DE2834278A1

DE2834278A1 - Elektrische schaltungsvorrichtung und damit ausgestattete pendeleinheit

Info

Publication number: DE2834278A1
Application number: DE19782834278
Authority: DE
Inventors: David Langton Brook
Original assignee: Brown Ltd S G; SG Brown Ltd
Current assignee: Brown Ltd S G; SG Brown Ltd
Priority date: 1977-08-05
Filing date: 1978-08-04
Publication date: 1979-02-15
Also published as: NO782676L; NO155320B; NL7808192A; US4224573A; DK346978A; NO155320C; IT1097625B; DE2834278C2; CA1113159A; FR2401464A1; JPS5463781A; JPH0127367B2; FR2401464B1; IT7826502A0

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Pendeleinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Durch die Erfindung wird eine elektrische Schaltungsvorrichtung mit einem Integrator-Abschnitt und einem Komparator-Abschnitt geschaffen, in welcher der Integrator-Abschnitt zur Bildung eines Schaltungs-Ausgangssignals aus einem von dem Komparator-Abschnitt abgeleiteten Zwischen-Eingangssignal ausgebildet ist und in der der Komparator-Abschnitt zum Empfang eines Eingangssignals der Schaltung und des Ausgangssignals der Schaltung verschaltet ist.

Das Ausgangssignal der Schaltung verändert sich mit einer durch Schaltungsparameter bestimmten Rate, die vorbestimmbar oder falls erforderlich selektiv veränderbar ist.

Die elektrische Schaltungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann für viele Zwecke eingesetzt werden, z.B. als ein Diskriminator, ein FM-Demodulator oder als Geschwindigkeitsbegrenzungs-Vorrichtung. Als eine Geschwindigkeitsbegenzungs-Vorrichtung kann diese Schaltung beispielsweise zur Verminderung der Empfindlichkeit eines Pendelsignals gegen auftretende Beschleunigungen verwendet werden.

Durch die Erfindung wird also auch eine Pendeleinheit geschaffen, bei der dem Pendel ein Aufnahme-Glied zur Lieferung eines von der Kippung der Einheit abhängigen Signals zugeordnet ist, und in der eine elektrische Schaltung zum Empfang dieses Aufnahme-Signals und zur Lieferung eines Ausgangssignals angeordnet ist, welches nur denjenigen Änderungen des Pendel-Ausgangssignals entspricht, die unterhalb einer vorbestimmten Rate liegen.

Die Pendeleinheit kann einem Kreiselkompaß zugeordnet sein, wobei die vorbestimmte Rate derart gewählt ist, daß das Schaltungs-Ausgangssignal Veränderungen des Pendel-Ausgangssignals folgt, welche mit einer Rate bzw. Geschwindigkeit

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auftreten, die im normalen Betrieb erwartet wird, wobei jedoch das Schaltungs-Ausgangssignal daran gehindert ist, Veränderungen mit einer größeren Rate zu folgen, wie sie aufgrund von Verzögerungen eines Fahrzeugs, in dem der Kreiselkompaß angebracht ist, auftreten, und zwar beispielsweise aufgrund einer Kursänderung oder einer Rollbewegung eines Schiffes um eine Achse zwischen der Nord-Süd- und der Ost-West^ Achse. Eine weitere Verbesserung kann dadurch erzielt werden, daß dem Pendel-Aufnehmer-Ausgangssignal eine geeignete Begrenzung auferlegt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt: "

Fig. T schematisch eine Schaltungsvorrichtung gemäß der Erfindung und

Fig* 2-9 die Ausgangssignale der Schaltung in Abhängigkeit von dem jeweiligen Eingangssignal.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltungsvorrichtung der Erfindung umfaßt einen ersten Verstärker A1 mit zwei Eingangsanschlüssen, von denen einer den Eingangsanschluß der Vorrichtung darstellt. Der Ausgangsanschluß des Verstärkers A1 ist über einen Widerstand R mit dem Eingangsanschluß eines zweiten Verstärkers A2 verbunden. Ein Kondensator C ist über den Verstärker A2 angeschlossen, dessen Ausgangsanschluß den Ausgang der·Vorrichtung darstellt. Der Ausgang des Verstärkers A2 ist mit dem anderen Eingangsanschluß des Verstärkers A1 verbunden.

Wenn eine Spannung el an den Eingangsanschluß der Vorrichtung angelegt wird, liefert der Verstärker A1 ein Ausgangssignal e2 an den Verstärker A2, der wegen des Kondensators C als Integrator wirkt. Da das Ausgangssignal des Verstärkers A2 an den Verstärker A1 zurückgeführt ist, ergibt sich die Funktion eines Komparators.

— Ks —

' " ■ ■ . "' "809807/0 9-81 - ■■ ■ .

Das Ausgangssignal e2 des Verstärkers A1 schaltet zwischen +E und -E, wobei E eine Konstante ist und das Vorzeichen von E von dem Vorzeichen (e1-e3) abhängt. Der Verstärker A1 kann einen hohen Verstärkungsfaktor und ein sehr schnelles Ansprechverhalten haben, so daß die Hysterese und die Zeitverzögerung extrem klein sind. Da der Verstärker A2 als ein Integrator wirkt, gilt

e3 = —^— \ e2 dt + (a Konstante) ;

Wenn in diese Beziehung D als Heaviside Operator eingesetzt wird, dann gilt

De3 = -^= ; oder De3 =

RC ' RC

in Abhängigkeit von dem Vorzeichen von (e1-e3). Somit verändert sich e3 immer mit dieser Geschwindigkeit; es kann weder gleichförmig sein, noch kann es sich mit irgendeiner anderen Rate verändern.

Das Verhalten der dargestellten Schaltung in Abhängigkeit einfacher Spannungssignale am Eingang wird nun mit Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben.

Die Fig. 2 zeigt das Ausgangssignal e3 für ein konstantes Eingangssignal el. Der Komparator-Abschnitt der Schaltung schaltet kontinuierlich auf und ab, lädt und entlädt dabei den Integrator-Abschnitt, so daß e3 eine Trapez-Welle mit einem mittleren Wert von el ist.

Die Fig. 3 zeigt eine sprunghafte Veränderung in el zum Zeitpunkt t = 0. Für die Zeit vor t = 0, gilt el = 0, und e3 hat einen mittleren Wert von 0. Nach dem Zeitpunkt t = 0, gilt el = A Volt und e3 wächst mit einer konstanten Steigung

De3 = ^E

RC
bis e3 = el wird; danach verbleibt e3 auf einem mittleren

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Wert von A und die kleinen trapezoidalen Auslenkungen wie zuvor. In den Fig. 2 und 3 wurde die Amplitude der trapezförmigen Welle übertrieben dargestellt, damit sie überhaupt erkennbar ist; in der Praxis ist die trapezförmige Wellenform verschwindend klein.

Der Betrieb der Vorrichtung als Geschwindigkeitsbegrenzungsschaltungs-Vorrichtung zusammen mit einem Kreiselkompaß ist nachstehend mit Bezug auf die Fig. 1,4 und 5 beschrieben. Bei dieser Anwendung wird das Eingangssignal el von einem Abnehmer PO geliefert, der dem Kreiselkompaß-Pendel PM zugeordnet ist. Das Eingangssignal el ist eine Spannung, deren Vorzeichen und Größe von dem Kreisel-Kippwinkel abhängen, und zwar gemäß der Beziehung:

ei = K ( Θ + ^a/g )

1 + r D

wobei K eine Maßstabskonstante ist

θ der Kreisel-Kippwinkel

Ύ die Pendelzeitkonstante

a die Nord-Süd-Beschleunigung und

g die Gravitations-Beschleunigungs-Konstante.

Wenn man annimmt, daß der Kreiselkompaß sich an Bord eines in Ruhe befindlichen Fahrzeuges befindet und der Kompaß eingeschwungen ist, d.h., in Ruhe und gebrauchsbereit, dann ist θ gleich Null und el ebenfalls gleich Null. Nun soll das Fahrzeug einer Nord-Süd oder Süd-Nord-Beschleunigung ausgesetzt sein oder einer Komponente einer derartigen Beschleunigung aufgrund beispielsweise einer Geschwindigkeitsveränderung auf geradem Kurs, einer Kurvenfahrt unter Geschwindigkeit oder einer Kombination dieser Maßnahmen.

In der Fig.4 ist die Beschleunigung als Beschleunigungssprung idealisiert und es sind beispielsweise geeignete Werte eingesetzt.

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Die Sprungbeschleunigung ist als 'a' = 0,15 m/s² während einer Minute dargestellt, äquivalent einer Nord-Süd-Geschwindigkeitsänderung von 32,41 km/h (17,5 Knoten). Die Pendelzeitkonstante ist als 0,5 Minuten dargestellt und el und e3 sind auf einer Skala von 103 mv pro Meter Sekünden dargestellt, was ebenfalls als 170 mV pro Grad Pendelneigung im eingeschwungenen Zustand geschrieben werden kann. Diese Spannungs-Skaleneinteilung ist rein willkürlich.

Beginnend mit dem Zeitpunkt t = 0, wächst el exponentiell auf den Zielwert von 150 mv an, während die Beschleunigung andauert, und e3 wächst mit konstanter Rate. Zum Zeitpunkt t = 1 Minute, verschwindet die Beschleunigung und nun fällt e3 exponentiell gegen Null ab. Zum Zeitpunkt t = 1,9 Minuten übersteigt e3 el und e3 beginnt mit der gleichen konstanten Rate abzufallen. Bei diesem Beispiel wurde die Steigung von e3 zu 11 mV pro Minute gewählt; e3 und el haben die gleiche Ruhezustands-Skaleneinteilung und eine kontinuierliche Veränderung von el mit dieser Rate (11,0 mV pro Minute) würde durch ein Pendel erzeugt werden, welches sich mit einer Geschwindigkeit von 4 Grad pro Stunde neigt. Somit sinkt e3 beginnend vom Zeitpunkt t = 1,9 Minuten mit der konstanten Geschwindigkeit ab, bis el wiederum zum Zeitpunkt t = 4,2 Minuten e3 übersteigt, und von diesem Punkt an folgt e3 der Kurve el , während el gegen Null geht. Die schraffierte Fläche unterhalb der Linie e3 ist proportional zu einer Nord-Süd-Geschwindigkeitsänderung um ungefähr 9,26 km/h (5 Knoten), was mit der originalen Beschleunigungshüllkurve von 32,41 km/h (17,5 Knoten) zu vergleichen ist.

Die Schaltung ist wirksamer, wenn für die Steigung der Linie e3 ein geringerer Wert gewählt wird, doch muß natürlich eine ausreichende Rate gewählt werden, damit der Kompaß richtig arbeiten kann.

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Im wesentlichen kann sich die Spannung c3 schnell genug verändern, um den Veränderungen von el aufgrund eines normalen Kreiselkompaß-Betriebs folgen zu können, man läßt sie sich jedoch nicht so schnell ändern, daß sie größeren Veränderungsraten von el folgen kann, welche durch die Fahrzeugbeschleunigung entstehen. Wenn das Pendel mit Anschlägen oder elektrischen Einrichtungen zur Begrenzung von el ausgerüstet ist, kann die Leistung weiterverbessert werden. Die. Fig. 5 zeigt den Fall, bei dem el auf 50 mV begrenzt wurde. Der Beschleunigungseingang entspricht dem vorhergehenden Fall, ebenso wie die Skaleneinteilung, die Pendelzeitkonstante und die Steigung von e3. In diesem Fall ist die Fläche unter e3 proportional zu einer Geschwindigkeitsveränderung von 5,556 km/h (3 Knoten). Die Geschwindigkeitsbegrenzungs-Schaltung gemäß der Erfindung kann auch zu einer Verminderung derjenigen Art von Kreiselkompaß-Fehler verwendet werden, die gewöhnlich als "Zwischenkardinaler Rollfehler" ( intercardinal rolling error ) bezeichnet werden. Bei' einem Aufbau eines Kreiselkompasses mit einer Pendelsteuerung, bei dem der Kreiselkompaß zur Schwingung um die nominelle Nord-Süd-Horizontalachse gelagert und mit einem schweren Unterteil ausgestattet ist, wird dieser Fehler durch das Schwingen des derart gelagerten Kreisels kombiniert mit der Schwingbewegung des Pendels um eine nominelle Ost-West-Horizontalachse verursacht. Eine derartige kombinierte Schwingbewegung tritt normalerweise dann auf, wenn ein Kreiselkompaß an Bord eines Schiffes verwendet wird. Wenn der Kreiselkompaß oberhalb des Rollzentrums des Schiffes angeordnet ist - wie es normalerweise der Fall ist - dann ergeben sich zyklische horizontale Beschleunigungen, die durch die Rollbewegung des Schiffes verursacht werden, und wenn es um eine Achse rollt, die nicht genau nord-südlich oder genau ost-westlich verläuft, sondern "zwischenkardinal", dann verursacht eine derartige Beschleunigung die fragliche kombinierte Schwingung, die zu einem Fehler des Kreiselkompaß führen kann. Dieser Fehler ist ungefähr proportional zu dem Produkt der beiden Schwingungsamplituden .

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Wenn das Pendel-Ausgangssignal· in einer Schaltung gemäß der Erfindung verarbeitet wird, wird die Schwingungsamplitude des Signals beträchtlich vermindert und dabei gleichermaßen dieser spezielle Fehler. Die Betriebsweise der Schaltung gemäß der Erfindung in diesem Zusammenhang wird nun weiter mit Bezug auf die Fig. 6,7 und 8 erläutert, in denen die Ausgangssignale e3 der Schaitung für entsprechende Sinus-Eingangssignale el dargestellt sind; die maximale Veränderungsrate von el ist dabei beträchtlich größer als die für das Signal e3 in jedem Fall gewählte Rate. Aus diesen drei Figuren kann ersehen werden, wie die Schaltung derartige sinusförmige Eingangssignale verarbeitet und daß:

(i) Das Ausgangssignal ist eine Trapez-Welle mit der gleichen Frequenz wie das Eingangssignal;

(ii) die Ausgangsamplitude ist fast unabhängig von der Eingangsamplitude;

(iii) die Ausgangsamplitude ist ungefähr umgekehrt proportional zur Eingangsfrequenz.

In der Praxis wird die Veränderungsrate von e3 so gewählt, daß sichergestellt ist, daß die Schaltung solche Rollsignal-Eingangssignale stark abschwächt. Die Fig. 9 ist den Fig. 6, 7 und 8 ähnlich, zeigt jedoch beispielsweise mögliche Werte. Sowohl die mV-Skala und die Zeitskala sind dreimal größer gewählt als die in Fig. 4 und 5 verwendeten. Die Steigung von e3 bleibt daher ebenso wie die Pendelzeitkonstante unverändert wie zuvor. Das Eingangssignal el weist eine Amplitude und eine Frequenz auf, die leicht von einem derartigen Pendel auf einem rollenden Schiff kommen könnte. Die Ausgangswellenform e3 folgt dann aus der Einwirkung der Schaltung auf dieses Eingangssignal el .

Die Geschwindigkeitsbegrenzungs-Schaltung der Erfindung kann auch in einem Vertikalkreisel verwendet werden. Bei einem Typ von Vertikalkreiseln mit Pendelsteuerung sind zwei Pendel zur Messung der Kippung um jeweils zueinander senkrecht stehende horizontale Achsen vorgesehen, und wenn dabei der Vertikalkreisel·

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auf einem Fahrzeug angebracht ist, dann werden beide Pendel von der Horizontalbeschleunigung dieses Fahrzeugs beeinflußt. -. Hierbei kann jeweils eine Schaltung gemäß der Erfindung für jedes Pendel zur Abschwächung der Wirkungen der Beschleunigung verwendet werden, wie es vorstehend für einen Kreiselkompaß beschrieben worden ist.

Durch die Erfindung wird also eine einfache Schaltungsvorrichtung geschaffen, die für viele Anwendungen geeignet ist und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich zur Verbesserung der Leistung eines Kreiselkompaß bezüglich seiner Empfindlichkeit gegen Beschleunigungen.

Die Schaltung kann wenigstens teilweise mit digitalen Bauteilen anstelle der vorstehend beschriebenen analogen Bauteile ausgestattet sein.

Durch die Erfindung wird also eine .elektrische Schaltungsvorrichtung mit einer integrierenden Verstärkeranordnung geschaffen, die in Abhängigkeit von einem Eingangssignal aus einem Differenzverstärker ein Schaltungs-Ausgangsignal liefert. Der Differenzverstärker empfängt an einem seiner Eingangsanschlüsse das Schaltungs-Eingangssignal und an seinem anderen Eingangsanschluß das Schaltungs-Ausgangssignal. Die Schaltung begrenzt ihr Ausgangssignal derart, daß es sich mit weniger als einer vorbestimmten Rate ändert und die Vorrichtung erweist sich insbesondere in einer Pendeleinheit eines Kreiselkompaß nützlich, wobei die Begrenzungsrate so gewählt werden kann, daß der Kompaß nicht auf durch Bewegung des Fahrzeugs oder Schiffes, auf dem der Kompaß angebracht ist, hervorgerufene Beschleunigungen anspricht.

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Leerseite

COPY

Claims

HOFFMANN · STTTJE & PA RTfTER 2834278 PATENTANWÄLTE £ DR. ING. E. HOFFAUNN (1930-197(5) · DIPL-IN G. W. EITLE . D R. RER. NAT. K. HOFFMANN · Dl PL.-ING. W. LEH N DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MD NCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE) 31 064 S.G. Brown Limited + David Langton Brook Watford, Herfordshire / England Elektrische Schaltungsvorrichtung und damit ausgestattete Pendeleinheit Patentansprüche :

1. Elektrische Schaltungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrator-Abschnitt und ein Komparator-Abschnitt vorgesehen sind, daß der Integrator-Abschnitt zur Bildung eines Ausgangssignals der Schaltung aus einem von dem Komparator-Abschnitt abgeleiteten Zwlschen-Eingangssignal ausgebildet ist und daß der Komparator-Abschnitt zum Empfang eines Eingangssignals der Schaltung und des Ausgangssignals der Schaltung verschaltet ist.

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2. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator-Abschnitt einen Verstärker und einen zugeordneten Rückkopplungs-Kondensator aufweist, und daß der Komparator-Abschnitt einen Differenzverstärker umfaßt.

3. Pendeleinheit, gekennzeichnet durch ein Pendel, ein dem Pendel zugeordnetes Aufnahme-Glied zur Lieferung eines von der Kippung der Einheit abhängigen Signals, und durch eine elektrische Schaltung zum Empfang des Aufnehmer-Signals und zur Lieferung eines Ausgangssignals, das nur diejenigen Veränderungen des Pendel-Ausgangssignals wiedergibt, die unterhalb einer vorbestimmten Rate liegen.

4. Pendeleinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Begrenzung des Wertes des Aufnehmer-Signals zur Schaffung der Begrenzungsrate des Ausgangssignals vorgesehen sind..

5. Pendeleinheit nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung einen Integrator-Abschnitt und einen Komparator-Abschnitt aufweist, daß der Integrator-Abschnitt zur Bildung des Schaltungs-Ausgangssignals aus einem von dem Komparator-Abschnitt empfangenen Signal ausgebildet ist, und daß der Komparator-Abschnitt zum Empfang sowohl des Abnehmer-Ausgangssignals und des Schaltungs-Ausgangssignals verschaltet ist.

6. Pendeleinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator-Abschnitt einen Verstärker und einen zugeordneten Rückkopplungs-Kondensator aufweist, und daß der Komparator-Abschnitt einen Differenzverstärker umfaßt.

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7. Kreiselkompaß mit einer Pendeleinheit, dadurch gekennzeichnet, daß er die Merkmale eines der vorstehenden Ansprüche 3 bis 6 aufweist.

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