DE571679C - Vorrichtung, um Ausschwingungen eines nordweisenden Kreiselkompasses aus dem Meridian nachzuweisen und zu beseitigen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AIH 3. MÄRZ 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVl 571 KLASSE 42c GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 4. Juli 1930 ab

An den Kreiselkompaß für artilleristische Verwendung, z. B. für die Bestimmung des Auswanderungswinkels, werden die allerhöchsten Anforderungen an Genauigkeit gestellt. Kleine Abweichungen und Restschwingungen, die bei der Navigation meistens nicht einmal bemerkt werden, können die Messung des Auswanderungswinkels während oder bald nach größeren Kursändederungen oder anderen Manövern erschweren oder gar unmöglich machen.

Man hat darum schon seit langem Vorrichtungen vorgeschlagen welche die auf der Zusammensetzung der Winkelbewegungen des Schiffes gegen die Erde mit der Eigendrehung der Erde beruhende Fahrtkorrektur mechanisch berechnen und in der Anzeige mehr oder weniger selbsttätig berücksichtigen. Ferner ist es bekannt, zur Vermeidung der auf dem Vorhandensein einer Dämpfung des Kreiselkompasses beruhenden Restschwingungen nach Kursänderungen (vgl. B e g h i η , Annales hydrographiques, 1921) die Dämpfung vorübergehend auszuschalten. Beide Vorrichtungen verfolgen den Zweck, eine möglichst festbleibende, unveränderliche Bezugslinie für die eingangs erwähnten Messungen zu liefern. Ferner hat man versucht, diese beiden Vorrichtungen entbehrlich zu machen durch die Verwendung eines indifferenten Kreisels ohne eigene Richtkraft neben oder an Stelle eines richtkraftbegabten Kreiselkompasses. Dieser Weg bedeutet entweder eine erhebliche Komplikation oder einen technischen Rückschritt insofern, als indifferente Kreiselapparate wegen Fehlens einer eigenen Richtkraft niemals absolute Richtungen angeben können, es sei denn, daß sie dauernd durch Vergleich mit einem Kreiselkompaß, mit Sonnenpeilungen oder auf andere Weise überwacht werden.

Die vorliegende^ Erfindung bezweckt ebenfalls die Ausschaltung der durch die wechselnden Fahrtkorrekturen und durch die Dämpfung hervorgerufenen kleinen Abwanderungen der Rose eines Kreiselkompasses gegen den Meridian. Sie verwendet aber ein neues und eigenartiges Prinzip für diesen ■Zweck, das sich wie folgt darstellen läßt:

Jeder nordweisende Kreiselkompaß besitzt ohne Ausnahme Organe, welche auf Veränderungen der Schwerelinie gegen den Raum reagieren, indem sie eine Präzession des Kreiselsystems verursachen. Beim Anschütz-Krei-

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Oskar Richter in Kiel-Neumühlen und Wolf gang Otto in Kitzeberg b. Kiel.

selkompaß, der als Ausführungsbeispiel gewählt wird, ist der Schwerpunkt des schwimmenden Systems tiefer gelegt als sein Aufhängepunkt, so daß jede Elevation der N/S -Achse eine Präzession innerhalb der Horizontalebene veranlaßt, und es ist ferner eine in der N/S-Richtung mit Phasenverschiebung gegenüber der Präzessionsschwingung bewegliche Masse angeordnet, ίο welche je nach ihrer Lage zum beweglichen System ebenfalls eine Präzession, also eine Abwanderung innerhalb der Horizontalebene auslöst, die sich der erstgenannten Präzession zwecks deren Dämpfung überlagert. Sieht man von der Dauerelevation des Nordendes in nördlichen Breiten oder des Südendes in südlichen Breiten ab, was ohne Fehler geschehen kann, betrachtet man also das Verhalten des Kompasses bei der Aufstellung im Äquator, so leuchtet ein, daß der Bewegungszustand der Kreiselachse gegen den Meridian, also die Geschwindigkeit ihrer Abwanderung lediglich von der Elevation der N/S-Achse gegen den Horizont und von der Verteilung der zur Dämpfung dienenden Flüssigkeit abhängt. Ist also bei der Aufstellung im Äquator der Kreiselkompaß eingeschwungen, so ist die Elevation der N/'S-Achse gleich Null, ferner ist die Dämpfungsflüssigkeit gleichmäßig verteilt und ihr Einfluß ebenfalls gleich XuIl, so daß die Präzessionsgeschwindigkeit der Kreiselachse ebenfalls gleich Null ist. Ist dagegen das Nordende eleviert, so präzediert es im Gegen-Uhrzeigersinn. Ist keine Elevation vorhanden, aber ein Plus von Dämpfungsflüssigkeit auf der Südseite des Kreiselsystems, so erfolgt eine Präzession im Uhrzeigersinn. Geschwindigkeit und Richtung der jeweiligen Präzession hängt, abgesehen von den unveränderlichen Apparatkonstanten, lediglich von diesen beiden Größen, der Elevation und der Verteilung des Dämpfungsgewichtes ab.

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß sich diese beiden Größen, welche die Präzession bestimmen, messen lassen, und daß aus dieser Messung die Präzessionsgeschwindigkeit des Kreiselsystems gegen den Meridian hervorgeht. Die Präzessionsgeschwindigkeit ist nämlich proportional zur Elevation und dem durch das Dämpfungsgewicht ausgeübten Kippmoment. Kennt man aber die Geschwindigkeit der Präzessionsbewegung, so kann man durch Integrierung über die Zeit auch ihr Ausmaß, also die Abwanderung der N/'S-Achse von dem Meridian, ermitteln. Diese Ermittlung kann rechnerisch oder mechanisch erfolgen. Das Ergebnis wird dann erfindungsgemäß der in der üblichen no Weise gewonnenen und zu berichtigenden Kursanzeige oder Kursniederschrift des Richtsystems überlagert. Man erhält dann den berichtigten Kurs des mit dem Kreiselkompaß versehenen Fahrzeuges.

Wie dieses neue Verfahren praktisch ausgeführt werden kann, erläutert Abb. 2. Hierin bedeutet 1 das Kreiselsystem, welches frei innerhalb der Hüllkugel 2 schwimmt. Der Flüssigkeitsbehälter 3 wird in bekannter Weise (vgl. Patent 556193) um die drei Hauptachsen dem Kreiselsystem 1 richtungsgleich erhalten, so daß die obere Tragplatte 4 des Flüssigkeitsbehälters im eingeschwungenen Zustand des Kreiselkompasses horizont- und meridianfest gehalten wird. Auf der Tragplatte 4 befinden sich zwei Systeme kommunizierender Gefäße, von denen 5 und 12 durch ein verhältnismäßig weites Rohr verbunden sind, während die Gefäße 10 und 11 durch ein Rohr mit Drosselstellen oder durch So ein Kapillarrohr verbunden sind, derart, daß die Ausgleichszeit gleich der für die Dämpfungsgefäße 13 und 14 innerhalb der Kreiselkompaßkugel ι wird. In das Gefäß 5 tauchen zwei Elektroden 6 und 7, in das Gefäß 10 zwei Elektroden 8 und 9, in das Gefäß 11 zwei Elektroden 15 und 16 und in das Gefäß 12 zwei Elektroden 17 und 18 ein.

Ihre Ansicht von oben und ihr Schaltungsschema ist in Abb. 3 wiedergegeben. Eine Wechselstromquelle 19 speist zwei Wechselstrombrücken, die erste besteht aus den festen induktiven Widerständen 20 und 25 und den von der Höhe des Spiegels der leitenden Flüssigkeit in 5 und 12 abhängigen Widerständen zwischen 6 und 7 einerseits, 17 und 18 andererseits. Die zweite Wechselstrombrücke besteht aus festen induktiven Widerständen 21 und 24 und den variablen Widerständen zwischen 8 und 9 einerseits, 15 und ioo 16 andererseits. Form und Abstand der Elektroden, Leitvermögen der Flüssigkeit und die induktiven Widerstände werden so aufeinander abgestimmt, daß die erzeugten Spannungen direkt proportional der Abweichung der Flüssigkeitsspiegel von der normalen Lage werden. Diese Widerstände 20/21, 24/25 enthalten einen Eisenkern 23, der eine Sekundärspule 22 trägt. In dieser werden die Diagonalspannungen der beiden Brücken überlagert und über einen Verstärker 35 in einen Motor 26 gesandt. Die Spannung, die der Motor erhält, ist daher jederzeit der Präzessionsgeschwindigkeit proportional. Der Motor 26, dessen Geschwindigkeit der Spannung proportional ist, treibt über eine Übersetzung ins Langsame36 die Schraubenspindel nach rechts oder links herum an, also mit einer Geschwindigkeit proportional den Abweichungen der Flüssigkeitsstände in den Gefäßen 5, 10, 11 und 12. Die Aufzeichnung des Kurses erfolgt auf einem in bekannter

-Weise fortlaufenden, mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegten Papierband mittels einer Feder 29. Diese wird von einem Schneckenrad 28 getragen, das von zwei parallelen Schnecken 27 und 31 gehalten wird, mit denen es in Eingriff steht. Die Schnecke 31 trägt ein Zahnrad, das mit einem Ritzel eines Motors 32 kämmt. Dieser Motor stellt den Antriebsmotor eines bekannten Kursschreibers dar, der, vom Kreiselkompaß ferngesteuert, Umdrehungen ausführt, die der relativen Drehung zwischen Kompaßrose und Schiff proportional sind.

Die Schnecke 28 trägt ebenfalls ein Zahnrad, mit dem das Antriebsritzel 36 des Motors 26 in dauerndem Eingriff steht.

Es ist ersichtlich, daß durch dieses Differentialgetriebe die Einstellungen, welche die Feder 29 durch den Motor 26 erfährt, den-

ao jenigen Einstellungen überlagert werden, welche der Motor 32 an der Feder 29 bewirkt. Wenn die Schraubenspindel 31 stillgesetzt würde und Kursänderungen des Schiffes nicht eintreten würden, so,würde die Schreibfeder 29 .derart vom Motor 26 eingestellt werden, daß die aufgezeichnete Kurve die Abwanderung des Kreiselkompasses von dem Meridian als Funktion der Zeit angibt. Die Geschwindigkeit, die der Feder 29 erteilt wird, ist in diesem Falle nämlich der Präzessionsgeschwindigkeit proportional. Daher stellt der von ihr zurückgelegte und aus der Aufzeichnung ersichtliche Weg jeweils die erfolgte Abwanderung des Kompasses dar. Indessen steht die Schraubenspindel 31 unter dem Einfluß des Empfängermotors 32 eines an sich bekannten Kursschreibers, der seine Impulse von dem Kreiselkompaß empfängt und daher Drehungen ausführt, die denen des Schiffes oder genauer, denen des Kreiselsystems relativ zum Gehäuse um die Hochachse entsprechen. Ist der Empfängermotor 32 in Tätigkeit, so wird auf dem Papierstreifen 30 eine resultierende Kurve aufgezeichnet, welche den wahren Kurs

+5 des Schiffes wiedergibt.

Ein einfacher Versuch beweist die Richtigkeit dieser Darlegungen. Stellt man den Kreiselkompaß nämlich ortsfest auf, so daß Riehtungsänderungen nicht eintreten können, und verbindet man ihn mit dem üblichen Kursschreiber, so zeichnet dieser eine Kurve auf, die die Abwanderung des Kompasses von dem Meridian darstellt. In Abb. 1 ist diese Kurve bei α wiedergegeben. Wenn die vorstehenden Überlegungen und erläuterten Grundlagen der Erfindung richtig sind, so muß man eine genau entsprechende Aufzeichnung der Kompaßabwanderung dadurch gewinnen können, daß man die Elevation und das durch das Dämpfungsgewicht ausgeübte Moment über die Zeit integriert, und zwar etwa mittels des Motors 26 und seiner Steuerung. Der Motor 26 stellt unabhängig vom Kursschreiber eine Regisfrierfeder ein. Bei der Steuerung dieser Registrierfeder kann man dann die Richtung und das Maß ihres Ausschlages so wählen, daß die Aufzeichnung derjenigen entspricht, die mit dem Kursschreiber gewonnen ist. Ein Versuch zeigt nun in der Tat, daß die Aufzeichnung, die sich mittels des Motors 26 ergibt, der Kurve a völlig entspricht. Sie ist bei b wiedergegeben. Durch Überlagerung beider Aufzeichnungen ergibt sich die gerade Linie c, welche den wahren Kurs angibt, der ja infolge der ortsfesten Aufstellung des Kreiselkompasses eine gerade Linie darstellen muß. Die gerade Linie c erhält man also, wenn man das in Abb. 3 dargestellte Überlagerungsgerät von einem ortsfest aufgestellten Kreiselkompaß steuern läßt. Stellt man die ganze Apparatur auf einem Fahrzeug, etwa einem Schiff, auf, so gibt die Linie c dann die wahre Kursrichtung in Abhängigkeit von der Zeit wieder, und zwar befreit von den durch Eigenschwingung des Kompasses bedingten Störungen.

Die Konstruktion ist so getroffen, daß der Stand der Flüssigkeit in den Gefäßen 5 und 12 die jeweilige Elevation der resultierenden N/S-Achse des Kreiselsystems 1 darstellt, und daß proportional zur jeweiligen Elevation der Motor 26 die Schreibfeder 29 mit solcher Geschwindigkeit verschiebt, daß die Präzession der Kreiselkugel um die Vertikalachse, die über das Übertragungssystem und Empfängermotor 32 auf die Schreibfeder 29 einwirkt, kompensiert wird, damit, wie vorstehend erläutert, die Schreibfeder 29 die wahren Kursänderungen des Schiffes ohne Überlagerung der Schwingungen des Kreiselkompasses aufzeichnet. Ebenso sind die Widerstände in den Flüssigkeitsgefäßen 10 und 11 so abgestimmt, daß die Niveaudifferenzen, welche denen in den Gefäßen 13 und 14 entsprechen, eine gleich große, aber entgegengesetzte Beeinflussung der Schreibfeder 29 hervorrufen wie die Niveaudifferenzen in 13 und 14 über den Umweg über Kreiselsystem, Übertragung und Empfängermoto:D32.

Auch solche Kompaßabwanderungen, die durch eine Fahrtbeschleunigung verursacht werden, werden durch die beschriebene Einrichtung kompensiert.

Zur Betrachtung des Einflusses einer Fahrtbeschleunigung sei vorausgesetzt, daß der Kompaß vollständig eingeschwungen sei, und daß das Schiff in der N/S-Richtung eine gewisse Zeit gleichförmig beschleunigt werde, beispielsweise in Richtung des in Abb. 2 eingezeichneten Pfeiles 33. Das würde zur Folge haben, daß während der Dauer der Be-

schleunigung der Flüssigkeitsspiegel um einen der Größe der Beschleunigung entsprechenden Betrag in 5 steigt, in 12 fällt, und daß nach Aufhören der Beschleunigung die Flüssigkeit in 5 und 12 sofort in die Nullage zurückkehrt, weil ja nach wie vor die Tragplatte 4 horizontal gehalten wird. Demgemäß wird in dem Zeitpunkt, in dem das Schiff bei Beendigung der Beschleunigung eine neue jo konstante Geschwindigkeit erreicht hat, der Motor 26 nur in einer Richtung eine bestimmte Zahl von Umdrehungen gemacht haben, welche der Größe der Beschleunigung und ihrer Dauer entspricht. In anderen t5 Worten reproduziert der Motor 26 denjenigen ballistischen Ausschlag, welcher der am Ende der Beschleunigung erforderlichen Fahrtkorrektur entspricht. Diese ist in diesem Zeitpunkt vom Empfängermotor 32 des Kompasses mit entgegengesetzten Vorzeichen bereits eingestellt worden, so daß sich durch Überlagerung der durch den Motor 26 bewirkten Einstellung die berichtigte Kursanzeige ergibt. Hierbei ist vorausgesetzt, daß der Kompaß die richtige Schwingungsdauer von 84 Min. besitzt, weil dann der ballistische Ausschlag den Kompaß schwingungsfrei in seine neue Ruhelage einstellt (Grammel, Der Kreisel, 1920, S. 264). Auch in Gefäß 9 wird infolge der Beschleunigung der Flüssigkeitsspiegel etwas steigen, bei kurzdauernden Beschleunigungen aber nur einen Bruchteil der Änderung erleiden wie in Gefäß 5, weil das Verbindungsrohr zwischen 10 und 11 Drosselstellen enthält. Am Ende der Beschleunigung, d. h. bei gleichmäßiger Fahrt, wird sich das Plus in Gefäß 10 nicht sofort verlieren, sondern allmählich. Die Einwirkung hiervon auf Motor 26 entspricht genau der gegenteiligen Einwirkung des Mehrgewichtes der Dämpfungsflüssigkeit' in Gefäß 13 am Ende der Beschleunigung, d. h. dem Dämpfungsrestfehler, der also ebenfalls aus den Aufzeichnungen der Schreibfeder 29 verschwindet.

Es liegt auf der Hand, daß der Erfindungsgedanke mannigfacher Abänderungen fähig ist. So kann es genügen, wenn man nämlich während der Manöver die Dämpfung regelmäßig ausschaltet, auf die Anordnung der Gefäße 10 und 11 zu verzichten und nur die Gefäße 5 und 12 beizubehalten. Ebenso würde es in den Rahmen der Erfindung fallen, wenn die Gefäße 5 und 12 wegfallen und der Fahrtfehler durch eines der bekannten Rechengetriebe berücksichtigt wird, so daß nur durch die Gefäße 10 und 11 der Dämpfungsrestfehler beseitigt wird. Ferner können an Stelle der Flüssigkeitswiderstände in 5, io, 11 und 12 elektrische Kontakte¹ Induktivitäten oder Kapazitäten treten, die von Pendeln mit oder; ohne Nachlaufvorrichtung beeinflußt werden, und die Proportionalität zwischen Elevation und Umlaufsgeschwindigkeit des Motors 26 kann durch nichtelektrische Mittel, wie z. B. ein Reibgetriebe mit Diskusscheibe, erreicht werden. In diesen und ähnlichen Fällen bleibt der Grundgedanke der Erfindung erhalten, daß die Bewegungen der N/S-Kreiselachse noch einmal dargestellt werden, und zwar unabhängig von den Drehungen des Schiffes gegen die Hochachse und ohne Einwirkung auf die Kreisel selbst. Sie unterscheidet sich also von sämtlichen Vorschlägen, nach denen von pendelartigen Organen korrigierende oder dämpfende Kräfte auf das Kreiselsystem ausgelöst werden.

Anstatt die Angaben der Libelle 5, 12 in der oben beschriebenen Weise mechanisch auszuwerten, kann man sie mittels irgendeines geeigneten Mechanismus, beispielsweise mittels eines Planimeters über die Zeit integrieren, um die Korrekturdaten unabhängig zu gewinnen.

Claims (4)

1. ⁸5 Patentansprüche:

   i. Vorrichtung, um Ausschwingungen eines nordweisenden Kreiselkompasses aus dem Meridian nachzuweisen und aus der Anzeige durch berichtigende Überlagerung einer Korrekturgröße zu beseitigen, dadurch gekennzeichnet, daß vermittels schwerkraftempfindlicher Organe am Kompaß (z.B. S, 10, 11, 12), welche keine Rückwirkung auf die Kreisel selbst ausüben, die die Präzessionsbewegungen des Kreiselträgers auslösenden Kräfte bestimmt und zur Ermittlung der Korrekturgröße über die Zeit integriert werden.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 für Kompasse mit Dämpfung durch schwerkraftempfindliche schwingende Massen, dadurch gekennzeichnet, daß die keine Rückwirkung auf den Kreiselträger ausübenden schwerkraftempfindlichen Organe sowohl aus einem das Scheinlot anzeigenden Schwerkraftorgan (5, 12) als auch aus einem anderen Organ (10, 11) bestehen, welches mit gleicher oder ahnlicher Verzögerung wie die dämpfende Masse des Kompasses arbeitet.
3. 3. Kreiselkompaß nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schwerkraftempfindlichen, keine Rückwirkung auf den Kreiselträger ausübenden Organe (5, 10, 11, 12) ein drehbares Element, z. B. einen Motor (26), derart steuern, daß dessen Drehzahl der Geschwindigkeit der Kreiselträgerpräzession gegenüber dem Meridian proportional ist und das drehbare Element seine Bewe-

   gung dem Kursanzeiger oder Kursschreiber (31, 32) gegenläufig überlagert.
4. 4. Kreiselkompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als schwerkraftempfindliche, auf die Elevation der N/S-Achse des Kreiselsystems ansprechende und keine Rückwirkung auf den Kreiselträger ausübende Organe, eine Libelle oder ein Pendel, mit durch Flüssigkeitswiderstände gesteuerter Nachlaufvorrichtung zur Verwendung gelangen und die Kräfte bestimmen, deren Integrierung durch ein Planimeter oder ein Reibgetriebe mit Diskusscheibe erfolgt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen