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Geschwindigkeitsmesser Die Erfindung bezieht sich auf einen Geschwindigkeitsmesser,
bei dem die Beschleunigungen einer trägen Masse durch einen Kreisel mit zwei Präzessionsfreiheitsgraden
über die Zeit integriert werden.
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Bei derartigen Systemen können Meßfehler infolge der die Präzessionsbewegung
verfälschenden Reibungswiderstände auftreten.
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Vielfach sind die Reibungswiderstände vor allem auch deshalb äußerst
störend, weil sie eine Bewegung des Kreiselsystems in Richtung der einwirkenden
Kräfte (Pri.märridtung) hervorrufen.
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Erfindungsgemäß werden die die Präzessionsbewegung verfälschenden
Reibungswiderstände in der Weise kompensiert, daß ein in Abhängigkeit von Verschiebungen
der trägen Masse über Kontakte gesteuerter, die Lagerreibung des Kreiselrahmens
durch Erzeugung einer zusätzlichen, der Präzessionsbewegung überlagerten Bewegung
ausgleichender, an sich bekannter Stützmotor vorgesehen ist Der Stützmotor kann
erfindungsgemäß entweder dauernd mit dem Kreiselsystem verbunden sein oder nur während
der Zeit seiner aktiven Einwirkung auf das Kreiselsystem unter selbsttätiger Entkupplung
während der Ruhezeiten.
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Die Verwendung von Stützmotoren zur Berichtigung der Meßgröße bei
Kreiselgeräten ist zwar an sich bereits vorgeschlagen worden. Neu ist jedoch die
Anwendung solcher Stützmotoren bei Gesdiwindigkeitsmessern nach Art der Erfindung
Bei Geschlwindigkeitsmessern der erfindungsgemäßen Bauart ist es von außerordentlicher
Bedeutung, eine zusätzliche Bewegung der für die Messung verwendeten, die Beschleunigungen
in Kräfte umwandelnden Masse zu verhindern biw. auf NulI zurückzuführen, da andernfalls
nach kurzer Zeit eine weitere Messung unmöglich wäre, weil die betreffende Masse
eine Endstellung erreichen würde, und zwar besonders dann, wenn längere Zeit nacheinander
in einer Richtung wirkende Beschleunigungen
auftreten. Man könnte
zwar die Verhältnisse so wählen, daß für die in Frage kommenden Höchstgeschwindigkeiten
immer noch ein zulässiges Auslenkmaß eingehalten bleibt, jedoch würde danii wiederum
die Emp findlichkeit des Gerätes bei sehr kleinen Beschleunigungen zu gering werden.
Es handelt sich also im vorliegenden Falle um eine ganz spezielle, nur den hier
in Rede stehenden Geschwindigkeitsmessern eigentümliche Aufgabenstellung, so daß
Anordnungen, welche beispielsweise bei bekannten Kreiselkompassen verwendet wurden,
für die vorliegende Aufgabenstellung keine Lösung bringen konnten.
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Die Erfindung bietet den bisher bekannten, mit kreiseln arbeitenden
Anordnungen gegenüber den Vorteil, daß Geschwindigkeitsmesser geschaffen werden
können, bei denen die der Präzessionsbewegung entgegenwir-Iienden Reibungswiderstände
kompensiert sind und keine Primärbewegung über einen gewissen verhältnismäßig kleinen
Betrag hitlaus auftritt.
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Der erfindungsgemäße Geschwindigkeitsmesser ist in der Zeichnung
an Hand einiger Ausführungsformen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es
bedeuten: Ahb. I Schemabild eines erfindungsgemäßen Systems, veranschaulicht an
einem Einkreiselgerät, bb. 2 Schemabild für ein Zweikreiselgerät, von oben gesehen,
Abb. 3 Stirnansicht zu Abb. 2, Abb. 4 Axialschnitt eines Dreikreiselsystems in schematischer
Darstellung, Abb. j Querschnitt zu Abb. 4.
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Gemäß Abb, I ist ein auf beliebige Weise, beispielsweise mittels
eines eingebauten blotors angetriebener Kreisel I mittels einer Achse 2 in Punkt
3 in einem Kardanrahmen 4 in der Bildebene schwenkbar aufgehängt, der seinerseits
in den Lagern 5 und 6 drehbar ist. Eine im Punkt 7 mittels des Hebels 8 schwenkbar
gelagerte träge Masse 9 ist durch das Gestänge 10, 11 mit der Achse 2 verbunden.
An dem Kardanrahmen 4 ist eine vorzugsweise an ihrem äußeren Umfange mit Zähnen
versehene verhältnismäßig große Scheibe 12 betestigt, die mit dem Ritzel 13 des
kleinen Elektromotors 14 in Eingriff steht. Die Schwenkbewegungen des Kardanrahmens
4 werden auf den auf der Skala 15 spielenden Zeiger I6 übertragen.
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Der Rotor des Motors 14 ist einerseits mit der Mittelanzapfung der
Sekundärseite eines Transformators 17 und andererseits mit der Kontaktfeder 20 eines
aus den Kontaktfedern 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 und den Magneterregerspulen 25
und 26 bestehenden Relais systems verbunden. Die genannten Kontaktfedern sind in
der dargestellten Art teils-mit den untereinander in Serien geschalteten Feldspulen
des Motors 14, teils mit den Enden der Sekundärwicklung des Transformators 17, teils
mit Kontakten 27, 28, 29 vorbunden, von denen jeweils einer je nach Lage der masse
9 mit dem an dieser befestigten Kontakt 30 verbunden ist, der seinerseits @benfalls
in der dargestellten Weise einen Teils der Schaltung bildet. An der entsprechend
bezeichneten Stelle befiner sich die Glühlampe 31 in dem Stromkreis.
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Die Wirkungsweise der in Abb. 1 schematisch veranschaulichten Anordnung
ist folgende: Werden auf den Kreisel 1 Kräfte in Richtung der Lagerachse 5 5. O
mittels der Stange 10 übertragen, beispielsweise indem das System parallel zur Mitteleben
in einem Fahrzeug, z. B. einem Luftfahrzeug, angeordnet wird, dessen Beschleunigungen
und Verzögerungen an der Masse 9 entsprechende Kräfte hervorrufen, so verursachen
diese Kräfte in bekannter Weise Präzessionsbewegungen des Kreisels in der senkrecht
dazu liegenden Richtung. also .m Sinne einer Drehung um die Achse 5-6. Die Größe
des Ausschlages des Zeigers 16 auf der Skala 15 ist proportional der Stärke und
Einwirkungsdauer der Meßkräfte, also dem Integral der Meßkräfte vom Beginn der Meßperiode
bis zum jeweiligen Ableseaugenblick. Sorgt man dafür, daß der Zeiger bei der Fahrzeuggeschwindigkeit
Null auf dem Nullpunkt der Skala steht. so ist der jeweilige Ausschlag des Zeigers
dieser Wert, in welchem p die Kraft und t die Zeit ist, stellt die Augenblicksgeschwindigkeit
des Fahrzeuges dar.
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Die Anordnung kann also zur Messung der Absolutgeschwindigkeit des
Fahr- oder Flugzeuges verwendet werden.
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Bei dieser Betrachtung ist zunächst dc Wirkung der Reibung der bewegten
Systemteile vernachlässigt wortlen. Haildelt es sich um starke Beschleunigungen,
so ist der Meßfehler infolge der Reibung gering. Dagegen kann bei sehr kleinen,
aber lang andauernden oder sich häufig wiederholenden Beschleun@-gungen die Reibung
die Meßgenauigkeit stark @eeinträchtigen.
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Ferner ist folgender Umstand zu berücksichtigen: Die in der Kraftwirkrichtung
selbst auftretende Bewegung (Primärbewegung) ist den sich der Präzessionsbewegung
entgegenstellenden Reibungskräften direkt proportionnal, also um so größer, je größer
diese Reibung ist, und gleich Null bei Fehlen jeglicher Reibung. Da die Präzessionsbewegung
bei gleichhleibender Auslenkkraft um so kleiner
ist, je größer die
Primärbewegung, also dfe Reihung ist und bei lange anhaltenden oder sich wiederholenden
Beschleunigungen in der gleichen Richtung die Masse g schließlich in eine Grenzstellung
gelangen wurde, die weitere Ausschläge unmöglich macht, wäre die Idealforderung
die, daß das System mindestens in bezug auf die Präzessionsbewegung völlig reibungsfrei
arbeitet. Eine auch nur innäherungsweise Verwirklichung dieser Forderung würde jedoch
einen unverhältnismäßig großen Aufwand bedingen und die Robustheit und damit Betriebssicherheit
der Konstruktion beeinträchtigen. Erfindungsgemäß wird nun durch einen Kunstgriff
mit ganz einfachen Mitteln die gleiche Wirkung erreicht. als wenn das System in
bezug auf die Präzessionsbewegung reibungsfrei wäre.
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Zu diesem Zweck führt man in Richtung der Präzessionsbewegung Kräfte
zu, und zwar in der Weise, daß der Kreisel und damit die Masse 9 dauernd in der
Mittellage gehalten oder in kurzen Abständen in diese Mittellage zurückgeführt werden.
Da bei der Zuführung von Kräften in Richtung der Präzess ionsbewegung diese Kräfte,
ebenso, wie vorher beschrieben, in der senkrecht dazu liegenden Riehtung, also der
Primärrichtung, Auslenkungen hervorrufen, ist es auf dem Umwege über solche in der
Präzessionsrichtung wirkenden Kräfte eine Kompensation der unerwünschten Primärbewegungen
und Präzessionsreibungen zu bewirken. Die Zuführung von Kräften in der Präzessionsrichtung
bewirkt andererseits keine Fehlanzeige, da ja immer nur so vel Kraft bzw. Bewegung
zugeführt wird, wie erforderlich ist, um die Primärbewegung auf Null zurückzuführen,
also die in der Präzessionsrichtung wirkenden Reibungswiderstände zu kompensieren.
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Die dauernde Kompensation der Primärbewegung könnte grundsätzlich
von Hand erfolgen, indem beispielsweise der Flugzeug--führer, bevor er abliest,
so lange den Ablesezeiger direkt oder über irgendwelche Übertragungsmittel verstellt.
bis ein zweiter Zeiger die Nullstellung der Masse g anzeigt.
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Man kann aber auch erfindungsgemäß mit besonderem Vorteil eine selbständige
Kom- -pensation vorsehen, indem je nach der Lage der Masse über Relais o. dgl. ein
Elektromotor gesteuert wird, der die erforderliche Rückführbewegung bewirkt, wie
in der Zeichnung dargestellt ist. Der an der Masse 9 befestigte Kontakt 30 bewirkt
in ihrer Mittelstellung Stromlosigkeit des Motors, da die Feldspulen desselben über
die Kontakte 28, 30 kurzgeschlossen sind. Schlägt dagegen die Masse g in Richtung
auf den Kontakt 27 aus, so wird über die Kontakte 30, 77, Erregerspule 25, die linken
Kontaktfedern 22, 21 und die Lampe 31 der Stromkreis des Transformators geschlossen,
derart, daß die Spule 25 erregt wird. Die über der Spule 25 liegenden rechten Arbeitskontakte,
also sämtliche Kontakte mit Ausnahme der schwarz gezeichneten Ruhekontakte zwischen
den Kontaktfedern 21 und 22, werden nun gesch lossen. Der Stromverlauf ist nun folgender:
über Kontakte 30, 27, 24, 23 und Leitung 34 zu der Klemme 35 des Rotors, von dort
zu der Mittelanzapfung des Transformators.
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Der Rotor ist also in diesem Fall mit seiner Klemme 36 an die Minusseite
des Transformators und mit seiner Klemme 35 an die Mittelanzapfung desselben angeschlossen,
während die Feldspulen über die Leitung 37 mit der Klemme 32 an die Minusklemme
des Transformators und über die Leitung 38, die rechten Kontakte 20, 21, die Lampe
31 und die Leitung 39 mit der Plusseite des Transformators verbunden sind. Der Motor
14 dreht sich daher und bewirkt über die Zahnräder 13, 12 eine Schwenkung des Kardanrahmens
4 sowie infolge des Präzessionseffektes eine Bewegung der Masse 9 in Richtung auf
den Kontakt 28. Hierbei ist beachtlich, daß die durch die allmähliche Bewegung des
Kontaktes 30. in Richtung auf den Kontakt 28 bewirkte Unterbrechung der Verbindung
30, 27 keinerlei Einfluß auf das Laufen des Motors hat, da die den Lauf des Nilo
tors bedingende Relaisstellung infolge der geschlossenen linken Kontakte 2I, 22
und der dadurch aufrechterhaltenen Erregung der Spule 25 unverändert bleibt.
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Erreicht dagegen nunmehr der Kontakt 30 den Kontakt 28, so wird über
die Leitung 38, die rechten Kontakte 20, 2I, die linken Ruhekontakte 21, 22, die
Kontakte 24, 23 und die Leitung 37 die Spule 25 kurzgeschlossen.
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Demgemäß öffnen sich sämtliche rechten Arbeitskontakte, und der Motor
14 wird stillgesetzt. Damit ist also der gewollte Zweck, eine selbsttätige Zurückführung
des Kreisel Systems, in die Nullage bezogen, auf die Primärrichtung zu bewirken,
erreicht. Tritt jetzt infolge von lang andauernden Verzögerungen des Fahrzeuges
eine Bewegung der Masse9 in Richtung auf den Kontakt 29 auf. derart, daß der Kontakt
30 diesen Kontakt berührt, so ergiibt sich sinngemäß das gleiche Spiel. wie zuvor
für die rechte Relaisseite beschrieben, für die linke Seite: Zunächst wird über
die rechten Ruhekontakte 22, 2I und die Lampe3t sowie die Leitung 39 einerseits
und die Kontakte 29, 30 und die Leitung 37 andererseits die Spule 26 erregt und
schließt die linken Arbeitskontakte. Dadurch wird über die Leitung 34 und die linken
Kontakte I8, 19 sowie die Leitung 39 die Klemme 36
des Rotors, die
zuvor mit der mit Minus bezeichneten Klemme des Transformators verhunden ist. mit
der mit Plus bezeichneten Klemme desselben verbunden. Es ergibt sich also bei unveränderter
Anschlußrichtung der Feldspule nunmehr die umgekehrte Drehrichtung des Motors 14
und damit eine Bewegung der Masse g von 29 nach 28.
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Auch hier setzt stich infolge der Aufrechterhaltung der Relaisstellung
nach Unterbrechung des Kontaktes 30, 29 die Kompensationsbewegung fort, bis der
Kontakt 28 erreicht ist und damit über die linken Arbeitskontakte vo, 2I und die
rechten Ruhekontakte 21, 22 sowie die linken Kontakte 23, 24 und die Leitung 37
eine Kurzschließung der Spule 26 bewirkt wird, so daß die linke Relaisseite in die
Ruhestellung zurückkehrt.
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Es ist verständlich, daß der Niotor 14 so ausgebildet werden kann,
daß er in der aus schaltstellung den Präzessionsbewegungen der Scheibe 12 einen
sehr geringen Widerstand entgegensetzt, trotzdem er dauernd in Eingriff mit dieser
Schelhe bleibt. Die Anordnung kann aber auch so getroffen sein, daß das in diesem
Falle zweckmäßig als Reibrad ausgebildete Rad 13 des Motors 14 mit dem dann ebenfalls
als Reibrad ausgebildeten Rad 12 nur gekuppelt wird, wenn der Motor 14 eingeschaltet
ist. Diese Möglichkeit ist sehematisch angedeutet durch die gestrichelten Linien.
Der Niotor 14 ist in diesem Falle im Punkt 40 schwenkbar befestig; und wird normalerweise
durch eine schwache Feder 41 mit dem Rad 13 von dem Rad 12 entl;uppelt gehalten.
Der Strom für den Rotor wird über eine Spule 42 geleitet, welche den Motor entgegen
dem Uhrzeigersinne schwenkt und mit dem Rad 73 an das Rad 12 heranzieht. @ so daß
eine Mitnahme erzielt wird.
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Das Erfindungsprinzip ist der Einfachheit halber an Hand eines Systems
beschrieben worden, welches nur einen Meßkreisel besitzt. Das Prinzip kann jedoch
mit besonderem Erfolg bei solchen Systemen Anwendung finden, die mit zwei oder mehreren
Kreiseln arbeiten. Solche Mehrkreiselsysteme sind im allgemeinen erforderlich. um
den Einfluß von Schwenkbewegungen des Fahrzeuges zu kompensieren. Abb. 2 und 3 zeigen
das Schema eines Systemes mit zwei Kreiseln. Die Scheibe 12 ist hier beispielsweise
in Form eines Kranzes in dem Rahmen 4 angeordnet. der seinerseits zwecks Ausgleichs
von Längsneigungen des Fahrzeuges in einem weiteren Kardanrahmen 43 drehbar angeordnet
ist, der in den Lagern 44 ruht und in bezug auf seine Mittelachse 1 1 durch einen
nicht dargestellten Richtkreisel in waagerechter Lage gehalten ist. wodurch gleichzeitig
die richtige Lage der Skala 15 im Raum gesichert bleibt. Die beiden symmetrischen
Massen g arbeiten auf eine Zahnstange 45, die ii' über Zahnsegmente 46 mit den Kreiseln
I verbunden ist. Die Kontaktanordnung 27, 28, 29, 30 ist nur all der linken Masse
9 vorgesehen, da beide Massen zwangsläufig immer die gleiche Lage einnehmen müssen.
Die übrigen Teile haben sinngemäß die gleichen Funktionen wie bei Abb. I, so daß
sich weitere Erläuterungen erübrigen.
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Die Schaltung ist die gleiche wie bei Ahh. 1, so daß auch sie fortgelassen
ist.
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Eine erfindungsgemäße räumliche Anordnung von drei Kreiseln ist in
den Abb. 4 und 5 dargestellt, und zwar unter Fortlassung der Steuermassen und der
Kontaktanordnung, da diese Zusatzeinrichtungen sinngemäß die gleichen sind wie gemäß
Abb. 1 bis 3.
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Die einzelnen Teile des Dreikreiselsystems sind in gleicher Weise
bezeichnet wie in Abb. 1 bis 3, so daß sich eine nochmalige Beschreibung dieser
Teile eriibrigt.
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Die Vorsehung von drei Kreiseln ergibt ein sehr stabiles System.
welches gleichzeitig selbst die erforderliche Richtwirkung im Sinne einer Waagerechthaltung
der Mittelachse 1 1 des Rahmens 4 ohne vorsehung eines zusätz-1 eichen Richtkreisels
ausübt. Man wird daher in der Praxis meist eine Anordnung gemäß >b. 4 und 5 unter
Vorsehung der Kompensation gemäß Abb. 1 wählen, um so mehr als die höhere Reibung
des Dreikreiselsystems durch die Einrichtung gemäß Abb. 1 aufgehoben werden kann.
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Zwecks Erzielung ausreichend häufiger Kompensation der Primärbewegun
< können die Kontakte 27, 28, 29 entsprechend dicht nebeneinander angeordnet
werden. Die Anordnung kann aber selbstverständlich auch so getroffen sein, daß beispielsweise
durch einen kontinuierlichen Gleitwiderstand von einer Nullage aus der Rotor des
Motors 14 bei der geringsten Ablenkung von der Nulllage in der einen oder anderen
Richtung erregt wird. Eine solche Erregung würde in der einfachsten Form dadurch
geschaffen werden, daß die Sekundärwicklung des Transformators 17 mit blankem Draht
gewickelt und von dem Kontakt 30 hestrichen wird unter Vorsehung der Mittellage
des Kolltaktes an der Stelle der Mittelanzapfung. Die für diesen Fall erforderliche
Schaltung ergibt sich hieraus im Bedarfsfalle ohne weitere Erläuterungen.