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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Als Kompensationspendel können gemäß der Erfindung gewöhnliche Pendel
oder aber auch kardanisch aufgehängte Kreiselpendel verwendet werden.
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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.