-Subtraktionsschaltung,
wobei der obere Teil als Subtrahierer und der untere Teil als Addierer ausgebildet
ist, und 4 einen Analogdividierer, dessen Ausgangssignal einem Integrator zugeführt
wird.
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Die Schaltung nach Fig. 14 liefert ein von der Beleuchtungsstärke
unabhängiges Signal, das aber nur im Fall einer gleichmäßigen Ausleuchtung streng
linear zum Weg s des Spiegelbildes ist.
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Die für ein lineares Signal erforderliche über die gesamte Breite
des Spiegel-Bildes gleichmßige Beleuchtungsstärke wird praktisch nicht erreicht,
da einerseits keine punktförmige Strahlungsquelle vorliegt, andererseits die Transmissions-
und Reflexionsgrade der optischen Bauteile ungleichmäßig sind.
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Zur Erfassung von Änderungen infolge Alterung und Temperaturgang des
optischen und elektronischen Abgriffsystems ist außer dem üblichen Spiegel am MeBsystem
ein zweiter Spiegel als Referenz normal verwendet. Dieser Spiegel soll im folgenden
als Referenzspiegel angesprochen werden. Durch eine kraftschlüssige Drei-Punkt-Lagerung
des beidseitig mit hoher Oberflächengüte (> /10) und einer Parallelitätsabweichung
> 10 nigon pro 10 mm Länge geschliffenen Spiegels wird eine konstante Lage der
Spiegelnormalen gegenüber Temperatur und Stoßeinwirkungen ereicht. Etwaige Veränderungen
der Optik oder Nullpunktänderungen der Abgriffselektronic werden mit Hilfe dieses
Spiegels erfaßt und über den eingebauten Rechner korrigiert.
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Hierzu wird unmittelbar vor Beginn der eigentlichen rkssung durch
eine Blende der optische Strahlengang zum Meßsystemspiegel kurzfristig ausgeblendet
und der optische Strahlengang zum Referenzspiegel freigegeben.
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Das hierdurch van opto,elektronischen Abgriff erzeugte Signal wird
von einem Analog-Digitalwandler umgesetzt und in den Rechner eingelesen. Dort wird
der eingelesene Betrag nach Umrechnung in Neugrad abgespeichert +at E. Dieser abgespeicherte
Wert °G E entspricht dem Winkel zwischen der Spiegelnormalen des Referenzspiegels
und der momentanen Nullmarke des opto-elektronischen Abgriffs und wird für die nachfolgende
Messung als Eichnormal verwendet.
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Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit wird eine Temperaturkorrektur durchgeführt.
Hierzu wird der Mittelwert von den Signalen zweier Meßfühler gebildet und in den
Rechner eingelesen.
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Außerdem wird ein Temperaturgefälle zwischen den beiden Meßfühlern
van Betrag > ueber eine LED (Licht emittierende Diode) angezeigt.
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Diese Funktion wird durch die in Fig. 15 wiedergegebene Schaltung
erfüllt, in der mit 5 ein Komparator mit Schwellwerteinstellung und mit 6 ein Summierer
bezeichnet sind.
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Im folgenden soll die Meßablaufsteuerung anhand der Fig. 16 näher
erläutert werden.
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Durch Betätigen der Starttaste 10 wird über einen Programmschrittzähler
im Steuerwerk 11 dieses Steuerwerk 11 in Betrieb gesetzt, dessen Aufgabe die koordinierte
Steuerung des FIeßablaufs ist.
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Als erste Funktion wählt das Steuerwerk 11 je nach .Heßmodus - Kreiselmessung
oder Kalibrierung - das entsprechende Programm des Rechners 12 an. Sodann wird über
einen Hubmagneten 13 die Blende 14 im optischen Strahlengang des nicht dargestellten
Autokollimationsfernrohres betätigt. hierdurch wird der optische Strahlengang zum
Spiegel 15 des Kreiselpendels ausgeblendet und der Strahlengang zum Referenzspiegel
16 freigegeben.
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Das hierdurch van optoelektronischen Abgriff 17 (vgl. Fig. 12 und
13) erzeugte Signal in Farm einer elektrischen Spannung wird im Analog-Digital-Wandler
18 digital umgesetzt und über zwei Dekodierschaltungen, nämlich einen Binär-flCD-Dekodierer
19 und einen BCD-Dezimal-Dekodierer 20 sowie einen Digital-Multiplexer 21 in einen
programmierten Rechner 12 eingelesen. Dieser Rechner wird nun durch einen Taktimpuls
zur Ausarbeitung eines ersten Teilprogramms veranlaßt. Hierbei wird der eingelesene
Wert durch Multiplikation mit einem entsprechenden Faktor k1 in Neugrad umgerechnet
und abgespeichert.
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Dieser abgespeicherte Wert entspricht der Spiegelnormalen des Referenzspiegels
16, bezogen auf die momentane Nullmarke des opto-elektronischen Angriffs und wird
für die Kalibrierung oder Kreiselmessung als Eichnormal verwendet.
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Nunmehr wird die Blende 14 in ihre Normalstellung zurückgesetzt, d.h.
der Strahlengang zum Referenzspiegel 16 versperrt und der Strahlengang zum Spiegel
15 am Kreiselpendel freigegeben.
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Die Kreiselmessung bzw. Kalibriermessung wird durch die Freigabe des
Vorwahlzählers 22 ausgelöst. Hierbei wird durch jeden Takt des Vorwahlzählers 22
der Analog-Digitaliiandler 18 zu einer Umsetzung veranlaßt, d.h. das Signal des
Spiegels 15 des Kreiselpendels über eine Schwingungsperiode hinweg abgegriffen,
umgesetzt und
durch das Steuerwerk 11 in den Rechner 12 eingelesen
und aufsummiert. Die Anzahl der Umsetzungen pro Messung ist konstant und wird durch
den Wertebereich des Vorwahlzählers 22 bestimmt (2000).
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Da sich die Schwingzeit des Meßsystems bei rotierendem Kreisel mit
dem Breitengrad des Meßvortes ändern (#T#0,1 - 0,3 sec pro Breitengrad im Bereich
von # = 0 - 750), wird die Taktfrequenz des Vorwahlzählers 22 über einen einstellbaren
Frequenzteiler (23) bestimmt. Die Einstellung des Frequenzteilers 23 erfolgt dann
für die Kreiselmessung mit der Eingabe des Breitengrades # mittels zweier Kodierschalter
und einer nachgeschalteten Dekodierschaltung 24.
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Nachdem der Vorwahlzähler 22 seinen Wertebereich durchlaufen hat,
wird der Rechner 12 durch einen weiteren Taktimpuls des Steuerwerkes 11 zur Ausarbeitung
eines zweiten Teilprogramms veranlaßt. Hierbei wird das aufsummierte Flächenintegral
der azimutalen Meßsystemschwingung durch Multiplikation mit einem Faktor k2 (k2
= k1/Anzahl der Umsetzungen) in Neugrad umgerechnet. Von diesem Wert wird der au
er vorausgegangenen Eichung abgespeicherte Wert αE E subtrahiert.
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Die verbleibende Differenz )αK für Kreiselmessung, αB
für Kalibrierung) wird van Rechner 12 abgespeichert.
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K K bzw. 4 B ist die Ablage der Schwingungsmittellage in Neugrad bezogen
auf die Spiegelnormale des Referenzspiegels 16.
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Für den Fall der Kalibrierung ist hiermit der Meßablauf beendet. Der
Vorwahizähler 22 wird zurückgesetzt, der meßwert αB digital angezeigt. Die
lTessung kann durch wiederholtes Drücken der Starttaste 10 beliebig oft wiederholt
werden.
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Für den Fall der Kreiselmessung wird der an den Kodderschaltern eingestellte
Breitengrad # (bei 26) in den Rechner 12 eingelesen und durch einen Taktimpuls der
Rechner zur Abarbeitung eines dritten Teilprogramms veranlaßt. Hierbei wird das
im Programm gespeicherte, auf den Äquator bezogene Richtgrößenverhältnis lj #0 auf
das Richtgrößenverhältnis ##am Meßort nach der Formel#= # cos # umgerechnet und
abgespeichert.
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Als letzte Größe wird die Gerätetemperatur über die Anordnung 28 in
den Rechner 12 eingelesen und durch einen weiteren Taktimpuls zur Abarbeitung des
vierten und letzten Teilprogramms gestartet.
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Hierbei wird zuerst die Temperaturkorrektur K # durch Multiplikation
der eingelesenen Gerätertempeatur mit dem Temperaturkoeffizienten ß+ oder p - je
nach Vorzeichen des eingelesenen Tr:rperaturbetrages, wobei der Temperatur 273°F
der Betrag 0 zugeordnet wird - berechnet und abgespeichert.
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Anschließend wird vom Rechner die Berechnung der Kreiselweisung nach
der Korrekturformel αN = αK (1 + ##) - αB . ##- K durchgeführt.
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Der tieBablauf der Kreiselmessung ist hiermit beendet. Der Programmzäler
im Steuerwerk 11 wird zurückgesetzt, die Kreiselweisung % digital angezeigt.
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Die Messung kann durch wiederholtes Drücken der Starttaste 10 beliebig
oft wiederholt werden.
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Da einerseits die Bandnullage nie exakt auf Null justiert werden kann,
andererseits aber eine gelegentliche Kontrolle der Bandnullage wunschenswert ist,
muß die Meßablauf steuerung neben der üblichen Kreiselmessung auch eine Kalibriernessung
ermöglichen.
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Hierbei wird auf die gleiche Weise wie bei der Kreiselmessung das
Signal der Differenz-Fotodiode des mit stehendem Kreisel mit kleiner Amplitude freischwingenden
Meßsystems über eine Schwingungsperiode hinweg van Analog-Digitalwandler 18 abgetastet,
umgesetzt und im Rechner 12 aufaddiert.
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Dieses Flächenintegral ist der Ablage der Schwingungsmittellage von
der Nullmarke des opto-elektronischen Abgriffs proportional und wird vom Rechner
12 durch Mhltiplikation in Neugrad umgerechnet. Von diesem Wert wird noch der aus
vorangegangener Eichung abgespeicherte WertoCE E subtrahiert. Die Differenz ist
der Kalibrierwert
α B' d.h. die Bandnullage bezogen auf die
Spiegelnormale des Referenzspiegels, und wird van Rechner 12 im Penmanentspeicher
abgespeichert. Dieser Wert αB steht nun für beliebig lange Zeit für die nach
jeder Kreiselmessung vom Rechner 12 durchzuführende arithmetische Auswertung zur
Verfügung und wird nur durch eine erneute Kalibrierung überschrieben.
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Die Meßablaufsteuerung besteht aus den Baugruppen Taktgenerator 25,
einstellbarer Frequenzteiler 23, Analogmultiplexer 27, 12 bit Analog-Digital-Wandler
18, Binär-BCD-Deckodierer 19, Digitalmultiplexer 21, BCD-DezLmal-Dekodierer 20,
programmierbarer Rechner mit Permanentspeicher 12 sowie dem Steuerwerk 11 mit Programmzähler.
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Grundsätzlich kann die gesamte Meßablaufsteurung mit Ausnahme des
Analog-Digitalwandlers 18 und des Analog-Multiplexers 27 durch einen Mikroprozessor
ersetzt werden. Aufgrund seiner besonderen Struktur benötigt dieser sowohl für die
erforderlichen Zwischenrechnungen als auch für die abschließende arithmetische Auswertung
ein Vielfaches an Zeit gegenüber handelsüblichen programmierbaren Taschenrechnern.
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Als Ersatz für das hardware-mäßig aufgebaute Steuerwerk ist er zwar
geeignet, jedoch noch zu teuer.
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Mit der Meßablaufsteuerung wird die Kalibriermessung und die eigentliche
Kreiselmessung nach dem beschriebenen Meßverfahren durchgeführt.
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Die aus Fig. 17 ersichtliche versetzte Diodenanordnung mit dem Spiegelbild
der Kollimatorblende dient der Reduzierung von Linearitätsfehlern.
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Fig. 18 zeigt eine Intensitätsverteilung eines realen Lichtbündels.
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Durch die ungleichmäßige Ausleuchtung des Spiegelbildes wird die geforderte
Proportionalität des Differenzstromes zum Weg s verfälscht sowie der Summenstrom
verandert. Dies führt zu einem fehlerhaften Ausgangssignal des Analogdividierers
und sanit zu einer Linearitätsabweichung des MeBsignals zum Wert. Durch die Verwendung
zweier versetzter Diodenanordnungen (vgl. auch Fig. 17) wird dieser Fehler durch
Addition beider Signale aufgehoben, wobei die Diodenpaare so anzuordnen sind,
daß
das ihnen zugeordnete Spiegelbild der Kollimatorblende eine entgegengesetzte Intensitätsverteilung
aufweist.
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Die Figuren 19 und 20 zeigen die Schaltbilder einer Schaltung mit
versetzten opte-elektronischen Sensoren, wobei nach Fia. 19 als Sensoren in Differenz
geschaltete Photodioden (Sperrschichtdioden) und nach Fig. 20 Posicondioden (Vollflächendioden)
eingesetzt sind.
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L e e r s e i t e