DE666594C - Verfahren und Einrichtungen zum Ausschalten stoerender Einwirkungen der Vertikalkomponente des erdmagnetischen Feldes auf Kompasse, Erdinduktoren u. dgl. - Google Patents

Description

• Verfahren und Einrichtungen zum Ausschalten störender Einwirkungen der Vertikalkomponente des erdmagnetischen Feldes auf Kompasse, Erdinduktoren u. dgl. Die Erfindung betrifft ein Verfahren uni Einrichtungen zur Vermeidung störender Einwirkungen der Vertikalkomponente des erdmagnetischen Feldes bei solchen Richtungs-bzw. Kursanzeigevorriehtungen, deren Anzeige durch die Richtung der Horizontalkomponente des erdmagnetischen Feldes bestimmt sein. soll. Bekanntlich müssen bei Fahrzeugen, insbesondere bei Schiffen und Flugzeugen, deren Neigung gegenüber dem Horizont veränderlich ist, besondere Vorkehrungen getroffen werden, um das Auftreten einer von der Vertikalkomponente des Erdfeldes (die im folgenden kurz H"-Komponente genannt werden möge, im Gegensatz zur Horizontalkomponente H") abhängigen Richtkraftkomponente beispielsweise in der Rosenebene eines Kompasses zu verhindern. Bei langsamen Schwankungen der Neigung kann dies beispielsweise durch kardanisch pendelnde Aufhängung des gesamten Kompasses geschehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ,an einem Kompaß oder Erdinduktor mit starr mit dem Fahrzeug verbundener Achse ein Gegenfeld von der Größe der H"-Komponente zu erzeugen und die dieses Gegenfeld erzeugenden Elemente (Permanentmagnete, elektrische Spulen ü. dgl.) kardanisch pendelnd aufzuhängen.
• Diese bekannten Einrichtungen haben dann große Nachteile, wenn das Richtungsanzeigeinstrument in einem Teil des Fahrzeuges untergebracht werden soll, welcher verhältnismäßig heftigen Beschleunigungsstößen ausgesetzt ist. Praktisch ist dieser Fall gerade bei Schiffen und Flugzeugen sehr häufig gegeben, da der mit Rücksicht auf die Metallmassen dieser Fahrzeuge magnetisch günstigste .Aufstellungsort zumeist vom Metazentrum des Fahrzeuges recht weit entfernt liegt. In solchen Fällen kann nur unter Schwierigkeiten und verhältnismäßig großem Aufwand von Dämpfungsmitteln u. dgl. verhindert werden, daß die kardanisch aufgehängte Einrichtung infolge der 'unvermeidlichen Beschleunigungsstöße in Pendelungen gerät und so zu Schwankungen der Richtungsanzeige, in ernsten Fällen unter Ur ständen sogar zu dem berüchtigten Laue, des Kompasses führt. '-3 Die Erfindung zeigt einen Weg zur Vermeidung all dieser Nachteile und erlaubt damit eine viel weitergehende Freizügigkeit hinsichtlich der Aufstellung es Kompasses bzw. Erdinduktors mit Rücksicht auf die magnetischen Verhältnisse, z. B. im Schwanz von Flugzeugen oder in beliebiger Höhe am Mast von Schiffen, wo er den Einwirkungen der Metallmassen soweit wie möglich entzogen ist. Gemäß der Erfindung wird nur die jeweils in die Ebene der Kompaßrose bzw. in ,die Ebene senkrecht zur Achse des Erdinduktors fallende Teilkomponente des erdmagnetischen Vertikalfeldes, und zwar unmittelbar in der Ebene der Kompaßrosey kompensiert. Die zur Bildung des Kompensationsfeldes notwendigen Richtgrößen werden dabei außerhalb des Kompaßkörperserzeugt, vorzugsweise in einer vom Kompaß getrennten Einrichtung, welche in oder nahe bei dem Metazentrum des Fahrzeuges angeordnet ist. Zur Durchführung des Erfindungsgedankens .sind z. B. in der Ebene der Kompaßrose mindestens zwei Spulen, vorzugsweise symmetrisch am Umfange verteilt, angeordnet, denen elektrische Gleichströme zugeführt werden, deren Größen in Abhängigkeit von den Neigungswinkeln seines räumlichen oder mindestens zweier in verschiedenen Ebenen schwingender ebener Pendel derart veränderbar ist, daß das von den Spulen in ihrer Gesamtheit in der Rosenebene erzeugte Magnetfeld umgekehrt gleich der in die Rosenebene fallenden Komponente des Vertikalerdfeldes ist.
• Zur näheren Erläuterung des Erfindungsgedankens und seiner Durchführung mögen die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele dienen. Die Abt,: i zeigt schematisch die gegenseitige Anordnung einer Kompaßrose i mit gegenüber dem Fahrzeug fester Achse und eines Kompensationspendels 2. Das Pendel 2 möge im Metazentrum Z des Fahrzeuges angeordnet sein, während die Rose i oder .der Erdinduktor in einem anderen Teil des Fahrzeuges eingebaut ist. Das Fahrzeug möge in Abb. i beispielsweise um den Winkel a gegenüber dem Horizont, der durch die Gerade a dargestellt ist, geneigt sein. In der Rosenebene tritt daher eine Komponente H" # sin a des erdmagnetischen Vertikalfeldes ,auf. Gleichzeitig schlägt aber auch das Pendel 2 um den gleichen Winkel a gegenüber seiner Normallage relativ zum Fahrzeug aus; wegen seiner Anordnung im Metazentrum ist der Winkel a am Pendel keinen Änderungen durch Beschleunigungen .ausgesetzt, wie sie durch Fahrzeugdrehungen i:uni das Metazentrum (Stampfen und Rollen) n anderen Stellen, also auch am Ort der ompaßrose, auftreten. Gemäß der Erfin-#dung werden nun mit dem Pendel Einrichtungen zur Beeinflussung elektrischer Ströme, beispielsweise in Abhängigkeit vom Winkel a veränderbare Widerstände, verbunden und derart in die Stromkreise der in der Ros; nebene angeordneten Spulen 3 eingeschaltet, daß die Komponente H" # sin a kompensiert wird.
• In Abb. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Anordnung dargestellt. In der Ebene der Rose i sind zwei Spulenpaare i i und 12 senkrecht zueinander angeordnet, Beide Spulenpaare werden aus einer geeigneten Stromquelle konstanter Spannung mit einem Gleichstrom gespeist, dessen Größe in Abhängigkeit von dem Ausschlag der beiden Pendele' bzw. 2" beeinflußt wird, welche nahe beieinander möglichst im Metazentrum des Fahrzeuges derart angeordnet sind, daß sie um zwei senkrecht zueinander stehende Haupt-oder Regelachsen x bzw. y schwingen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Pendele' den Wicklungen i i, das Pendel 2" den Wicklungen 12 zugeordnet. Die. Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf die Aufteilung in zwei senkrecht zueinander stehende Pendel bzw. Spulen oder Spulenpaare beschränkt, sondern @es kann an sich eine Zerlegung der Kompensationseinrichtung nach beliebig vielen und beliebig gelegenen Richtungen vorgenommen werden. Jedoch bleiben die Spulen den einzelnen Pendeln in jedem Falle insofern zugeordnet, als, die Kompensationsspulen jeweils in der Ebene des zugehörigen Pendels bzw. in einer zu dessen Schwingungsebene parallel gelegenen Ebene angeordnet sind. Das Pende12' ist im Ausführungsbeispiel mit dem beweglichen Arm 2 i eines Potentiometers 22 verbunden. Dieses liegt an einer Batterie 23. Der Mittelpunkt des Potentiometers 22 einerseits und der Schleifarm 21 andererseits sind an die Speiseklemmen 40, 41 für die Kompensationsspulen i i geführt. Wird der Widerstand des Potentiometers 22 in Form seines geraden Stabes mit ebener Schleiffläche ausgeführt, wie es die Abb.2 schematisch und Abb. 2a genauer andeutet, so ist der jeweils zwischen der Mittelanzapfung des Potentiometers und dem Schleifarm 21 abgegriffene Widerstand und damit auch -die zwischen diesen beiden Punkten jeweils auftretende Spannung unmittelbar proportional dem Sinus des Neigungswinkels a' des Pendels 2'. Statt dessen kann aber auch ein kreisförmig ausgebildeter Widerstand vorgesehen sein, dessen Widerstandskennlinie z. B. durch entsprechende Bewicklung sinusförmig mit dem Drehwinkel des Potentiometerabgriffes verläuft. In genau der gleichen Weise ist dem Pendel 2", welehes in der dazu senkrechten Ebene schwingt, ein Potentiometer 32 mit .dem Arm 3 i zugeordnet. Je nach dem Ausschlagwinkel a" des Pendels 2" tritt an den Klemmen q.o, 42 eine dem Sinus des Winkels a". proportionale Spannung auf. Die Kompensationsströme in den Wicklungen i i und 12 sind ,daher ebenfalls dem Sinus der Neigungswinkel a' bzw. a" proportional und setzen sich wegen der oben erwähnten Zuordnung der Spulenachsen und der Pendelebenen zu einem resultierenden Feld zusammen, welches nach Größe und Richtung umgekehrt gleich dem Störfeld H, # sin a, ist. Mit Hilfe einer Regeleinrichtung, beispielsweise eines Spannungsteilers 2q., kann dabei eine der Vertikalk omponente H" proportionale Grundspannung eingestellt werden.
• Bei Verwendung ebener, nur um eine Achse drehbarer Pendel entstehen Fehler in der Kompensation dadurch, daß die Pendel nicht mehr lotrecht hängen, wenn das Fahrzeug gleichzeitig stampft und rollt. Diese Fehler sind jedoch bei kleinen Neigungswinkeln vernachlässigbar klein. Sie können vermieden werden dadurch, daß die Kompensationspendel im ganzen noch einmal senkrecht zu ihrer Schwingungsachse gelagert werden. Diese Anordnung empfiehlt sich auch mit Rücksicht .auf die Beanspruchung der Pendellagerung. Eine derartige doppelte Lagerung der Pendel ist in Abb.2 .angedeutet und in Abb. 2a näher dargestellt. In Abb. 2a - bedeutet wieder 2 das Pendel, dessen Regelachse 61 einen Kontaktarm 62 trägt, der auf dem Potentiometenviderstand 63 schleift. Dieser ist auf '.einem geradlinig erstreckten Widerstandskörper aufgewickelt und außerdem eben, so daß der Kontakt 64 an der Spitze des Kontaktarmes 62 eine sinusförmige Spannung ;abgreift. Um die oben erwähnten Fehler und Lagerzwängungen bei größeren Neigungen des Fahrzeuges quer zur Pendelebene zu vermeiden, kann das Pendel außerdem noch um eine weitere Achse 65 drehbar gelagert sein, beispielsweise mitsamt der Spannungsteileranordnung, wie es die Abb. 2a zeigt. Hier sind Widerstand 63 und Pendel sowie der Kontaktarm auf einem 1emeinsamen. Rahmen 66 angeordnet bzw. in ihm gelagert,- der seinerseits um die Achse 65 drehbar ist.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Erfindungsgedanken zeigt die Abb.3. Die räumliche Anordnung der Spulen i i und 12 bzw. der Pendele' und 2" möge die gleiche sein wie in Abb.2. Mit dem Pendele" ist bei diesen Ausführungsbeispielen die Spule 15 eines von der Wechselstromquelle 16 erregten Drehspulinstrumentes 17 fest verbunden, und zwar derart, daß bei der Normallage des Pendels bzw. des Fahrzeuges die Spulenebene parallel zu den Kraftlinien des durch die Spulen 18 erzeugten Wechselfeldes verläuft. In der Spule wird daher in diesem Falle keine Spannung induziert. Schlägt dagegen das Pendel um den Winkel u aus, so entsteht in der Spule eine induzierte Wechselspannung, welche dem Sinus a proportional ist. Diese Spannung wird über geeignete Zuführungen, welche kein oder nur ein vernachlässigbar kleines Richtmoment auf die Spule ausüben, abgenommen und über eile Gleichrichteranordnung i9 den Kompensationsspulen 12 zugeführt. Zwischen die gleichrichtenden Elemente der Anordnung i 9 und die Kompensationsspulen i-. wird vorteilhaft ein Kondensator 2o, gegebenenfalls unter Vorschaltung eines Widerstandes 3o, eingefügt. Ferner kann gegebenenfalls zur Verstärkung der Meßspannungen bzw. -ströme eine Verstärkeranordnung zwischengeschaltet werden. Ebenso wie das P-endel2" ist auch das Pendel 2' mit einem -wechselstromgespeisten Drehspulinstrument verbunden, dessen induzierte Wechselspannung über eine Gleichrichteränordnung iig und gegebenenfalls einen Kondensator i 2o mit Aufladewiderstand 13o der Kompensationswicklung ii zugeführt wird. Durch geeignete Bemessung der Kondensatoren 20,i 2o sowie der Widerstände 3o und i3o im Auflade- bzw. Entladekreis dieser Kondensatoren können geeignete Zeitkonstantenkreise g,-bildet werden, mit deren Hilfe allenfalls auftretende kleine Schwankungen der Pendele gegenüber dem wahren Lot für die Kompensationsspule unwirksam gemacht werden können.
• Statt zweier Pendel gemäß Abb.2 und 3 kann auch ein einziges, kardanisch aufgehängtes Pendel grundsätzlich Anwendung finden. In diesem Falle sind die Einrichtungen zur Beeinflussung der Richtgrößen, beispielsweise die Potentiometerwiderstände nach Abb. 2, in geeigneter Weise an jeder Kard.anachse anzubringen.
• Eine weitere Ausführungsmöglichkeit für den Erfindungsgedanken ist in Abb. ¢ dargestellt. Jedes Kompensationspendel (2', 2") ist mit einem in :einer elektrolytischen Wanne befindlichen Leiter verbunden und bildet mit diesem einen Teil einer elektrischen Brückenaniördnung. In Abb. q. stellt schematisch 2' das Pendel dar, mit dem eine Elektrode 5o verbunden ist, welche in den in der Wanne 5 1 befindlichen Elektrolyten eintaucht und bei Auslenkungen des Pendels aus der h,Tflrmallage sich entweder der festen Elektrode 52 oder der festen Elektrode 53 nähert. Die elektrolytischen Teilwiderstände zwischen den Elektroden 50, 52 bzw. 50, 53 bilden zusammen mit den Widerständen 54 und 55 eine von der konstanten Stromquelle 56 gespeiste Wheatstonesche Brücke. Zwischen den Widerständen 54, 55 einerseits und dem Pendel, d. h. der Elektrode 5o, andererseits kann dann eine Spannung bzw. ein Strom abgenommen und beispielsweise über Gleichrichter den Kompensationsspulen i i zugeführt werden, dessen Größe dem Sinus des Auslenkungswinkels a praktisch proportional ist. Die gezeigte Anordnung hat den besonderen, Vorteil, daß bei geeigneter Ausbildung der Wanne und der Elektrode 5o der Elektrolyt gleichzeitig als D,ämpfungsflüssigkeit für das Pendel dient, so daß besondere Dämpfungseinrichtungen überflüssig werden.
• An Stelle der dargestellten Brückenschaltung kann hierbei auch eine sog. Differentialschaltung angewendet werden, bei der nur ein Differenzstrom für die Kompensation wirksam wird. Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann entsprechend auch mit anderen Hilfsmitteln durchgeführt werden. Als solche seien beispielsweise nur noch Photozelllenanordnungen erwähnt, wo den Kompensationspendeln drehbare -oder verschiebbare Spiegel oder Blenden derart zugeordnet sind, daß der Photozellenstrom oder eine von ihm abhängige elektrische Größe sich proportional mit dem Sinus des Auslenkungswinkels verändert.
• Als Kompensationspendel können gemäß der Erfindung gewöhnliche Pendel oder aber auch kardanisch aufgehängte Kreiselpendel verwendet werden.
• Die Erfindung ist anwendbar sowohl für direkt zeigende Kompasse als auch für Kompaßgeber in solchen Anlagen, wo die Kompaßanzeige nach einer oder mehreren. Stellen fernübertragen wird.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Vermeiden störender Einwirkungen der Vertikalkomponente des erdmagnetischen Feldes auf die Anzeige von insbesondere .auf Fahrzeugen befindlichen Kompassen, Erdinduktoren u. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß nur die jeweils iii die Ebene der Kompaßrose bzw. in die Ebene senkrecht zur Achse des Erdinduktors fallende Komponente des erdmagnetischen Vertikalfeldes unmittelbar in dieser Ebene kompensiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation mittels elektrischer Richtgrößen erfolgt, welche an einer außerhalb der Kompaß-,oder Erdinduktoreinrichtung liegenden Stelle des Fahrzeuges erzeugt werden.
3. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach .Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene der Kompaßrose (i) bzw. in der achsensenkrechten_ Mittelebene des Erdinduktors mindestens zwei Spulen bzw. Spulenpaare (11, 12) .angeordnet sind, denen elektrische Gleichströme zugeführt werden, deren Größe in Abhängigkeit von den Neigungswinkeln (u) räumlicher oder ebener Pendel (2) derart veränderbar ist, daß das von den Spulen in ihrer Gesamtheiterzeugte Magnetfeld umgekehrt gleich der in die Rosenebene (i) fallenden Komponente des Vertikalerdfeldes (H") ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Richtgrößen erzeugende Kompensationspendeleinrichtung (2) unabhängig vom Aufstellungsort des Meßinstrumentes an einer Stelle des Fahrzeuges, welche möglichst kleinen Beschleunigungsstößen ausgesetzt ist, vorzugsweise .in oder nahe bei dem Metazentrum (Z) des Fahrzeuges, ange-,ordnet ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der in verschiedenen Ebenen relativ zum Fahrzeug, vorzugsweise in senkrecht auf-.einander stehenden Ebenen, schwingenden bzw. wirksam werdenden Kompensationspendel (2', 2") eine Kompensationsspulenanordnung (i i, i?-) derart zugeordnet ist, daß die Spulenachse in der Schwingungs-,ebene des Pendels bzw. in einer zu ihr parallelen Ebene liegt.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 3 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilpendel (2', 2") außer um die mit der Einrichtung zur Richtgrößenbeeinflussung verbundene Achse (61) um eine weitere, vorzugsweise senkrecht dazu stehende Achse (65) frei drehbar, d. h. also derart zweifach beweglich aufgehängt sind, daß sie bei jeder Neigung des Fahrzeuges die lotrechte Lage beibehalten.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 3 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß um die Regelachse (61 bzw. x, y) jedes Teilpendels der bewegliche Arm (62 bzw. 21, 31) je eines Potentiometerwiderstandes (63 bzw. 22, 32) drehbar ist, der an eine konstante Spannungsquelle (23) angeschlossen ist, und daß die zugeordnete, zur Speisung der Kompensationsspulen (I I, 12) dienende Richtspannung jeweils zwischen dem mit dem Pendel verbundenen Schleifarm (21 bzw: 3 i) und einer vorzugsweise in der Mitte des Spannungsteilerwiderstandes (22 bzw. 32) vorgesehenen Anzapfung abgegriffen wird,1 welche bei Normallage des Pendels;,#(2@ mit dem Abgriff des Schleifarmes (6ä bzw. 21, 31) zusammenfällt. B. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem drehbaren Arm (62) bestrichene Teil des Spannungsteilerwiderstandes (63) räumlich als gerader Körper mit linearer Widerstandskennlini.e (Abb.2a) oder als räumlich kreisförmiger Körper mit sinusförmiger Widerstandskennlinie, gerechnet von dem mittleren Anzapfpunkt ab, ausgebildet ist. 9. Anordnung nach Anspruch 3 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Richtgrößen eineinziges, kardanisch .aufgehängtes Pendel vorgesehen ist und daß die die verschiedenen Kompensationsspulen beeinflussenden. Steuereinrichtungen, z. B. Potentiometer, auf den einzelnen Kardanwellen angeordnet bziv. mit diesen gekuppelt sind. i o. Anordnung nach Anspruch 3 bis 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationspendel (2', 2") mit den Spulen (15) von mit konstantem Wechselstrom erregten Drehsp!ulanordnungen (17) derart verbunden sind, daß in jeder Spule (15) nur bei Abweichung des Pendels (2") von der Normallage eine Wechselspannung induziert wird, und daß die induzierte Wechselspannung über gleichrichtende Elemente (i 9) und gegebenenfalls über Uerstärkeranordnungen dem Kompensationsspulensysbem (11, 12) zugeführt hr d. i i. Anordnung nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Gleichstromseite der Hilfsgleichrichterschaltung (i9, ii9) ein Kondensator (2o, i2o) und gegebenenfalls im Lade- bzw. Entladekreis dieses Kondensators Widerstände (30, i3o) derartiger Bemessung vorgesehen sind, daß kleinere plötzliche Schwankungen der zugeführten Wechselspannung von den Kompensationsspulen (i i, 12) ferngehalten werden. 12. Anordnung nach Anspruch 3 bis 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kompensationspendel (2', 2") mit einer zwischen zwei festen Elektroden (52,-53) in einer elektrolytischen Flüssigkeit bewegbaren Elektrode (5o) verbunden und derart in eine von :einer konstanten Spannung (56) gespeiste Brückenanordnung eingeschaltet ist, daß an der Ausgangsdiagonalen der Brücke die Spannung zur Speisung der zugeordneten Kompensationsspulen (i i) .abgegriffen wird. 13. Abänderung der Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß .lias Kompensationsfeld jeweils mittels der beiden Ströme in Differenzschaltung erzeugt wird, welche durch die beiden elektrolytischen Teilwiderstände in ihrer Größe veränderbar sind. 14. Anordnung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsp.endel mit verstellbaren bzw. drehbaren Blenden bzw. Spiegeln verbunden und zusammen mit Photozellen und Lichtquellen derart angeordnet sind, daß bei Auslenkungen des Pendels der Strom der Photozelle bzw. eine von diesem Strom abhängige elektrische Richtgröße dem Sinus des Ausschlagwinkels des Pendels verhältnisgleich ist. 15. Anordnung nach Anspruch 13 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Kompensationspendel kardanisch aufgehängte Kreiselpendel Verwendung finden.