DE2920443A1

DE2920443A1 - Beschleunigungsmesser fuer einen einsatz zur hoehenwinkelmessung

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Publication number: DE2920443A1
Application number: DE19792920443
Authority: DE
Inventors: Klas Rudolf Dr Ing Wiklund
Original assignee: AGA AB
Current assignee: Geotronics AB
Priority date: 1978-05-31
Filing date: 1979-05-21
Publication date: 1979-12-06
Also published as: SE411687B; CH640051A5; JPS61118013U; FR2427582B1; US4277895A; SE7806294L; JPH0318888Y2; FR2427582A1; JPS5523489A

Description

PATENTANWALT DIPLrING. Hl STROHSCHÄNK

8000 MÜNCHEN 60 · MUSAUSSTRASSE 5 · TELEFON (0 89) 881608

U- 2920U3

21.5.1979-.SFSe(5) 190-1539P

Beschleunigungsmesser für einen Einsatz zur Höhenwinkelmessung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungsmesser, der. für einen Einsatz zur Höhenwinkelmessung bestimmt ist.

Bei der geometrischen Landvermessung und in der Kartographie interessieren in erster Linie der horizontale Abstand und die Höhendifferenz zwischen dem Meßinstrument einerseits und dem angemessenen Punkt anderseits. Bei der praktischen Messungsdurchführung, die heute vielfach mit Hilfe elektronischer Entfernungsmesser erfolgt, wird jedoch primär die Entfernung zwischen dem Meßinstrument und dem angemessenen Punkt bestimmt. Der horizontale Abstand und die Höhendifferenz werden dann mit Hilfe einer Multiplikation mit dem Sinus bzw. mit dem Kosinus des Höhenwinkels erhalten, auf den der Entfernungsmesser im Vergleich zu einer reinen Horizontaleinstellung eingestellt werden muß.

Bisher wird der Höhenwinkel vielfach mit Hilfe eines Theodoliten gemessen, bei dem eine genau markierte Glasskala das Anzeigeelement darstellt. Außerdem ist es bekannt, für die Gewinnung der Winkelinformation Theodolite zu verwenden, die mit Beschleunigungsmessern versehen sind, wobei anstelle einer tatsächlichen Beschleunigung die Erdanziehungskräfte ausgenutzt werden. Der Nachteil einer Verwendung von Beschleunigungsmessern in dieser Weise liegt darin, daß zum ersten Beschleunigungsmesser der für einen solchen

Zweck erforderlichen Klasse mit einem Genauigkeitsgrad von etwa CC

10 sehr kostspielige und komplizierte Geräte sind und daß zum zweiten eine Beschleunigung und nicht primär die interessierende Winkelstellung gemessen wird. Dies bedeutet, daß die Umwandlung in den Sinus oder Kosinus der Winkelstellung abhängig ist von der Größe der Erdbeschleunigung am Meßort.

Beschleunigungsmesser sind üblicherweise so aufgebaut, daß bei ihrem Einsatz eine schwere Masse entlang einer Achse linear verschoben wird. Dabei sind Versuche gemacht worden, diesen Zustand so vollkommen wie möglich zu erreichen, da meist gerade die Beschleunigung entlang einer solchen Achse gemessen werden soll. Bei übertragung dieses Meßprinzips auf Beschleunigungsmesser für die Bestimmung von Winkelstellungen in vertikaler Richtung stellt die von der nach abwärts gerichteten Erdbeschleunigung senkrecht zu einer unter einem Winkel gegen eine absolute Horizontallage eingestellten Achse ausgeübte Wirkung die Meßgröße dar.

Den bisher für einen Einsatz zur Winkelmessung gebauten genauen Beschleunigungsmessern liegt normalerweise ein Meßprinzip zugrunde, bei dem ein Kraftglied elektromagnetischer oder elektrostatischer Art eine schwere Masse in eine vorgegebene 0-Lage zurückführen muß. Das Erreichen dieser 0-Lage wird normalerweise elektromagnetisch, kapazitiv oder optisch erfaßt. Das entsprechende Fehlersignal wird dann in einem Verstärker verstärkt. Das Kraftglied wird dabei mit einem Strom solcher Größe gespeist, daß es die von der schweren Masse infolge der Erdbeschleunigung ausgeübte Kraft zum Verschwinden bringt, und der dazu erforderliche Strom wird entweder direkt gemessen oder durch die Messung des Stromes an einem mit dem Kraftglied in Serie liegenden elektrischen Widerstand indirekt erfaßt. Der auf diese Weise erhaltene Wert für den Strom oder die Spannung bildet dann ein Maß für die Beschleunigung.

Konstruktionen dieser Art sind im allgemeinen sehr kostspielig, da sie auf Bauelementen beruhen, die mit äußerst hoher Genauigkeit hergestellt werden müssen. Außerdem werden an sie sehr hohe Anfor-

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derungen hinsichtlich ihrer Stabilität und hinsichtlich ihrer Reibungsfreiheit gestellt. Die Forderung nach einer Auflösung von

CC

10 ist insoweit gleichbedeutend mit

g/64 000 = 1.6 · 10~⁵g.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie sich bei geringerem meßtechnischem Aufwand für den Beschleunigungsmesser eine verbesserte Genauigkeit für die Höhenwinkelmessung erhalten läßt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Beschleunigungsmesser, wie er im Patentanspruch 1 angegeben ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zusammenfassend läßt sich die Erfindung beschreiben als ein Beschleunigungsmesser, der mit einem um eine Achse drehbaren Pendel versehen und für eine Messung von Höhenwinkeln eingerichtet ist. Am Drehpunkt für das Pendel ist eine Dreheinrichtung vorgesehen, die vorzugsweise einen einem Drehspulinstrument analogen Aufbau aufweist und eine Magnetanordnung für die Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes und eine in diesem Magnetfeld drehbar gelagerte bewegliche Spule enthält, die auf dem Pendel angeordnet ist. Der zu bestimmende Winkel wird in der Weise gemessen, daß die Magnetanordnung ausgehend von einer Bezugslage um die Drehachse bis zu dem vorgesehenen Winkel gedreht wird, worauf der Spule ein elektrischer Strom von solcher Stärke und Polarität zugeführt wird, daß sich die Spule unter Drehung um die Drehachse auf eine vorgegebene Stellung in bezug auf die Magnetanordnung einstellt.

Die bei den bisher bekannten Beschleunigungsmessern auftretenden Schwierigkeiten werden gemäß der Erfindung weitgehend dadurch behoben, daß die schwere Masse durch eine Drehung und nicht durch eine lineare Verschiebung in eine vorgegebene Stellung gebracht wird. Der wichtigste Unterschied zwischen einem Beschleunigungsmesser des Pendeltyps in der bisherigen Ausführung und einem Be-

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schleunigungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß bisher als Rückführungsantrieb das Gewicht selbst verwendet worden ist, das am einen Ende eines Pendelanaes angeordnet ist, der an seinem anderen Ende an einem festen Punkt schwenkbar aufgehängt ist. Bei der Erfindung dagegen greift die Rückführung für das Pendel an dem Punkt an, um den das Pendel schwingt. Die Stellung des Gewichtes am freien Ende des Pendels oder die Winkelstellung des Pendels in bezug auf eine Vertikallage wird erfaßt, und eine Steuerung sorgt für eine Steuerung der Rückführung in solcher Weise, daß sich das Gewicht konstant in einer speziellen Lage relativ zu einem mechanisch festgelegten System befindet, das mit dem Gerät rotiert, dessen Winkelstellung festgestellt werden soll. Allerdings muß das Gerät immer noch hinsichtlich der von Meßort zu Meßort sich ändernden Werte für die Erdbeschleunigung kompen-

1! siert werden, die Verwendung eines drehbaren Rückführsystems sorgt jedoch für einen hohen Empfindlichkeitsgrad in bezug insbesondere auf Winkel, und genau dies entspricht den vorliegenden Erfordernissen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschau-C licht; es zeigen;

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Beschleunigungsmessers für die Höhenwinkelmessung;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform für einen solchen Beschleunigungsmesser;

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform für einen solchen Beschleunigungsmesser;

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Steuerschaltung und einer Auswerteschaltung für die Ausgabe der Meßwerte bei einem Beschleunigungsmesser für die 0 Höhenwinkelmessung.

Der in Fig. 1 dargestellte Beschleunigungsmesser hat einen einem Drehspulinstrument analogen Aufbau. Eine bewegliche Spule 1 ist drehbar zwischen zwei Magneten 2 und 3 angeordnet, die einander mit ihren Polen entgegengesetzter Polarität gegenüberstehen. Die Magne-

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te 2 und 3 sind in Fig. 1 nur schematisch dargestellt, und es versteht sich, daß insoweit zahlreiche unterschiedliche Magnetanordnungen Verwendung finden können. Der üblichste Aufbau für ein Drehspulinstrument ist der, daß die Drehspule zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten angeordnet ist, und ein derartiger Aufbau läßt sich aucl. bei einem Beschleunigungsmesser für die Höhenwinkelmessung verwenden. Die Spule 1 ist auf einen langgestreckten Kern 4 aus ferromagnetischem Material aufgewickelt. Dieser beispielsweise aus Eisen bestehende Kern 4 ist von zylindrischer Form, und die Polscbuhe der Magnete 2 und 3 zeigen eine solche Krümmung, daß der Kern 4 und jeder der Polschuhe entlang ihrer gesamten einander zugewandten Oberfläche den gleichen Abstand vonei sander aufweisen. Auf diese Weise ergibt sich ein radialgerichtet ^s homogenes Magnetfeld in dem Luftspalt zwischen dem Kern 4 und den Magneten 2 und 3.

Wie die Darstellung in Fig. 1 zeigt, ist die Spule 1 so auf den Kern 4 aufgewickelt, daß die Wicklungspole in der O-Stellung des Beschleunigungsmessers transversal zu den Polen der Magnete 2 und 3 liegen. Jede der beiden mit Wicklungswindungen versehenen Langselten des Kernes 4 liegt nahe und parallel zu den jeweiligen Magneten 2 bzw. 3.

Wiederum in Analogie zu einem Drehspulinstrument ist die bewegliche Spule 1 in Fig. 1 vorzugsweise an gespannten Bändern Γ und 6 aufgehängt, von denen jedes dieser Bänder 5 und 6 im 3entüum einer Stirnseite des Kernes 4 an der darauf aufgewickelten fpule 1 angreift, wobei diese Stirnflächen mit Wicklungswindungen versehen sind. Diese Anordnung erlaubt eine Verdrehung der Spule 1 um ihre Mittelstellung. Dagegen sollte vorzugsweise eine lineare Bewegung der Spule 1 nicht möglich sein. Statt mit Hilfe der Bänder 5 und 6 kann die Spule 1 auch in Spitzenlagern gelagert werden, und dies bietet bei dieser Ausführungsform einen gewissen Vorteil, da es schwierig ist, jede lineare Vertikalverschiebung der Spule 1 bei deren Lagerung mit Hilfe von gespannten Bändern zu verhindern. Eine derartige lineare Bewegung hat eine unmittelbare Auswirkung

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lichkeit ausgeschlossen werden. Bei einer Lagerung der Spule ι zwischen Spitzen können sich zwar Schwierigkeiten in Verbindung mit der Lagerreibung ergeben, diese Reibung läßt sich jedoch weitgehend ausschließen, indem die Spule 1 zusammen mit dem Pendel in leichte Vibration versetzt wird.

Wie die Darstellung in Fig. 1 weiter zeigt, ist an einer Stirnseite des Kernes 4 und der Spule 1 ein Pendel 7 ~angeordnet, das in das drehbare System ein gewisses Ungleichgewicht einführt, indem die Gewichtskräfte den Kern 4 mit der Spule 1 aus der strengen Horizontallage herauszuführen suchen. Das Pendel 7 weist einen relativ langen geraden Stab auf, der am einen Ende am Kern 4 mit der Spule 1 befestigt ist und dessen anderes Ende sich zu einer rechteckigen Platte 8 erweitert, die sich transversal zur Bewegungsrichtung des Pendels erstreckt und als Gewicht dient. Im Anschluß an die Platte 8 ist eine Einrichtung zur Anzeige der O-Lage für das Pendel angeordnet. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist diese Einrichtung zwei Leuchtdioden 9 und 10 auf" der einen Seite der Platte 8 und zwei Lichtdetektoren 11 und 12 auf der anderen Seite der Platte 8 auf. Wenn in der dargestellten Weise nur zwei Leuchtdioden und zwei Lichtdetektoren Verwendung finden, sollten sie so angeordnet sein, daß die Platte 8 in der O-Lage des Pendels nicht den gesamten Lichtfluß zwischen den jeweiligen Paaren aus Leuchtdioden und Lichtdetektoren abdeckt, , sondern nur einen Teil davon, wenn eine Steuerung ermöglicht werden soll.

Wenn ein mit dem Beschleunigungsmesser von Fig. 1 ausgestatteter elektronischer Entfernungsmesser vollkommen horizontal ausgerichtet ist und das Pendel 7 infolge der Schwerkraft senkrecht nach unten hängt, befindet sich die Platte 8 in der oben erwähnten Stel-0 lung, d.h. in der O-Lage des Geräts. Wenn das Gerät nun in vertikaler Richtung verdreht wird, so verdreht sich auch die O-Stellung des Geräts, während das Pendel 7 infolge der Schwerkraft weiterhin vertikal hängt, wenn nicht besondere Maßnahmen ergriffen werden.

BAD O

Dementsprechend wird der Spule 1 ein Gleichstrom von solcher Grösse und Polarität zugeführt, daß das Pendel 7 in die 0-!teilung gedreht wird. Die Größe dieses Stromes wird in Fig. 1 bestimmt durch eine Steuerschaltung 13, in der eine Verstärkung der S₁ annur.gsdifferenz zwischen den Lichtdetektoren 11 und 12 erfolgt, die ihrerseits durch den Unterschied in den auf diese Detektoren 11 und 12 auftreffenden Lichtströmen zustande kommt. Der Strom aus der Stcuerschaltung 13 wird der Spule 1 zugeführt, die dann das Pendel 7 konstant in der gewünschten O-Stellung zu halten sucht. Der Strom durch die Spule 1 stellt einen befriedigenden Näherungswert für d .e Beschleunigung in der in Frage stehenden Richtung dar, d.h. e: ist im wesentlichen proportional zu g«sinj , wobei g für iie Größe der Erdbeschleunigung am Meßort steht und *f den Auslenkungswinkel bezeichnet. Da nur die Größe dieses Winkels J von Interesse ist, bedarf es gegebenenfalls einer Kompensation hinsichtlich der Größe der Erdbeschleunigung g am jeweiligen Einsatzort des Geräts.

Die Darstellung in Fig. 1 zeigt die Magnete 2 und 3 in einer solchen Anordnung, daß das zwischen ihnen herrschende Magnetfeld be.-vertikaler Stellung des Pendels 7 im wesentlichen horizontal verläuft, wobei die O-Stellung des Beschleunigungsmessers unmittelbar unterhalb der beweglichen Spule 1 liegt und demzufolge auch die Spule 1 in dieser Stellung horizontal liegt. Wenn die Magnete 2 und 3 in dieser Weise angeordnet sind, müssen die Magnete 2 und 3 relativ stark sein, damit das magnetische Erdfeld keinen Einflul auf das Meßergebnis haben kann. Zwar ist bei dem dargestellten Aufbau das Magnetfeld in dem Luftspalt zwischen den Magneten 2 und 3 und dem Kern 4 so stark, daß das Gerät relativ unempfindlich gecanüber äußeren Magnetfeldern wird, dessen ungeachtet kommt aber zu Jiesem Magnetfeld ein von den Magneten 2 und 3 ausgehendes äußeres Magnetfeld hinzu, das einen gewissen Einfluß hat.

Eine Möglichkeit zur Vermeidung von Schwierigkeiten dieser Art ist in Fig. 2 dargestellt, wo zwei Permanentmagnete 14 und '5 so angeordnet sind, daß das zwischen ihnen herrschende Magnetfeld

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in vertikaler Richtung verläuft, wobei eine zugeordnete bewegliche Spule 16 ebenfalls eine vertikale Stellung einnimmt, wenn der Beschleunigungsmesser den Winkel 0 anzeigt. In Analogie zu dem in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist auch η Fig. 2 die Spule 16 auf einen ferromagnetisehen Kern 17 aus Weicheisen aufgewickelt, und die Anordnung der Permanentmagnete 1i und 15 und der beweglichen Spule 16 zeigt im übrigen den gleichen Aufbau wie bei der Anordnung in Fig. 1, obwohl sie dieser gegenüber um 90° verdreht ist. Es ist klar, daß auch eine schräge Stellung der K Anordnung aus Magneten und Spule denkbar ist, wenn der Beschleunigungsmesser den Winkel 0 anzeigt.

Das Pendel ist bei dem Beschleunigungsmesser von Fic . 2 von etwas anderer Bauart als das Pendel der Ausführungsform nach Fig. 1. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 weist das Pendel vertikai verlaufende Stäbe 18, 19, 20 und 21 auf, die an den beiden kurzen Seiten der Spule 16 an deren Kern 17 angebracht sind, wobei jeweils zwei dieser Stäbe an der einen und der anderen Stirnseite des Kernes 17 befestigt, beispielsweise angeklebt sind. An den der Spule 16 abgewandten Enden der Stäbe 18 bis 21 ist daran ein horizontal liegender Spiegel 22 angebracht. Unterhalb des Spiegels 22 ist eine Lichtquelle 23 angeordnet, die in der O-Stellung des Beschleunigungsmessers über ein Linsensystem 24 ein Bündel von Lichtstrahlen auf die reflektierende Oberfläche des Spiegels 22 richtet, das in lateraler Richtung genau definiert ist. Am Spiegel 22 werden die Lichtstrahlen reflektiert und über ein weiteres Linsensystem 24' zwischen zwei Lichtdetektoren 25 und 26 fokussiert« Diese beiden Lichtdetektoren 25 und 26 sind mit einer in Fig. 2 nicht eigens dargestellten Steuerschaltung verbunden, die in ihrem Aufbau der Steuerschaltung 13 von Fig. 1 entspricht und die Spule 16 in solcher Weise mit Strom speist, daß diese den Fokussierungspunkt für die Lichtstrahlen in der Mitte zwischen den Lichtdetektoren 25 und 26 hält, so daß diese beide Lichtdetektoren 25 und 26 im wesentliche! gleiche Lichtmengen von der Lichtquelle 23 erhalten.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform hat gegenüber der Aus-

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führungsform von Fig. 1 einen großen Vorteil. Wenn nämlich lie Spule 16 in Fig. 2 mit Hilfe gespannter Bänder aufgehängt i?t, es also schwierig ist, eine gewisse lineare Bewegung der Spule 16 und des Kernes 17 infolge der Erdanziehungskräfte zu verhinlern, so hat dies keinen Einfluß auf die Winkelstellung des Pendels, ca die Winkelstellung des Spiegels 22 der Erfassung und Steuerung unterliegt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau hat eine lireare Verschiebung der Spule 1 einen direkten Einfluß auf die für das Pendel eingestellte Winkelstellung. Das Meßergebnis muß dal·=r zur Berücksichtigung dieses Einflusses einer entsprechenden Kor ensation unterzogen werden.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Beschleunigungsmesser zur Höhenwinkelmessung veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform findet anstelle von Permanentmagneten ein Elektromagnet mit einem Kern 27 aus weichmagnetischem Material Verwendung, der die Form eines Hufeisens mit Polen 28 und 29 aufweist, die in ihrer Form und Lage im wesentlichen den Permanentmagneten 14 und 15 entsprechen, die bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 Verwendung finden. Auf den gekrümmten Teil des Kernes 27 des Magneten ist in Fig. 3 eine Wicklung 30 aufgebracht, die mit einem konstanten Gleichstrom V gespeist wird.

Bei dieser Ausführungsform ist die magnetische Flußdichto im Luftspalt weniger temperaturabhängig als bei Verwendung von Permanentmagneten. Außerdem ist bei dieser Ausführungsform geW' hrleistet, daß das Gerät auch bei sehr langdauerndem Einsatz ste^s die gleiche magnetische Flußdichte im Luftspalt aufweist. Bei Verwendung von Permanentmagneten läßt es sich nicht vermeiden, daß diese bei einem sehr langer.dauernden Einsatz eine gewisse Entmagnetisierung erfahren, die wiederum von Einfluß auf das Meßergebnis sein kann. Wenn eine nur geringere magnetische Flußdichte vorhancen ist, bedarf es beispielsweise in Fig. 2 eines höheren Stromes dui ch die Spule 16, um das gleiche Meßergebnis zu erhalten. Da nun aber der Strom durch die Spule 16 als Maß für die zu messende Beschleunigung dient, also die Kraft, die bei einer Verdrehung des Pendels zu

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überwinden ist, dem Sinus des Winkels τ zwischen der verdrehten Stellung des Pendels und seiner rein vertikalen Stellung proportional ist, ist es wichtig, daß die magnetische Flußdichte von einer Zeitperiode zur anderen stets die gleiche ist. Angemerkt sei allerdings, daß die Gefahr einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete sehr klein ist, so daß daher auch die in Fig. 1 und dargestellten Ausführungsformen im allgemeinen Geräte sind, die ebenso gut und ebenso genau arbeiten wie das in Fig. 3 gezeigte Gerät.

1C Das Pendel des Ausführungsbeispiels von Fig. 3 unterscheidet sich etwas von den Pendeln der beiden anderen Ausführuxigsformen nach Fig. 1 und 2. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 weist das Pendel einen Stab 31 auf, der an seinem einen Ende mit einem Gewicht 32 versehen ist. Dieser Stab 31 ist auf einer Platte 33 befestigt, die an einer Stirnseite eines Kernes 34 mit einer aufgewickelten Spule 35 angeordnet ist. Die Spule 35 und die Pole 28 und 29 des Elektromagneten sind in Analogie zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 in der Weise angeordnet, daß das Magnetfeld dazwischen vertikal verläuft. Der Stab 31, der bei horizontaler

2C Einstellung eines mit dem Beschleunigungsmesser von Fig. 3 ausgerüsteten Theodoliten eine vertikale Stellung einnimmt, ist an seiner Mitte an der Platte 33 befestigt, die ihrerseits quer zu der einen kurzen Seite der Spule 35 verläuft. Auf diese Weise erstreckt sich der Stab 31 zu beiden Seiten der Spule 35 gleich weit, und an seinen beiden Enden sind Stellungsdetektoren angeordnet, die jeweils aus paarweise einander zugeordneten Lichtquellen 36 und 38 und Lichtdetektoren 37 und 39 aufgebaut sind. Dabei sind die Lichtquelle 36 und der Lichtdetektor 37 am unteren Ende des Stabes 31 und die Lichtquelle 38 und der Lichtdetektor 39 am oberen Ende des Stabes 31 angeordnet. Wie bei den anderen Ausführungsformen drehen sich die Lagedetektoren in Fig. 3 mit, wenn der Theodolit oder der Winkelanzeiger verdreht wird. Die Lichtquellen 36 und 33 werden in analoger Weise wie die Leuchtdioden 9 und 10 des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 mit Strom versorgt, und die Lichtdetektoren 37 und

39 sind mit einer Steuerschaltung verbunden, wie dies in Fi- . 1 für die Verbindung zwischen den Lichtdetektoren 11 und 12 und der Steuerschaltung 13 gezeigt ist. Ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 wird in Fig. 3 die bewegliche Spule 35 aus der Steuerschaltung in der Weise mit Strom gespeist, daß das Per del 31 in die O-Lage gebracht wird. Wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 sorgt die Anordnung der Lichtquelle 36 und 38 und dei Lichtdetektoren 37 und 39 für eine korrekte Winkeleinstellung für das Pendel, wenn der Kern 34 mit dem Pendel an gespannten Bändern aufgehängt ist. In Fig. 3 ist allerdings eine Spitzenlagerung 33" für den Kern 34 gezeigt.

Das Schaltbild von Fig. 4 veranschaulicht eine Ausführung sform für eine Steuerschaltung für den Betrieb eines Beschleunigui ^smessers zur Höhenwinkelmessung. In der Darstellung in Fig. 4 s:ad zwei Lichtquellen 40 und 41 auf der einen Seite einer beweglichen Platte 44 unmittelbar an deren Randkanten angeordnet. Dabei entspricht in diesem Ausführungsbeispiel die Platte 44 der Platte 8 in Fig. 1. Auf der anderen Seite der Platte 44 sind in Fig. 4 zwei Lichtdetektoren 42 und 43 angeordnet, wobei der Lichtdetektor 42 für die Erfassung von von der Lichtquelle 40 kommendem Licht und der Lichtdetektor 43 für die Erfassung von von der Lichtquelle 41 kommendem Licht vorgesehen ist. Die Lichtquellen 40 und 41 und die Lichtdetektoren 42 und 43 sind so unmittelbar am Rande der Flatte 44 angeordnet, daß ein Teil des Lichtes jeder der beiden Licatquellen. 40 und 41 für den jeweils zugeordneten Lichtdetektor 42 dzw. 43 durch die Platte 44 abgeschirmt wird. Auf diese Weise erfassen die Detektoren 42 und 43 nicht das gesamte von der jeweiligen Lichtquelle 40 bzw. 41 kommende Licht, sondern sie erhalten mehr oder weniger Licht, wenn sich die Platte 44 bewegt. Mit den Lichtdete stören 42 und 43 steht eine Steuerschaltung in Verbindung, die dürr ι Zufuhr eines elektrischen Stromes von geeigneter Größe und Polarität zur Spule 45 des Beschleunigungsmessers die Platte 44 in eir.er solchen Stellung zu halten sucht, daß die von der Lichtquelle 4D zum Lichtdetektor 42 gelangende Lichtmenge in etwa gleich der Lichtmenge ist, die von der Lichtquelle 41 zum Lichtdetektor 43 gelangt.

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Die Lichtdetektoren 42 und 43 sind in Fig. 4 in Serie geschaltet, und sie sind jeweils mit einem Ende an die Pole einer Spannungsquelle +V₁ ,-V.. angeschlossen. An den Verbindungspunkt zwischen den Lichtdetektoren 42 und 43 ist der negative Eingang eines Opera- [< tionsverstärkers 46 angeschlossen, der von seinem Ausgang auf seinen positiven Eingang so rückgekoppelt ist, daß seine Verstärkung den Wert 1 aufweist. Der Operationsverstärker 46 bewiri t eine Impedanzwandlung und verhindert auf diese Weise eine Belastung der Lichtdetektoren 42 und 43 durch die anschließenden Schaltungsstu-1C fen.

An den Ausgang des Operationsverstärkers 46 ist eine Verstärkerstufe angeschlossen, die einen zur Erzielung hoher Verstärkung gekoppelten Operationsverstärker 47 enthält und mit einer. Servofilter vom Phasenleitungstyp versehen ist. Dieses Servofilter weist zwei

1Ξ Zweige auf, von denen jeder einen Widerstand 48 bzw. 49 enthält, dem eine Serienschaltung aus jeweils einem Kondensator 50 bzw. 52 und einem Widerstand 51 bzw. 53 parallel liegt. Der eine dieser Zweige liegt zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 46 und dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 47, während der andere Zweig die Verbindung zwischen dem negativen Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 47 darstellt. An den Ausgang des Operationsverstärkers 47 ist eine Serienschaltung aus einer .beweglichen Spule 45 und einem Widerstand 56 angeschlossen. An seinem der Spule 45 fernen Ende ist der Widerstand 56 geerdet. Ebenso ist der positive Eingang des Operationsverstärkers 47 geerdet, während der Operationsverstärker 47 als solcher mit Strom aus der Spannungsquelle +V₁,-V₁ gespeist wird. Auf diese Weise verstärkt der Operationsverstärker 47 Spannungsdifferenzen zwischen Erde und der ar seinem negativen Eingang anliegenden Spannung. Diese stark verstärkte Spannungsdifferenz wird an die Serienschaltung aus der Spule 45 und dem Widerstand 56 angelegt. Je nach dem, ob es sich bei dieser Spannungsdifferenz um eine Abweichung im positiven oder im negativen Sinne handelt, sucht die Spule 45 die Platte 44 in Fig. 4 nach unten oder nach oben zu bewegen. Der Verbindungspunkt zwischen der Spule 45 und dem Widerstand 56 steht außerdem über einen Widerstand 54 mit dem

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Mittelabgriff eines Potentiometers 55 in Verbindung, das eiie analoge Korrektur des in Form des Stromes durch die Spule 45 e :haltenen Winkelmaßes gestattet.

Mit strichpunktierten bzw. gestrichelten Linien sind in Fig. 4 weiter der Anschluß einer Wechselspannungsquelle 57 mit einer Ausgangsspannung v- und einer Frequenz f_ parallel zur Spule 45 und die Einfügung eines Bandsperrfilters 58 zwischen den Lichtd' tektoren 42 und 43 einerseits und dem Operationsverstärker 46 anderseits veranschaulicht. Die Wechselspannung v, hat eine solche Amplitude und Frequenz, daß die Spule 45 zusammen mit der Platte 44 in leichte Vibration versetzt wird, was die Empfindlichkeit des Geräts erhöht und die statische Reibung bei der Einstellung des Geräts ausschließt, die insbesondere bei einer Lagerung der Spule« 45 in einem Spitzenlftge/r . einen gewissen Einfluß auf das Meßergebnis haben kann. Zusätzlich ist die Platte 44 sehr genau zwischen den Lichtquellen 40 und 41 und den zugeordneten Lichtdetektoren 42 und 43 eingestellt. Wenn die Platte 44 vibriert, entsteht an den Detektoren 42 und 43 eine Wechselspannung mit der Frequenz f,, ä:. e durch das Bandsperrfilter 58 aus dem Meßsignal herausgefiltert wird, so daß sie die weiteren Teile der Steuerschaltung nicht mehr beeinflussen kann.

über den Widerstand 56 ist ein Analog/Digital-Wandler 59 angeschlossen. Das digitale Ausgangssignal dieses Wandlers 59 wird dem Eingang eines Mikroprozessors 60 zugeführt. In der Darstellung in Fig. 4 sind bestimmte Teile des Mikroprozessors, wie z.B. zwei Festwertspeicher 63 und 64, ungeachtet ihrer Zugehörigkeit zu dem Mikroprozessor 60 gesondert dargestellt, da sie Besonderheiten für einen Beschleunxgungsmesser gemäß der Erfindung sind. Das von dem Wandler 59 abgegebene Signal ist nicht völlig repräsentativ für den zu messenden Winkel, sondern es bedarf der Korrektur in verschiedener Weise. Da insbesondere die Umgebungstemperatur die Detektoren, das Magnetfeld und die Pendellänge beeinflußt, ist in Fig. 4 zunächst ein Sensor 61 für die Temperatur vorgesehen. Dessen analoges Ausgangssignal wird einem Analog/Digital-Wandler 62

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zugeführt, dessen digitales Ausgangssignal auf den Adressiereingang des Festwertspeichers 63 gegeben wird. An jeder Adresse ist in den Speicher 63 ein Korrekturwert eingeschrieben, der spezifisch ist für die jeweilige Temperatur. Dieser Korrekturwert wird dem Mikroprozessor 60 an einem zweiten Eingang zugeführt. Mit einem dritten Eingang des Mikroprozessors 60 ist der Festwertspeicher verbunden, in dem spezifische Korrekturwerte gespeichert sind, die für die einzelnen Beschleunigungsmesser bei deren Herstellung durch genaue Eichung mit einem Bezugsgerät erhalten werden können. Insbesondere dann, wenn die bewegliche Spule des Beschleunigungsmessers mit Hilfe gespannter Bänder gelagert ist, kana über den Festwertspeicher 64 eine bestimmte Korrektur für den Ausgleich einer linearen Verschiebung der Spule 45 in der Richtung der Beschleunigung in den Mikroprozessor 60 eingeführt werden. Wie bereits erwähnt, führt eine solche Verschiebung zu einem kleinen Fehler im Ausgangssignal, das nicht völlig mit der Beschleunigung zusammenfällt, da das Pendel dann nicht genau in der vorgesehenen Winkellage liegt. Dieser Fehler bedarf der Korrektur, und die Korrekturwerte hierfür sind in dem Festwertspeicher 64 in solcher Weise ge- speichert, daß sich die Korrektur bis zu der geforderten spezifischen Genauigkeit vornehmen läßt.

Eine weitere Möglichkeit für eine Korrektur der Ergebnisgenauigkeit ergibt sich in Fig. 4 durch ein Korrekturglied 65, über das sich eine analoge Korrektur des Geräts beispielsweise durch eine manuelle Einstellung der Anzeige des Geräts auf einen bekannten eingestellten Winkelwert, eine Messung der Erdbeschleuni jung am Meßort und andere spezifische Korrekturvariable in das Ergebnis einführen lassen. Das Korrekturglied 65 speist den entsprechenden Korrekturwert, der durch eine Bedienungsperson oder eine getrennte Automatikeinrichtung eingestellt werden kann, über einen vierten Eingang in den Mikroprozessor 60 ein. Das digital arbeitende Korrekturglied 65 ist allerdings nicht unbedingt erforderlich, an seiner Stelle kann auch die Kombination aus dem Potentiometer 55 und dem Widerstand 54 als analoges Korrekturglied eingesetzt werden.

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Der Mikroprozessor 60 berechnet anhand der ihm aus dom Analog/ Digital-Wandler 59 und dem Festwertspeicher 63 zugeführten Information uad gegebenenfalls der Korrekturwerte aus dem Korrekturglied 65 den interessierenden Winkelwert und gibt diesen berechneten Winkelwert in digitaler Form an seinem Ausgang ab. Der berechnete Winkelwert wird als Adresse für eine Speicherzelle in dem Festwertspeicher 64 verwendet, in dem ein Korrekturwert für diesen speziellen berechneten Winkelwert eingeschrieben ist. Dieser Winkelwert wird in den Mikroprozessor 60 eingespeist, der den zuvor berechneten Wert anhand dieses Koirrekturwertes korrigiert. Anschließend hieran gibt der Mikroprozessor 60 eine korrigierte Darstellung für den Winkalwert ab, die dem tatsächlichen Winkelwert, dessen Sinus, dessen Kosinus oder sonst einer geeigneten trigonometrischen Funktior davon entsprechen kann. Die berechneten Werte können auch zeitweilig im Mikroprozessor 60 gespeichert werden, um in Berechnungen für horizontale und vertikale Abstände Verwendung zu finden, die der Mikroprozessor 60 ebenfalls durchzuführen vermag, sobald die Entfernung zu einem angemessenen Punkt bestimmt ist und der entsprechende Wert in den Mikroprozessor 60 eingespeist ist.

An den oben beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen lassen sich im Rahmen der Erfindung zahlrBiene Abwandlungen vornehmen, ohne den Bereich der Erfindung zu ve blassen. Insbesondere sei angemerkt, daß das Blockschaltbild und die jeitungsführung in Fig. 4 nur ein mögliches Ausführungsbeispiel für eine für den Betrieb eines Beschleunigungsmessers gemäß der Erfindung geeignete Steuerschaltung wiedergeben und daß eine solche Steuerschaltung sehr viele verschiedene Ausführungsformen aufweisen kann·

Patentansprüche

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Leerseite

Claims

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21.5.1979-SFSe<5) 190-1539P

{ 1 .J Beschleunigungsmesser für einen Einsatz zur Höhenwinkelmessung mit einem um eine Achse drehbaren Pendel, das an seinem freien Ende mit einem Gewicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Pendel (z.B. 7, 8) an seiner Drehachse (z.B. 5, 6) mit einer Dreheinrichtung (z.B.·' 1, 2, 3) versehen ist, die das Pendel unter Steuerung durch eine Steuereinrichtung (z.B. 13) ausgehend von einer vertikalen Bezugslaxfe in eine zu messende Winkellage bringt, und daß eine der für dies Drehung des Pendels in die zu messende Winkellage erforderlichen Kraft proportionale Grösse ein Maß für im wesentlichen den Sinus des Drehwinke3s (T) für das Pendel bildet.
2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreheinrichtung für das Pendel (z.B.. 7, 8) nach Art eines Drehspulinstruments gebaut ist, wobei das Pendel mechanisch fest mit einer beweglichen Spule (z.B. 1) verbunden ist, die drehbar in einem von einer Magnetanordnung (z.B. 2, 3)'erzeugten konstanten Magnetfeld angeordnet ist, und daß die Steuereinrichtung (z.B. 13) die bewegliche Spule mit einem elektrischen· Strom von solcher Polarität und Stärke speist, daß das Pendel ausgehend von einer Vertikalen eine im wesentlichen der zu messenden Winkellage entsprechende Neigung einnimmt, wobei der Strom durch die Spule für den Drehwinkel (ψ) repräsentativ ist.
3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einstellung auf die zu messende Winkellage die Magnetanordnung (z.B. 2, 3) um die Drehachse (z.B. 5, 6) für das Pendel

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(z.B. 7, 8) drehbar ist und daß die Magnetanordnung und die Spule (z.B. 1) so ausgerichtet sind, daß bei in die zu messende Winkellage geneigtem Pendel das magnetisierende Feld der Spule im wesentlichen senkrecht zu dem von der Magnetanordnung erzeugten Magnetfeld gerichtet ist.
4. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erfassung der Winkellage des Pendels (z.B. 7, 8) in bezug auf eine Vertikalstellung ein mit der Steuereinrichtung (z.B. 13) verbundener Detektor (z.B. 9 bis 12) optischer, elektrostatischer oder magnetischer Art in einem vort sgebenen Abstand von der Drehachse (z.B. 5, 6) für das Pendel angeordnet ist, der sich um diese Drehachse in die zu messende Winkeil, ige verdrehen läßt, und daß das Pendel in eine vorgegebene Stellung relativ zum Detektor einstellbar ist.
5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (9 bis 12) die Stellung eines vorgegebenen Teils (8) des Pendels (7, 8) erfaßt (Fig. 1).
6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (23 bis 26; 36, 37) den Neigungswinkel des Pendels (18 bis 22; 31, 32) erfaßt (Fig. 2, 3).
7. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Spule (1) an einem gespanrten Band (5, 6) aufgehängt ist.
8. B3schleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Spule (1) zwischen Spitzen gelagert ist und daß dem ihr von der Steuereinrichtung (13) zugeführten Strom ein sie zusammen mit dem Pendel (7, 8) in leichte Vibration versetzender Wechselstrom überlagert ist.
9. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch

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gekennzeichnet, daß für die Umwandlung der das Maß für den Drehwinkel (¹^P) des Pendels (z.B. 7, 8) bildenden Größe ein Wandler (59) vorgesehen ist, der daraus ein elektrisches Digitalsignal gewinnt und dieses einem Rechner (60) zuführt, der daraus und aus ihm von einer ersten Korrekturstufe (64) mit für spezielle Signalwerte gespeicherten Korrekturwerten und/oder einer durch eir.en Sensor (61) gesteuerten zweiten Korrektur stufe (63) für die lJoga.be spezieller Korrekturwerte in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zugeführten Signalen den wahren Winkelwert und eine oder mehrere 1t! trigonometrische Funktionen davon berechnet.
10. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Steuereinrichtung (z.B. 13) ein Korrekturglied (54, 55; 65) analogen oder digitalen Typs für eine einstellbare Verschiebung des für den Strom durch die bewegliche Spule (z.B. 1) angezeigten Wertes gekoppelt ist.

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