DE2834278C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pendeleinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die einem Kreiselkompaß bzw. einem Vertikalkreisel zugeordnet sein kann.

Die Funktion einer derartigen Pendeleinheit kann gestört werden, wenn der Kreiselkompaß bzw. Vertikalkreisel von auftretenden Beschleunigungen des tragenden Fahrzeugs beeinflußt wird.

Aus der US-PS 26 63 088 ist bekannt, daß eine Vorrichtung zur Verminderung der Empfindlichkeit einer Pendeleinheit gegen auftretende Beschleunigungen benutzt werden kann, wobei die Geschwindigkeit des tragenden Fahrzeugs über ein bodenberührendes Rad erfaßt werden muß. Diese bekannte Pendeleinheit weist den Nachteil auf, daß die Anwendung auf Verkehrsmittel beschränkt wird, bei denen die Geschwindigkeit gemessen werden kann.

Eine weitere Pendeleinheit ist aus der US-PS 30 47 962 bekannt, die eine Vorrichtung zur Verminderung der Empfindlichkeit einer Pendeleinheit gegen auftretende Beschleunigungen aufweist. Diese Vorrichtung enthält einen Flüssigkeitsdämpfer, der zu einer Verlangsamung der Reaktionszeit der Pendeleinheit führt. Eine Messung der Geschwindigkeit des tragenden Verkehrsmittels wird auch benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pendeleinheit zu schaffen, die die Empfindlichkeit eines Pendelsignales gegen auftretende Beschleunigungen durch eine einfache Vorrichtung vermindert. Die Geschwindigkeit des tragenden Verkehrsmittels braucht nicht gemessen zu werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Pendeleinheit gelöst, die gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch eine elektrische Schaltung mit einem Integrator und einem Komparator, wobei der Integrator das Schaltungs-Ausgangssignal liefert und der Komparator das Schaltungs-Ausgangssignal und das Abnehmer-Ausgangssignal aufnimmt, so daß das Schaltungs-Ausgangssignal nur unterhalb einer meßtechnisch vorgegebenen Änderungs-Rate des Abnehmer-Ausgangssignals liegende Änderungen desselben darstellt.

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 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 Kurzänderung 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. 1 schematisch eine Pendeleinheit gemäß der Erfindung und

Fig.2-9 die Ausgangssignale der Schaltung der Pendeleinheit in Ahängigkeit von dem jeweiligen Eingangssignal.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltungsvorrichtung der Erfindung umfaßt einen ersten Verstärker A 1 mit zwei Eingangsanschlüssen, von denen einer den Eingangsanschluß der Vorrichtung darstellt. Der Ausgangsanschluß des Verstärkers A 1 ist über einen Wiederstand R mit dem Eingangsanschluß eines zweiten Verstärkers A 2 verbunden. Ein Kondensator C ist über den Verstärker A 2 angeschlossen, dessen Ausgangsanschluß den Ausgang der Vorrichtung darstellt. Der Ausgang des Verstärkers A 2 ist mit dem anderen Eingangsanschluß des Verstärkers A 1 verbunden.

Wenn eine Spannung e 1 an den Eingangsanschluß der Vorrichtung angelegt wird, liefert der Verstärker A 1 ein Ausgangssignal e 2 an den Verstärker A 2, der wegen des Kondensators C als Integrator wirkt. Da das Ausgangssignal des Verstärkers A 2 an den Verstärker A 1 zurückgeführt ist, ergibt sich die Funktion eines Komparators.

Das Ausgangssignal e 2 des Verstärkers A 1 schaltet zwischen +E und -E, wobei E eine Konstante ist und das Vorzeichen von E von dem Vorzeichen (e 1-e 3) abhängt. Der Verstärker A 1 kann einen hohen Verstärkungsfaktor und ein sehr schnelles Ansprechverhalten haben, so daß die Hysterese und die Zeitverzögerung extrem klein sind. Da er Verstärker A 2 als ein Integrator wirkt, gilt

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

in Abhängigkeit von dem Vorzeichen von (e 1-e 3). Somit verändert sich e 3 immer mit dieser Geschwindigkeit; es kann weder gleichförmig sein, noch kann es sich mit irgendeiner anderen Rate verändern.

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

Die Fig. 2 zeigt das Ausgangssignal e 3 für ein konstantes Eingangssignal e 1. Der Komparator-Abschnitt der Schaltung schaltet kontinuierlich auf und ab, lädt und entlädt dabei den Integrator-Abschnitt, so daß e 3 eine Trapez-Welle mit einem mittleren Wert von e 1 ist.

Die Fig. 3 zeigt eine sprunghafte Veränderung in e 1 zum Zeitpunkt t=0. Für die Zeit vor t=0, gilt e 1=0, und e 3 hat einen mittleren Wert von 0. Nach dem Zeitpunkt t=0, gilt e 1=A Volt und e 3 wächst mit einer konstanten Steigung

bis e 3=e 1 wird; danach verbleibt e 3 auf einem mittleren 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, wenn die Pendeleinheit einem Kreiselkompaß benutzt wird, ist nachstehend mit Bezug auf die Fig. 1, 4 und 5 beschrieben. Bei dieser Anwendung wird das Eingangssignal e 1 von einem Abnehmer PO geliefert, der dem Kreiselkompaß-Pendel PM zugeordnet ist. Das Eingangssignal e 1 ist eine Spannung, deren Vorzeichen und Größe von dem Kreisel-Kippwinkel abhängen, und zwar gemäß der Beziehung:

wobei K eine Maßstabskonstante ist

R der Kreisel-Kippwinkel T 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 R gleich Null und e 1 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.

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 e 1 und e 3 sind auf einer Skala von 103 mV pro Meter Sekunden^-2 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 e 1 exponentiell auf den Zielwert von 150 mV an, während die Beschleunigung andauert, und e 3 wächst mit konstanter Rate. Zum Zeitpunkt t=1 Minute, verschwindet die Beschleunigung, und nun fällt e 3 exponentiell gegen Null ab. Zum Zeitpunkt t=1,9 Minuten übersteigt e 3 e 1, und e 3 beginnt mit der gleichen konstanten Rate abzufallen. Bei diesem Beispiel wurde die Steigung von e 3 zu 11 mV pro Minute gewählt; e 3 und e 1 haben die gleiche Ruhezustands-Skaleneinteilung, und eine kontinuierliche Veränderung von e 1 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 e 3 beginnend vom Zeitpunkt t=1,9 Minuten mit der konstanten Geschwindigkeit ab, bis e 1 wiederum zum Zeitpunkt t=4,2 Minuten e 3 übersteigt, und von diesem Punkt an folgt e 3 der Kurve e 1, während e 1 gegen Null geht. Die schraffierte Fläche unterhalb der Linie e 3 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 e 3 ein geringer Wert gewählt wird, doch muß natürlich eine ausreichende Rate gewählt werden, damit der Kompaß richtig arbeiten kann.

Im wesentlichen kann sich die Spannung e 3 schnell genug verändern, um den Veränderungen von e 1 aufgrund eines normalen Kreiselkompaß-Betriebs folgen zu können, man läßt sie sich jedoch nicht so schnell ändern, daß sie größeren Veränderungsraten von e 1 folgen kann, welche durch die Fahrzeugbeschleunigung entstehen. Wenn das Pendel mit Anschlägen oder elektrischen Einrichtungen zur Begrenzung von e 1 ausgerüstet ist, kann die Leistung weiter verbessert werden. Die Fig. 5 zeigt den Fall, bei dem e 1 auf 50 mV begrenzt wurde. Der Beschleunigungseingang entspricht dem vorhergehenden Fall, ebenso wie die Skaleneinteilung, die Pendelzeitkonstante und die Steigung von e 3. In diesem Fall ist die Fläche unter e 3 proportional zu einer Geschwindigkeitsveränderung von 5,556 km/h (3 Knoten). Die Pendeleinheit 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.

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 Pendeleinheit gemäß der Erfindung in diesem Zusammenhang wird nun weiter mit Bezug auf die Fig. 6, 7 und 8 erläutert, in denen die Ausgangssignale e 3 der Schaltung für entsprechende Sinus- Eingangssignale e 1 dargestellt sind; die maximale Veränderungsrate von e 1 ist dabei beträchtlich größer als die für das Signal e 3 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 e 3 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 e 3 bleibt daher ebenso wie die Pendelzeitkonstante unverändert wie zuvor. Das Eingangssignal e 1 weist eine Amplitude und eine Frequenz auf, die leicht von einem derartigen Pendel auf einem rollenden Schiff kommen könnte. Die Ausgangswellenform e 3 folgt dann aus der Einwirkung der Schaltung auf dieses Eingangssignal e 1.

Die Pendeleinheit 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 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.

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

Durch die Erfindung wird also eine Pendeleinheit mit einer elektrischen Schaltungsvorrichtung mit einer integrierenden Verstärkeranordnung geschaffen, die in Abhängigkeit von einem Eingangssignal aus einem Differenzverstärker ein Schaltungs-Ausgangssignal 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.

Claims (6)

1. Pendeleinheit mit einem Pendel und einem dem Pendel zugeordneten Abnehmer, welcher abhängig von Verschiebungen des Pendels im Ansprechen auf Einflüsse außerhalb der Einheit ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, mit einer mit dem Abnehmer zum Aufnehmen des Abnehmerausgangssignals verbundenen elektrischen Schaltung, die ein Schaltungs-Ausgangssignal liefert, welches selektiv nur bestimmte Änderungen in dem Abnehmer-Ausgangssignal darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung einen Integrator und einen Komparator aufweist, daß der Integrator das Schaltungs-Ausgangssignal liefert und daß der Komparator das Schaltungs-Ausgangssignal und das Abnehmer-Ausgangssignal aufnimmt, so daß das Schaltungs-Ausgangssignal nur unterhalb einer meßtechnisch vorgegebenen Änderungs-Rate des Abnehmer-Ausgangssignals liegende Änderungen desselben darstellt.

2. Pendeleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zwischen dem Abnehmer und dem Komparator arbeitende Signalbegrenzungsmittel aufweist.

3. Pendeleinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator einen Verstärker und einen mit diesem in Rückkopplungsbeziehung verbundenen Kondensator umfaßt, und daß der Komparator einen Differenzverstärker umfaßt.

4. Pendeleinheit nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Anschläge zum Begrenzen der Verschiebung des Pendels.

5. Kreiselkompaß, gekennzeichnet durch eine Pendeleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

6. Vertikalkreisel, dadurch gekennzeichnet, daß er Pendeleinheiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist, welche zum Messen der Kippung um entsprechende zueinander senkrecht stehende horizontale Achsen angeordnet sind.