DE3116359A1 - "anordnung zum daempfen eines pendels" - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Dämpfen eines mindestens in einer Ebene schwingenden Pendels, das in geodätischen Geräten zur Bestimmung kleiner Neigungen oder der Lotrichtung, zur Kompensation des Einflusses kleiner Neigungen auf die Ziellinie dient. Dabei ist das Pendel an einer Basis gelagert und nimmt beim Verändern der Basisneigung eine neue Gleichgewichtslage ein. Zur Erhöhung der Messruhe des Pendels in der jeweiligen Gleichgewichtslage sind mindestens ein Positionsdetektor, eine Steuerschaltung und ein elektrodynamischer Antrieb vorgesehen. Der elektrodynamische Antrieb wird durch vom Positionsdetektor abgegebene Signale über die Steuerschaltung in Abhängigkeit von der Messunruhe des Pendels erregt. Es sind Pendel mit geschwindigkeitsproportionalen Luft- und/oder Wirbelstromdämpfungen bekannt. Diese Dämpfungen sind dann optimal, wenn die Eigenschwingungen der Pendel gerade aperiodisch abklingen. Eine geringere Dämpfung bzw. eine stärkere Dämpfung verlängern die zur Beruhigung jedes Pendels und damit die zur Messung erforderliche Zeit, da die Messung erst nach dem Abklingen der Eigenschwingungen bzw. des allmählichen Hineingleitens des Pendels in die jeweilige Gleichgewichtslage möglich ist. Beim praktischen Gebrauch eines derartigen Pendels treten außer einmaligen, zu Eigenschwingungen anregenden Stößen auch ständige

Erregungen auf. Die dadurch erzwungenen Pendelschwingungen erreichen je nach den äußeren Ursachen beträchtliche, die Messung beeinträchtigende Amplituden, die zu Messfehlern oder zu unbrauchbaren Messungsergebnissen führen. Durch die bekannten Dämpfungen können diese störenden Pendelschwingungen nicht beseitigt werden. Weiterhin ist es bekannt, einen nordsuchenden Kreisel mit einer Initialdämpfung zu versehen, die aus einer in einem pendelnd aufgehängten Kreiselpendelgehäuse aufgehängten Dämpfungsmasse besteht. An der Dämpfungsmasse sind Stabmagnete und am Pendelgehäuse sind den Stabmagneten zugeordnete Spulen befestigt. Die Stabmagnete und die Spulen bilden elektrodynamische Antriebe, die durch von einem Positionsdetektor abgegebene Signale über eine Steuerschaltung so angesteuert werden, dass sie dem Einfluß der Messunruhe auf den Kreisel entgegenwirken. Dabei ist davon auszugehen, dass infolge von Pendelbewegungen, die dem Gehäuse von außen aufgezwungen werden, die Relativbewegung zwischen dem Gehäuse und der Dämpfungsmasse immer nur um eine Mittellage stattfinden wird. Außderdem stellt die Dämpfungsmasse eine zusätzliche Masse zum Kreiselpendel dar, für die besondere Lagerungsmittel notwendig sind. Darüber hinaus bedarf die Kreiseldämpfung spezieller und komplizierter elektronischer Regler. Schließlich ist ein Pendel bekannt, dessen Neigung mit Hilfe einer mit der Pendelschwenkachse zusammenwirkenden Drehspule der Neigung des Gerätes gleich gemacht wird. Bei Neigungsänderungen des Gerätes wird also das Pendel im gleichen Maße gedreht bis der Steuerstrom der Drehspule einen bestimmten neigungsabhängigen Wert erreicht hat. Ein Fotoempfängersystem erfasst ständig die Abweichungen des Pendels von der Gerätelage und steuert das Pendel mit Hilfe der Drehspule nach. Es ist auch möglich die Abweichungen an einem Zeigerinstrument anzuzeigen. In jedem Fall wird die Neigung des Gerätes fotoelektrisch erfasst; eine Dämpfung erfolgt nicht. Durch die Erfindung sollen die durch äußere Einflüsse bedingte Messunruhe von Kompensatorpendeln in geodätischen Geräten und die durch sie bedingten Messfehler mit einfachen und wenig aufwendigen Mitteln wesentlich verringert werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Dämpfungsanordnung eines Kompensatorpendels so zu gestalten, dass sie unabhängig von der jeweiligen Gleichgewichtslage die mit fotoelektrischen Mitteln erfasste Messunruhe auszuschalten gestattet, obwohl die Abweichungen eines geodätischen Gerätes aus der horizontalen bzw. vertikalen Vorzugsrichtung keine symmetrische Lage des Pendels zu den fotoelektrischen Mitteln ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Steuerschaltung ein Schaltungsmittel zum Aussondern und Unterdrücken des Gleichspannungsanteils aus den vom Positionsdetektor erhaltenen Signalen enthält. Weist der Positionsdetektor einen Differenzfotoempfänger auf, so muß innerhalb des Wirkungsbereiches des Kompensatorpendels das Pendel beim Schwingen alle Fotoempfänger beeinflussen. Aus der unterschiedlichen Beeinflussung der einzelnen Fotoempfänger ergeben sich Größe und Richtung für das Wirksamwerden der Steuerschaltung und des elektrodynamischen Antriebs. Jeder elektrodynamische Antrieb besteht aus einem Magnet, vorzugsweise einem Permanentmagnet, der vorteilhafterweise am Pendel befestigt ist, und einer Luftspule, die dem Permanentmagnet gegenüberliegend, an der Basis befestigt ist. Die Steuerschaltung enthält zumindest einen Verstärker, der gleichspannungsfrei, vorteilhaft mittels eines Kondensators, an die Luftspule angekoppelt ist. Dadurch wird eine Beeinflussung des Pendelnullpunktes (der senkrechten Pendelstellung bei geneigter Basis) ausgeschlossen. Das im Positionsdetektor erzeugte, der jeweiligen Pendelauslenkung proportionale Signal gelangt nach Verstärkung zur Luftspule und erregt in ihr eine Spannung, die den am Pendel befindlichen Permanentmagnet abstößt bzw. anzieht und damit der augenblicklichen Pendelauslenkung entgegenwirkt. Am günstigsten sind jeder Schwingungsebene des Pendels zwei elektrodynamische Antriebe zugeordnet. Für jedes Paar solcher Antriebe sind zwei Steuerschaltungen vorhanden. Da die Pendelregelung am
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des Pendels und des Pendelkörpers wegen der dann veränderten Phasenverhältnisse zwischen Erregung und Schwingung zur Eigenerregung neigt, kann zusätzlich eine geschwindigkeitsproportionale Dämpfung (Luft- oder Flüssigkeitsdämpfung) vorgesehen sein. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines dem Pendel nachgebildeten Reglers, der jedoch sehr aufwendig und wenig funktionssicher ist. Ein extrem langsames Erreichen der neuen Gleichgewichtslage des Kompensatorpendels, beispielsweise nach der Vorhorizontierung eines zugehörigen geodätischen Gerätes, wird dadurch vermieden, dass der elektrodynamische Antrieb erst zur Messung einschaltbar ist. Dies geschieht vorteilhaft mit einem von Hand oder automatisch bedienbaren Schalter.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Längsschnitt eines Kompensatorpendels, Fig. 2 eine erste Steuerschaltung und Fig. 3 eine zweite Steuerschaltung.

In Fig. 1 ist ein Pendel 1 mit Hilfe eines Kreuzfedergelenks 2 an einer Basis 3 aufgehängt. Am Pendel 1 können nicht dargestellte optische Elemente zur Ziellinienregelung vorgesehen sein. Ein Kolben 4 ist am Pendel 1 befestigt und bewegt sich in einem Zylinder 5 einer Luftdämpfung. Am Pendel 1 ist in der Nähe des Kreuzfedergelenks 2 ein Spiegel 6 angeordnet, der sich in einem durch einen Spalt 7 und eine Linse 8 gebildeten, durch seinen Achsstrahl 9 gekennzeichneten, von einer Lichtquelle 10 ausgehenden Strahlenbündel befindet. Vom Spiegel 6 wird das Strahlenbündel auf einen Differenzfotoempfänger 11, 12 gelenkt. Der Querschnitt des Strahlenbündels und die Größe des Differenzfotoempfängers 11, 12 sind so zu bemessen, dass innerhalb des Wirkungsbereichs des Kompensatorpendels 1 stets auf beide Elemente 11, 12 des Differenzempfängers Licht fällt. Jedoch erhalten in der Regel nicht beide Elemente 11, 12 gleich viel Licht.

Die Anordnung ist so gewählt, dass das Differenzsignal der Elemente 11, 12 im Wirkungsbereich des Kompensatorpendels seinen Ausschlag aus der Nullage im wesentlichen proportional ist. Am Pendel 1 sind diametral liegend Permanentmagnete 13, 14 befestigt, denen mit der Basis 3 verbundene Luftspulen 15, 16 zugeordnet sind. Entsprechend der Pendelbewegung werden die Spulen 15, 16 von einem Strom so durchflossen, dass die Spule (z.B. 15), auf die sich das Pendel 1 zubewegt, den zugehörigen Magneten (z.B. 13) abstößt, während die Spule 16 den Magneten 14 anzieht. Schlägt das Pendel 1 nach der anderen Seite aus, so erfolgt eine Umpolung des Stroms bzw. der Spannung. Fig. 2 stellt eine mögliche Steuerschaltung für den elektrodynamischen Antrieb dar. Mit 11, 12 sind wieder die in Differenz geschalteten Fotoelemente bezeichnet, die über Widerstände 17, 18 an einen Differenzverstärker 19 angeschlossen sind. Ein Gegenkopplungswiderstand 20 dient in bekannter Weise zum Einstellen der erforderlichen Verstärkung. Die Luftspulen 15, 16 sind über einen Kondensator 21 an den Ausgang des Differenzverstärkers 19 angeschlossen. Ein Schalter 22 dient zum Ein- und Ausschalten des elektrodynamischen Antriebs. Der Kondensator 21 verhindert, dass der Gleichspannungsanteil am Signal des Verstärkers 19, der die Information über die Gleichgewichtslage des Pendels 1 (Fig. 1) darstellt, auf die Spulen 15, 16 gelangt und ermöglicht somit die Einstellung des

Kompensatorpendels 1 in eine neue Gleichgewichtslage. Nur die im wesentlichen von der Pendelunruhe herrührenden Wechselspannungsanteile der von dem Differenzfotoempfänger 11, 12 ausgehenden Signale werden in den Luftspulen 15, 16 wirksam.

In Fig. 3 sind wieder die in Differenz geschalteten Fotoelemente 11, 12, der Differenzverstärker 19 mit dem Gegenkopplungswiderstand 20, der Kondensator 21, die Spulen 15, 16 und der Schalter 22 dargestellt. Der Differenzverstärker 19 ist wie in Fig. 2 beschaltet und über einen Kondensator 23 mit dem nicht invertierenden (+) Eingang eines zweiten Differenzverstärkers 24 verbunden. Dieser Eingang ist über einen Widerstand 25 an Massepotential gelegt. Das Gegenkopplungsnetzwerk besteht aus Widerständen 26, 27 und einem Kondensator 28, der die Gleichspannungsverstärkung des Verstärkers 24 auf Eins herabsetzt. Der Kondensator 23 trennt den Gleichspannungsanteil im Signal des Differenzfotoempfängers 11, 12, der von der Gleichgewichtslage des Pendels 1 (Fig. 1) herrührt vom Wechselspannungsanteil und hält ihn von den Spulen 15, 16 zurück. Diese Wirkungsweise hat den weiteren Vorteil, dass eine mögliche Übersättigung des Verstärkers 24 durch eine Dehorizontierung des Pendels 1 verhindert wird, weil das Gleichspannungssignal bereits abgetrennt wird, bevor die erforderliche Gesamtverstärkung erreicht wird. Bei der Steuerschaltung gemäß Fig. 3 kann der Kondensator 21 entfallen, wenn durch andere schaltungstechnische Maßnahmen, beispielsweise durch off-set-Spannungskompensation, gesichert ist, dass der Verstärker 24 keine Restgleichspannung an seinem Ausgang hat. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann für die Messung der Pendellage an Stelle des Differenzfotoempfängers ein kapazitiver, induktiver o.ä. Geber verwendet werden. Die Steuerschaltung ist entsprechend dem Geber und dem erforderlichen Arbeitsbereich veränderbar; es muß nur ein gleichspannungsfreies Ausgangssignal zur Umpolung des/der elektrodynamischen Antriebe und proportional der Pendelauslenkung aus der Nullage erzeugt werden. Die Polung der Magnete 13, 14 zueinander kann beliebig sein, es ist nur die Polung jedes Magnetes zu der ihm zugeordneten Luftspule entscheidend. Somit kann auch ein gemeinsamer Magnet für zwei Spulen oder eine gemeinsame Spule für zwei Magnete einer Schwingungsebene vorgesehen sein. Die Spulen können auch mit einem nicht ferromagnetischen Kern versehen sein. Die Spulen können auch am Pendel und die Magnete an der Basis befestigt sein. Für die Anzahl der Magnete und Spulen ist die Anzahl der Schwingungsrichtungen maßgeblich. Für jede Schwingungsrichtung muß mindestens eine Spule mit einem Magnet und einer Steuerschaltung vorgesehen sein.

Claims (3)

1. Anordnung zum Dämpfen eines mindestens in einer Ebene schwingenden Pendels, das an einer Basis gelagert ist und beim Verändern der Basisneigung eine neue Gleichgewichtslage einnimmt, wobei zur Erhöhung der Messruhe des Pendels in der jeweiligen Gleichgewichtslage ein Positionsdetektor, eine Steuerschaltung und ein elektrodynamischer Antrieb vorgesehen sind und der elektrodynamische Antrieb durch vom Positionsdetektor abgegebene Signale über die Steuerschaltung in Abhängigkeit von der Messunruhe des Pendels erregt wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerschaltung Schaltungsmittel zum Aussondern des Gleichspannungsanteils aus den vom Positionsdetektor erhaltenen Signalen enthält.

2. Anordnung gemäß Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Schaltungsmittel mindestens ein Kondensator ist.

3. Anordnung gemäß Patentanspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerschaltung einen Schalter enthält.