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Kreiselapparat für Meßzwecke. Die Erfindung betrifft Kreiselapparate
für Meßzwecke, wie Kreiselkompasse, künstliche Horizonte o. dgl. Sie bezweckt, durch
Verminderung der Reibung die Genauigkeit der Weisung zu erhöhen, die Betriebssicherheit
durch Fortfall der beweglichen Stromzuführungen zum anzeigenden System zu verbessern
und durch einfachen Aufbau die Herstellungskosten zu ermäßigen.
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Der Kreisel oder eine Mehrzahl von Kreiseln wird in einen druckdichten
Körper eingeschlossen, der auf allen Seiten von einer Flüssigkeit umgeben ist. Gemäß
der Erfindung steht dabei kein fester Körper mit ihm in Berührung. Das Gewicht dieses
Schwimmkörpers, der am besten die Gestalt einer Kugel erhält, wird so genau wie
möglich dem Gewicht der verdrängten Tragflüssigkeit gleichgemacht, damit der restliche
Auf- oder Abtrieb verschwindend gering wird. Es ist bekannt, daß nietnals eine vollkommene
Gleichheit der beiden Gewichte, sondern nur eine Annäherung an die labile Gleichgewichtslage
zu erzielen ist. Ähnliches gilt von der Lage des Schwimmkörpers mit Bezug auf die
vertikale Mittellinie des ganzen Apparates. Auch diese Lage Mann sich in unberechenbarer
\\'eise ändern, solange keine zentrierenden Kräfte vorgesehen sind. Ein wichtiges
Merkmal der Erfindung besteht nun in der Einwirkung solcher Kräfte auf das Kreiselsystem,
daß es sowohl der Höhe nach innerhalb der Flüssigkeit vollkommen frei schweben bleibt,
als auch an willkürlichen Bewegungen in horizontaler Richtung gehindert wird. Derartig
wirkende Kräfte können auf verschiedenste Weise erzeugt werden. Entscheidend ist
immer nur, daß durch Kräfte solcher Art der druckdichte Körper in der Flüssigkeit
schwebend erhalten wird. Versuche haben ergeben, daß sich hierfür u. a. magnetische
oder elektrische Kräfte eignen. So können z. B. oberhalb und unterhalb des kugelförmigen
Schwimmkörpers Gleichstrommagnete angebracht sein, die auf den oberen und unteren
Pol
der aus Eisen bestehenden Kugel Zugkräfte ausüben. Wird dann noch eine Einrichtung
getrotien, durch welche der erregende Strom desjenigen Magneten, dem sich die Kugel
nähert, geschwächt wird, während der Strom des anderen Magneten zunimmt, so stellt
sich die Kugel in eine Mittellage ein, ohne einen derbeiden Magnete zu berühren,
während einem seitlichen Wegschwimmen der vereinte Zug beider Magnete entgegenwirkt.
Hierbei läßt sich die Stellung der Kugel mit Bezug auf die beiden Magnete auf verschiedene
`'<-'eise ermitteln Es kann eine Lichtquelle vorhanden sein, die auf lichtempfindliche
Schaltvorrichtungen wie Selenzellen wirkt, und der Schatten der Kugel kann die erforderlichen
Schaltungen auslösen. Oder es kann die Kugel von einer leitenden 1#liissigkeit umgeben
sein und am oberen und unteren Pol Stromflächen tragen, denen äht,-liche Flächen
an der Hängung gegenüberstehen. Durch eine geeignete Schaltung kann an jedem Pol
die Größe des Flüssigkeitswiderstandes und damit die Dicke der Flüssigkeitsschicht
gemessen und zur Regelung der Stromstärke der Magnete benutzt «erden.
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In Abb. i ist ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Es
bedeutet hierin i das äußere Gehäuse des Kreiselapparates, 2 die Federhängung des
Tragrings 3 und des Kardanringes 4, und 5 den mit Isolation überzogenen Flüssigkeitsbehälter,
der unten und oben die Gleichstrommagnete 6 und 7 trägt. Der aus der Batterie 8
stammende Strom gabelt sich in einen Zweig; der über die ringförmige leitende Fläche
9 durch die Flüssigkeit io in den äquatoriellen leitenden Belag ii der isolierten
Kugel 12 eintritt, nach Durchlaufen des Motors -26 die Kugel durch den oberen leitenden
Polbelag 13 verläßt, um durch die obere Stromfläche 14 den unteren Magneten
6 zu erreichen und zur Quelle 8 zurückzukehren, und in den anderen Zweig, der über
die Äquatorfläche 9, Belag ii, Motor 26, Polbelag 15 und Stromfläche 16 den oberen
Magneten 7 durchfließt. Die Schaltung läßt erkennen, daß bei einem etwaigen Aufsteigen
der Kugel 12 innerhalb der Tragflüssigkeit sich der Abstand zwischen 15 und 16 erweitert.
so daß hier ein erhöhter Übergangswiderstand entsteht, wodurch die Zugkraft des
oberen Magneten 7 abnimmt, während durch die Annäherung der Fläche 13 an 14 der
Widerstand an dieser Stelle verringert und damit die Zugkraft des unteren Magneten
6 erhöht wird. Beides dient dazu, die Kugel 12 in ihre mittlere Lage zurückzuführen.
In Wirklichkeit treten solche Bewegungen nur beim Einschalten des Stromes der Quelle
8 auf, während im Betriebe die Stellung der Kugel infolge der durch die Flüssigkeit
ausgeübten Dämpfung stationär wird und bleibt. Damit keine elektrolytischen Wirkungen
eintret<-n, wird die Stromquelle in regelmäßigen Zeitabständen umgepolt.
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An Stelle des Gleichstroms kann auch Wechselstrom zur Erhaltung der
freischwimmenden Kugel in ihrer Lage benutzt werden, indem man von der bekannten
Eigenschaft der Wechselstromspulen Gebrauch macht, daß sie bei passend gewählten
Abmessungen und Periodenzahl elektrische Leiter infolge der induzierten Wirbelströme
abstoßen. In Abb. 2 ist schematisch eine solche Anordnung im Schnitt angedeutet:
Hierin soll 12 die Kugel aus einem gutleitenden Metall, wie Kupfer oder Aluminium,
5 den Flüssigkeitsbehälter, 17, 18, 19 und 2o abstoßende Wechselstromspulen darstellen,
die von allen Seiten - Abb. 2 stellt nur eine Ebene dar - derart auf die Kugel einwirken,
daß sie sowohl nach der Höhe wie nach der Seite in der Normallage erhalten wird.
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Da das anzeigende System keinen gleichförmigen Körper darstellt, sondern
die mit Gleich- oder Wechselstrom betriebenen Kreiselmotoren enthält, so könnten
die Kraftfelder der Wechselstromspulen nach Abb. 2 unter Umständen die metallische
Wand der Kugel 12 durchdringen und kleine Drehmomente auf das System ausüben. Diese
Möglichkeit wird nach der Erfindung durch geeignete Ausgestaltung der C'G'echselstromspulen
vermieden, indem nämlich eine Art ringförmiger Topfmagnete, wie in Abb. 3 dargestellt,
verwandt werden. Hierin bedeutet i2 das anzeigende System, i7 a die ringförmige
Wicklung, deren Achse mit der Vertikalachse des anzeigenden Systems zusammenfällt,
iSh die Eisenarmierung der Spule in Gestalt eines Ringes von U-förmigem Querschnitt.
Die Kugel könnte auch im Innern Magnete tragen, die auf Eisenflächen außerhalb wirken,
oder Wechselstromspulen, die auf Metallkörper der Hängung abstoßende Kräfte ausüben.
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In allen diesen Fällen wird das sehr wichtige Resultat erzielt, daß
Parallelverschiebungen der Kugel relativ zum Flüssigkeitsbehälter unterdrückt werden,
daß aber alle Winkeldrehungen genau so ungestört und unbeeinflußt vor sich gehen,
als ob die Kugel allein und vollständig gewichtslos frei in einer Flüssigkeit schwämme.
Hierdurch unterscheidet sich diese Aufhängung grundsätzlich von allen vorbekannten
Konstruktionen, wie z. B. der Quecksilberhängung von Kreiselkompassen. Bei dieser
ist eine Zentrierung vorhanden, bei welcher ein fester Teil des Systems gegen einen
solchen der Hängung anliegt. Obgleich die hieraus entspringenden Kräfte von einer
sehr kleinen Größenordnung sind, so bedeutet ihr Fortfall doch eine wesentliche
Verbesserung, weil man bei Kreiselapparaten höchster Genauigkeit auch mit den kleinsten
Kräften rechnen muß.
Ein anderer sehr bedeutsamer Vorteil liegt
in der Möglichkeit unbeschränkter Winkeldrehungen. Es kann z. B. ein Flugzeug mit
einem Kreiselkompaß nach der Erfindung sich in der Luft überschlagen, ohne daß dabei
ein fester Körper an das anzeigende System anschlägt und die Weisung stört. Schließlich
ergibt sich der Vorteil einer überaus leichten Montage des anzeigenden Systems,
die nur noch aus dem Einlegen eines Körpers in eine Flüssigkeit besteht, innerhalb
deren er dann im Betrieb automatisch seine richtige Lage einnimmt.
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Nach der Erfindung wird, wie beschrieben, der Strom zum Antrieb der
Kreisel durch die umgebende Flüssigkeit dem anzeigenden System zugeführt, indem
von einer äußeren Stromquelle und leitenden Flächen, die mit der Flüssigkeit in
Berührung stehen, in dieser ein Potentialgefälle erzeugt wird. Die in der Flüssigkeit
schwebende Kugel erhält ebenfalls leitende Flächen, die so angeordnet sind, daß
eine möglichst große Potentialdifferenz zwischen ihnen entsteht, wodurch die Energie
der Kugel zugeführt wird. Damit dieser Arbeitsstrom einen möglichst kleinen Widerstand
findet, müssen die leitenden Flächen der Hängung und des Systems verhältnismäßig
groß sein und sich möglichst nahe gegenüberstehen. Wird Gleichstrom zum Antrieb
verwendet, so gestaltet sich demnach die Ausführung so, wie an Hand von Abb. i beschrieben.
Werden die Kreisel mit Drehstrom betrieben, so leiten die Stromflächen 11, 13 und
15 je eine Phase. In beiden Fällen wird jedoch ein Teil des Stromes direkt zwischen
den Flächen g, 14 und 16 ausgetauscht und geht dadurch für den Antrieb des Kreisels
verloren. Um diese Verluste in zulässigen Grenzen zu halten, ist es notwendig, daß
die Flüssigkeit ein nicht zu großes Leitvermögen besitzt, damit der Streustrom in
der Flüssigkeit einen hohen Widerstand findet im Vergleich zur Strombahn für den
Arbeitsstrom im anzeigenden System. Zu diesem Zweck kann das Flüssigkeitgefäß 5
zwei Schirmwände 21 und 22 aus Isolationsmaterial erhalten, wie in Abb. z1. im Schnitt
dargestellt, die an einzelnen Stellen den Querschnitt der leitenden Flüssigkeit
drosseln, ohne indessen den Schwimmkörper zu berühren. Die Aufgabe der Trennwände
21 und 22 kann von den Wechselstromspulen (Abb. 3) übernommen werden, indem man
sie mit Isolation überzieht und in nächster Nähe der Oberfläche der Kugel m anbringt.
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Nach der Erfindung wird die Eigenschaft der Flüssigkeit, den elektrischen
Strom mit einem bestimmten Widerstand zu leiten, auch noch zur Betätigung des an
sich bekannten Nachdreh- und Fernübertragungssy stems benutzt. Abb. 5, die einen
wagerechten Schnitt durch den Äquator des Kugelschwimmers und durch das Gefäß 5
der Abb. i darstellt, erläutert an einem Ausführungsbeispiel die Anwendung bei einem
Kreiselkompaß. Die bisher als Ring beschriebene Stromzuleitungsfläche g am' Gefäß
5 ist in Abb. 5 in zwei kurze Segmente 9a und gb umgewandelt, während die Äquatorfläche
ii nur einen Halbkreis umfaßt. Ferner ist in den Zweig der Leitung zwischen ga und
der Batterie 8 ein Strommesser 23 und in den Zweig zwischen gb und 8 ein Strommesser
24 eingeschaltet. Im übrigen bleibt es bei der Schaltung nach Abb. i. In der gezeichneten
Normalstellung ist der Übergangswiderstand bei ga ebenso groß wie bei gb. Tritt
aber eine Relativdrehung zwischen Schwimmer ii und Kessel 5 ein, z. B. wie in Abb.
6 angedeutet, so wird bei ga der Widerstand größer und bei gb kleiner, mit dem Erfolg,
daß bei gb mehr Strom übergeht und der Strommesser 24 den größeren Ausschlag aufweist.
Stellt man sich nun an Stelle der beiden Strommesser 23 und 24. eine Brückenschaltung
oder ein Differentialrelais vor, das den Strom eines Gegendrehmotors für das Gefäß
5 so steuert, daß beim Überwiegen des Stromes in 23 das Gefäß 5 im Uhrzeigersinne,
beim Überwiegen in 24 im Gegensinne gedreht wird, so geht aus Abb. 6 hervor, daß
der Gegendrehmotor das Gefäß so lange im UhrzeigergegEnsinn dreht, bis der Strom
in beiden Zweigen wieder gleich wird, in anderen Worten, bis die in Abb. 5 gezeichnete
Normallage wieder erreicht ist. Es wird demnach wie bei den bisher bekannten Kreiselkompaßübertragungen
der Kessel 5 allen Relativdrehungen des Systems 12 dauernd durch eine äußere Kraft
nachgeführt, wobei der Gegendrehmotor diese Drehungen auf dieEmpfangsapparate überträgt.
Der gleiche Erfolg läßt sich auf ähnliche Weise mit Wechsel- oder Drehstrom erreichen.
Die dauernde Übereinstimmung der Stellung des Kessels 5 mit dem System 12 ist deswegen
besonders vorteilhaft, weil alsdann die Weisung des Mutterkompasses an dem Kessel
abgelesen werden kann. Das System 12 braucht also weder eine Rosenteilung zu tragen
noch überhaupt irgendwie sichtbar sein. Schließlich kann die vom Kessel s angetriebene
Hauptrose eine Nebenrose mit vergrößerter Winkelgeschwindigkeit (Patentschrift 230565)
antreiben, mit dem Unterschied, daß diese Nebenrose sich nicht an einem räumlich
entfernten Empfangsapparat befindet, sondern am Mutterkompaß selbst, so daß sie
nicht durch Leitungsunter-Brechung oder Bedienungsfehler außer Tritt mit :System
12 kommen kann.
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Eine weitere Verbesserung erzielt die Erfindung dadurch, daß sie die
kardanische Hängung vom nachgedrehten System tragen läßt, z. B. sie in das Innere
des nachgedrehten Kessels 5 verlegt, wie in Abb. 7 gezeichnet.
Die
kardanische Hängung wird dann nur noch mit dem Rahmen 25 belastet, der die Lagemagnete
und Stromflächen trägt, kann also so klein und leicht wie möglich gestaltet werden.
Zwar werden dann im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen die Kardanachsen nicht
unverändert quer- und längsschiffs liegen, sondern, da sie infolge der Gegendrehung
z. B. Nordsüd und Ostwest orientiert sind, die verschiedensten Winkel zur Kursrichtung
des Schiffes einschließen können. Das ist aber für die Genauigkeit der Weisung z.
B. eines Kompasses von größter Bedeutung, weil etwaige restliche Beeinflussungen
des anzeigenden Systems durch Schaukelbewegungen des Rahmens 25 die Tendenz haben,
sich nur um die Ostwest- oder Nordsüdachse geltend zu machen, was bekanntlich keinen
Schlingerfehler hervorrufen kann im Gegensatz zu den rhythmischen Kräften um eine
Interkardinalachse. Ferner bietet die Anordnung den Vorteil, daß die durch die Schiffsbewegungen
erzeugten Eigenschwingungen des Rahmens 25 durch die Tragflüssigkeit sehr wirksam
gedämpft werden.