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Auf der Wirkung des erdmagnetischen Feldes beruhender KompaB Die Erfindung
bezieht sieh auf einen auf der Wirkung des erdmagnetischen Feldes beruhenden Kompaß
für Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge, bei welchem in einem hochpermeablen stabförnügen
Körper beispielsweise mit Hilfe einer auf diesem angeordneten, von periodisch veränderlichem
Strom dürchfiossenenWicklung ein periodisch veränderlicher magnetischer Fluß erzeugt
wird. Diesem Fluß überlagert sich., wenn der Körper dem Erdfeld ausgesetzt .ist,
der von diesem Feld herrührende Fluß. Aus dem resultierenden Fluß wird das Maß für
die Relativlage des Fahrzeuges in bezug auf den erdmagnetischen Meridian abgeleitet.
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Während die Nadelkompasse im Fahrzeug kardanisch aufgehängt sind,
wobei das Meßsystem des Kompasses infolge der pendelnden Aufhängung im Kardan Beschleunigungskräften
unterworfen ist, wird der beim Gegenstand der Erfindung verwendete Kompaß der oben.
angegebenen Gattung fahrzeuggebunden in der Weise angeordnet, daß das Kompaßmeßsystem
um eine zurHochachse des Fahrzeuges parallele Achse in einer zu dieser Achse senkrechten
Ebene zur azimutalen Einstellung
drehbeweglich ist. Dadurch ist
die bei Nadelkompassen gegebene Schwingungsmöglichkeit ausgeschaltet.
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Infolge der fahrzeuggebundenen Anordnung ist das Meßsystem beispielsweise
in einem Flugzeug allen Neigungen unterworfen., die das Flugzeug um seine Längs-
und Querachse ausführt. Der hompaß gerät dadurch unter die Wirkung eines vom Erdfeld
herrührenden Störeinflusses. Das gesamte Erdfeld läßt sich bekanntlich in eine Horizontalkomponente
und eine Vertikalkomponente zerlegen. Das Maß für die Relativlage des Fahrzeuges
zum erdmagnetischen Meridian wird vom Horizontalfeld abgeleitet. Bei einer Neigung
des Meßsystems gegenüber der Horizontalebene entsteht aber eine von der Vertikalkomponente
abhängige Horizontalkomponente H," die sich auf das Meßsystein als Störeinfluß auswirkt.
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Um den von der Vertikalkomponente herrühren-den Störeinfluß zu beseitigen,
hat man Einrichtungen vorgeschlagen, durch welche ein die gesamte Vertikalkomponente
ausgleichendes Gegenfeld erzeugt wird. In einem anderen Fall hat man die in, die
Rosenebene des Kompasses fallende, von der Vertikalkomponente herrührende iStörkomponente
H,, kompensiert, und zwar durch zwei Spulen, deren Achsen zueinander senkrecht in
der Rosenebene angeordnet sind. Im letzteren Fall ist ein wesentlich kleinerer Energieaufwand
erforderlich. ' Die Erfindung geht bei der Kompensation des Störeinflusses der Vertikalkomponente
mit Hilfe eines Magnetfelderzeugers noch einen Schritt weiter, indem gemäß der Erfindung
bei einem Kompaß mit einen stabförmigen Körper enthaltendem Meßsystem der oben angegebenen
Gattung der Magnetfelderzeuger in einer derartigen Richtung angeordnet ist, daß
lediglich der von der jeweils in die Stabachse fallenden Störkomponente des Störeinflusses
H" herrührende magnetische Fluß in dem Körper ausgeglichen wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und sind in der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
erläutert.
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Bei dem in der Fig. i dargestellten Ausführungsbeispiel bedeuten i
und z zwei parallele stabförmige Körper aus magnetisch gut durchlässigem Stoff,
die große Längserstreckung gegenüber den Querabmessungen haben. Auf dem Mittelteil
der beiden Körper sind die Wicklungen 3 und q. angeordnet. Diese beiden jeweils
aus Stab und Wicklung bestehenden Anordnungen sind in einem Körper 5 aus nichtmagnetischem
Stoff gehaltert. Dieser Körper ist mit Hilfe einer Welle 6 auf einer Plattform 7
befestigt. Diese Plattform ist im Luftfahrzeug um die Achse der Welle 6, die parallel
zur Hochachse des Flugzeuges liegt, drehbeweglich gelagert, so daß die beiden aus
Stab und Wicklung bestehenden Anordnungen i, 2 bzw. 3, q., die in einer zur Plattform?
parallelen Ebene liegen, durch Drehung der Plattform 7 in einer der durch die Längs-
und Querachse des Flugzeuges bestimmten Flugzeugebene parallelen Ebene bewegt werden
können. Die beiden .-Xnordnungen i, 2 bzw. 3, 4 können indes auch in zwei voneinander
verschiedenen, zur Plattform 7 parallelen Ebenen liegen.
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Die Wicklungen 3 und q. bilden, wie in der Zeichnung nicht näher dargestellt
ist, zwei Zweige einer Brückenschaltung, deren beide übrigen Brückenzweige aus Olimschen
Widerständen bestehen. Die beiden Diagonalzweige der Brückenschaltung werden von
einer Stromquelle für periodisch veränderlichen Strom und einem Anzeigeinstrument
gebildet. Der periodisch veränderliche Strom in den Wicklungen 3 und .f erzeugt
in dem Stab i bzw. 2 einen periodisch veränderlichen magnetischen Fluß. Wird die
aus Stab und Wicklung bestehende Anordnung dem erdinagnetischen Feld ausgesetzt,
wobei angenommen ist, daß die Ebene, in welcher die Stabachse liegt, in einer Horizontalebene
liegt, so wird im wesentlichen in dem Stab die Horizontalkomponente des erdmagnetischen
Feldes wirksam. Der von letzterer herrührende magnetische Gleichfluß überlagert
sich dem durch die genannte Wicklung erzeugten periodisch veränderlichen Fluß, wobei
jeweils die der Relativlage des Stabes zum erdmagnetischen Feld entsprechende Komponente
der Horizontalkomponente in dem Stab wirksam wird. Der Widerstand für den periodisch
veränderlichen Strom der Wicklung ist abhängig von der Änderung des magnetischen
Widerstandes des Stabes bzw. der Änderung des Flusses mit dem Erdfeld in dem Stab,
so daß die Brückenschaltung ein direktes Maß für die Relativlage des Stabes gegenüber
dem erdmagnetischen Feld bzw. dem magnetischen Meridian liefert.
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Im Horizontalflug, in welchem die durch die Längs- und Querachse des
Flugzeuges bestimmte Flugzeugebene und damit die Plattform 7 horizontal liegt, ist
lediglich die Horizontalkomponente des Erdfeldes in der Meßanordnung wirksam. Das
Meßergebnis ist in diesem Fall eindeutig und keiner Verfälschung durch die Vertikal'koinponente
des Erdfeldes unterworfen. Wird das Flugzeug durch irgendwelche Kräfte, beispielsweise
Böen, innere Gleichgewichtsstörungen des Flugzeuges, Lastabwurf u. dgl., aus seiner
Gleichgewichtslage gestört, so ändert sich die
Fluglage gegenüber
der Horizontalebene, und mit dem Flugzeug ändert sich auch die Lage der vorerwähnten
Drehebene der Stäbe i und 2. Die Drehachse des Kompasses schließt mit der wahren
Lotrechten einen Winkel ein, und diesem Winkel entsprechend wird die Vertikalkomponente
des Erdfeldes in der vorbeschriebenen Weise wirksam, indem sich, wie bereits erwähnt,
eine Komponente der Vertikalkomponente der von der Horizontalkomponente herrührenden
Komponente überlagert.
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Um ein eindeutiges Meßergebnis zu erzielen, sind Vorrichtungen vorgesehen,
durch welche dieser Störeinfluß kompensiert wird. Beim Ausführungsbeispiel ist zu
diesem Zweck ein magnetischer Felderzeuger vorgesehen, der ein der jeweiligen Störgröße
entsprechendes Kompensationsfeld liefert. Ein rohrförmiger Körper 8, der beispielsweise
kreisförmigen oder, wie beim Ausführungsbeispiel, rechteckigen Querschnitt haben
kann, umschließt die beiden Anordnungen i, 3 bzw. 2, 4. Auf diesem Körper8 ist eineWicklung
9 angeordnet, die von Gleichstrom gespeist ist. Durch diesen Strom wird ein magnetisches
Feld erzeugt, dessen Achse in, die Richtung der Achse der beiden Anordnungen fällt.
Der in der genannten Feldwicklung fließende Strom ist in der Weise steuerbar, daß
das von dem Strom erzeugte Feld hinsichtlich seiner Intensität jeweils der betreffenden,
in der Meßanordnung wirksamen Komponente der Vertikalkomponente entspricht.
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Die Steuerung des zur Erzeugung des Kompensationsfeldes dienenden
Gleichstromes geschieht mit Hilfe eines absoluten Lotanzeigers, beispielsweise eines
im Flugzeug angeordneten Kreisels mit lotrechter Kreiselumlaufachse, eines sogenannten
Horizontalkreisels. Dieser Horizontalkreisel ist mit seiner lotrechten Umlaufachse
in einem Gehäuse io gelagert. Das Kreiselgehäuse ist mit den. Zapfen i i und iz
der inneren Kardanachse in, einem Kardanring 13 gelagert, der seinerseits
mit den Zapfen 14 und 15 der äußeren Kardanachse in flugzeuggebundenen Lagerböcken
16, 17 gelagert ist. Die beiden Lagerböcke 16 und 17 sind auf einer Plattform 18
befestigt, die ihrerseits flugzeuggebunden, aber um eine zur Plattform senkrechte
Achse drehbeweglich angeordnet ist. Die Plattform 18 des Horizontalkreisels und
die Plattform 7 des Kompasses liegen beim Ausführungsbeispiel in parallelen Ebenen
und stehen miteinander inEinstellverbindung, beispielsweise mit Hilfe . einer biegsamen
Welle ig und jeweils eines den beiden Plattformen zugeordneten Schneckengetriebes
zo bzw.2i. Bei azimutalerEinstellung desKompasses wird gleichzeitig der mit ihm
gekuppelte Horizontalkreisel verstellt, so daß die äußere Kardanachse 14, 15 des
Kreisels je-
weils der Achse der Anordnungen i, 2 bzw. 3. 4 parallel ist.
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Mit der inneren Kardanachse i i, I2 ist ein senkrecht zu dieser angeordneter
Kontaktarm22 fest verbunden, der mit einem auf dein Kardanrahmen 13 befestigten
Potentiometerwiderstand 23 zusammenarbeitet. Im Horizontalflug fällt, wie aus Fig.
2 ersichtlich ist, der Berührungspunkt o des Kontaktarmes mit dem Potentiometerwiderstand
mit dessen elektrischem Nullpunkt zusammen. Nimmt das Flugzeug eire irgendwie geneigte
Lage ein, so schließt, wie sich aus Fig.3 ergibt, die Achse I-I der beiden Anordnungen
i, 2 bzw. 3, 4 mit dem Lot, d. h: mit der Richtung der Vertikalkomponente h, den
Winkel q' ein. Der diesen Winkel p' zu einem rechten Winkel ergänzende Winkel (p
ist durch den Bogen o-o' (Fig.z) gegeben, wenn mit ö der Berührungspunkt des Kontaktarmes
mit dem Potentiometerwid-erstand bezeichnet wird, der der augenblicklichen geneigten
Lage des Flugzeuges entspricht. Wie früher ausgeführt wurde, ist der störende Anteil
der Vertikalkomponente des erdmagnetischen Feldes die in die Stabachse I-I fallende
Komponente S der Vertikalkomponente V. Ihr Betrag ist V - sin cp. Um den Einfluß
der Störkomponente zu kompensieren, wird in dem Ausführungsbeispiel mit Hilfe der
Feldwicklung g auf dem Körper 8 ein Magnetfeld S' erzeugt, dessen Richtung mit der
Achse I-I zusammenfällt, dessen Intensität gleich ist der Intensität der Störkomponente
und dessen Richtungssinn dem der Störkomponente entgegengesetzt ist.. Das Kompensationsfeld
ist proportional dem in der Feldwicklung fließenden Strom i. Es muß somit
i proportional sin 9p sein. Der Strom i ist gegeben durch den an dem Potentiometerwiderstand
23 abgegriffenen Teil der Spannung der Stromquelle E bzw. E', durch den Widerstand
der Wicklung und den Regelwiderstand 24. Da i proportional dem Sinus desWinkelsqp
sein muß, ist in dem Ausführungsbeispiel der Potentiometerwiderstand so ausgebildet,
daß die an ihm abgegriffene Spannung jeweils dem Sinus des Winkels 9p entspricht.
Mit Hilfe des Regelwiderstandes 24 ist der Absolutbetrag des Stromes einstellbar,
so daß das in der. Feldwicklung von dem Strom i erzeugte Feld hinsichtlich seiner
Größe der Störkomponente des Erdfeldes angepaßt werden kann. Auf diese Weise ist
es auch möglich, die an verschiedenen Stellender Erdoberfläche vorhandene verschiedene
Intensität der Vertikalkomponente in entsprechender Weise zu berücksichtigen. Die
Anpassung des Kompensationsfeldes an die Störkomponente kann indes auch auf andere
Weise erfolgen, beispielsweise
durch Wahl oder Änderung der Spannung
der Stromquellen E, E' oder durch ParallelschaItung eines Widerstandes zur Feldwicklung,
Änderung der Windungszahl der Feldwicklung usw.
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Wird von der Einstellverbindung zwischen den beiden genannten Plattformers
des Horizontes und des Kompasses abgesehen, so kann der Horizont flugzeuggebunden
in der Weise angeordnet sein, daß die äußere Kardanachse mit der Längsachse und
die innere Kardanachse mit der Querachse des Flugzeuges zusammenfällt bzw. daß die
betreffenden Achsen jeweils parallel sind. In diesem Fall ist die Abhängigkeit der
Intensität des Kompensationsfeldes außer von der Drehung um die Achse 11, 1.2 noch
von der Drehung um die Achse 1q., 15 und von dem Winkel abhängig, den die Achse
1d., 15 mit der Achse I-1 der beiden Anordnungen einschließt. Ein Umschalter
25 dient dem Zweck, die Meßanordnung der nördlichen bzw. südlichen Breite anzupassen.
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Bei dervorbeschriebenenAnordnung nimmt das Kompensationsfeld relativ
zur Meßanordnung immer die gleiche Lage ein. Die Richtung des Kompensationsfeldes
fällt also mit der Richtung der Achse der Meßanordnung zusammen. Die Größe des Feldes
wird in Abhängigkeit von dem Winkel, den die Achse I-I mit dem Lot einschließt,
durch Steuerung des das Kompensationsfeld erzeugenden Gleichstromes so geregelt,
daß es den Störeinfluß der Vertikalkomponente kompensiert.
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Ein Flugzeug scann indes nicht nur ungewollten, sondern auch gewollten
Lagenänderungen unterworfen sein. Dies ist beispielsweise der Fall beim Starten
oder Landen, wobei das Flugzeug .eine bestimmte Neigung um die Querachse erhalten
soll. In diesem Fall kann der Kompaß flugzeuggebunden, aber in bekannter Weise um
drei vorzugsweise zu den Hauptachsen des Flugzeuges parallele Achsen drehbeweglich
angeordnet sein. Wird die-genannte Längsneigung des Flugzeuges selbsttätig durch
einen Neigungsmesser, z. B. einen Horizontalkreisel, überwacht, so wird die an dem
genannten Gerät für die Längsneigung vorgesehene Basis des Abgriffes entsprechenddemgewünschtenWinkel
der Längsneigung verstellt. Diese Neigungsänderung des Flugzeuges kann beim hompaß
in der Weise kompensiert werden, daß der Kompaß hinsichtlich seiner Relativlage
gegenüber dem Flugzeug verstellt wird, so daß die Plattform, auf der der Kompaß
angeordnet ist, horizontal bleibt und der Kompaß auf diese Weise dem Störeinfluß
der Vertikalkomponente des erdmagnetischen Feldes entzogen ist. In analoger Weise
kann eine Neigungsänderung des Flugzeuges um seine Längsachse, d. h. eine Querneigung
des Flugzeuges, bei welcher das Flugzeug in einer bestimmten Schräglage stabilisiert
sein soll, kompensiert werden. Es ist auf diese Weise eine mechanische Kompensation
von gewollten Neigungen des Flugzeuges möglich, bei welcher der Störeinfluß der
Vertikalkomponente des erdmagnetischen Feldes insofern ausgeschaltet wird, als der
Kompaß in seiner Relativlage gegenüber dem erdmagnetischen Feld, in welcher ein,
Störeinfluß nicht auftritt, stabilisiert ist. Diese Art der Kompensierung stellt
indes im wesentlichen lediglich eine Grobkompensierung dar. Wenn bei solchen, längere
Zeit hindurch aufrechtzuerhaltenden Fluglagen ungewollte Gleichgewichtsstörungen
des Flugzeuges auftreten, so können die durch diese bedingten Störeinflüsse der
Vertikalkomponente des erdmagnetischen Feldes wiederum mit Hilfe einer im vorstehenden
beschriebenen Kompensationseinrichtung, bei welcher ein Kompensationsfeld durch
einen besonderen Felderzeuger in Abhängigkeit von den ungewollten Lagenänderungen
des Flugzeuges geliefert wird, ausgeglichen werden.
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Eine Vereinfachung des Gerätes läßt sich im Rahmen der Erfindung weiterhin
dadurch erzielen, daß die beiden Plattformen für den Kompaß und für den Horizontalkreisel
in einem gemeinsamen Träger angeordnet sind, wobei insbesondere die Drehachsen der
beiden Plattformen gleichachsig angeordnet sind und der genannteTrägerdann in entsprechender
Weise einstellbar ist.