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Kreiselgerät zur Richtungsbestimmung
Die Erfindung betrifft ein Kreiselgerät
zur Richtungsbestimmung, insbesondere für Vermessungszwecke, mit aufgehängtem Kreiselelement.
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Es ist bekannt, zur Richtungsbestimmung Kreiselgeräte zu verwenden.
Es wird dabei von der Eigenschaft eines sich schnell um seine in der Horizontalebene
liegende Achse drehenden Kreisels ausgegangen, sich mit seiner Achse in die Meridianrichtung
einzustellen bzw. um diese hin und her zu schwingen. Voraussetzung dafür ist, daß
der Kreisel sich um die Vertikale frei drehen kann. Es ist jedoch sehr schwierig,
den Kreisel so zu lagern, daß eine ausreichend störmomentefreie Drehbarkeit um die
Vertikale erreicht wird.
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Vor allem bei Vermessungsgeräten, mit denen der Azimutwinkel eines
angepeilten Objekts gegenüber der wahren Nordrichtung gemessen werden soll, und
insbesondere bei Geräten, mit denen eine derartige Bestimmung unter Tage ausgeführt
werden soll, sind die Anforderungen an die Genauigkeit und damit die erwähnten Schwierigkeiten
besonders groß. Man war daher bisher bemüht, die Lagerung des Kreisels astatisch
möglichst frei von Lagerdrehmomenten zu gestalten.
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Zu diesem Zweck wurde das Kreiselelement in einer Flüssigkeit gelagert.
Der Aufbau von Geräten, die mit einer derartigen Lagerung versehen sind, ist jedoch
außerordentlich umständlich. Da Vermessungskreisel im Gegensatz zu Schiffskreiselkompassen
zur Messung an verschiedenen Orten aufgebaut werden, ist dies ein großer Nachteil.
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Ferner wurde vprgeschlagen, das Kreiselelement zwischen zwei Bändern
aufzuhängen. Die Genauigkeit derartiger Geräte ist jedoch bisher für Vermessungszwecke
nicht ausreichend.
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Bei dem Richtkreisel nach der Erfindung wird eine auch für Messungen
unter Tage ausreichende Meßgenauigkeit und gleichzeitig ein so einfacher Aufbau,
daß
das Gerät leicht und sicher befördert und rasch aufgestellt werden kann, dadurch
erreicht, daß das Kreiselelement als Torsionspendel aufgehängt ist.
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Dieses einfache Aufhängemittel wurde überraschenderweise bisher noch
nicht für diesen Zweck vorgeschlagen.
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Zugleich wird damit der bisher eingeschlagene Weg, die durch die
Lagerung hervorgerufenen Drehmomente zu verringern, verlassen, indem bewußt solche
Drehmomente zugelassen werden. Dabei ist allerdings Voraussetzung, daß diese genau
bekannt und berechenbar sind, was dadurch erreicht wird, daß als Aufhängemittel
ein Band od. dgl. mit konstanten elastischen Eigenschaften dient. Die im wesentlichen
dabei in Frage kommenden Eigenschaften sind die Direktionskraft des Aufhängemittels
sowie dessen Torsionsnullpunkt, d. h. also derjenige Punkt, um den der an dem Band
aufgehängte, nicht rotierende Kreisel schwingt.
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Zweckmäßigerweise ist das Gerät, wenn keine Zentrierungsvorrichtung
vorgesehen ist, mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Ablesevorrichtungen
versehen, durch die die Umkehrpunkte der Schwingungsbögen des Kreiselelementes beobachtet
werden können. Durch diese doppelte Ablesung können kleine Translationsbewegungen
des Kreiselelementes, die außer den Drehschwingungen um die vertikale Hochachse
stattfinden, festgestellt werden.
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Die durch die Translationsschwingungen verursachten Fehler bei der
Ablesung der Umkehrpunkte können dadurch eliminiert werden, daß statt eines Ablesewertes
der Wert aus der halben Summe beider Ablesewerte für einen Umkehrpunkt der Messung
zugrunde gelegt wird. Aus mehreren derart gewonnenen Umkehrpunkten kann der Nullpunktwert
K der Kreiselschwingungen errechnet werden.
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Zur Ausschaltung von durch Konvektionsluftströme verursachten, nicht
berechenbaren Störmomenten kann man das aufgehängte System im Vakuum schwingen lassen.
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Man kann aber auch zur Ausschaltung der gleichen Störmomente das
Äußere des aufgehängten Systems sowie das Innere des festen Teiles derart ausgestalten,
daß beide symmetrische Formen in bezug auf die vertikale Hochachse haben.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform des Kreiselgerätes nach
der Erfindung beispielsweise schematisch dargestellt.
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Der um eine Achse I drehbare Kreisel 2 ist mittels eines Kugellagers
3 in einem Kreiselgehäuse 4 gelagert. Das ganze Element ist in einer um eine vertikale
Achse symmetrischen Kappe 5 untergebracht.
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Starr mit dem Kreiselgehäuse 4 und der Kappe 5 ist eine Ableseskala
6 mit Kreisteilung verbunden. Dieses System ist mittels eines Bandes 7 in einem
Gehäuse 8 derart aufgehängt, daß es um eine senkrechte Achse g schwingen kann. Das
Band 7 ist mittels einer oberen und einer unteren Einspannvorrichtung IO und II
an dem Gehäuse 8 des Gerätes und an dem Kreiselsystem befestigt.
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Das Gehäuse 8 ist auf einem Dreifuß I2 mit Justierfüßen gelagert.
Es besteht aus einem unteren breiten Teil, in dem das Kreiselsystem schwingt, und
einem oberen verengten Teil, in dem das Aufhängeband 7 untergebracht ist. In den
Absatzflächen zwischen dem unteren und dem oberen Teil des Gehäuses 8 sind Beobachtungsfenster
I3 und 14 für zwei einander diametral gegenüberliegende Ablesemikroskope I5 und
I6 angebracht. Die Ablesemikroskope sind mit Armen I7 und I8 verstellbar an dem
verjüngten Teil des Gerätegehäuses 8 befestigt.
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Am oberen Ende des verjüngten Gehäuseteiles ist ein Theodolit I9
derart angebracht, daß seine vertikale Drehachse mit der Achse g des Kreiselgerätes
zusammenfällt. Der Theodolit kann in bekannter Weise abnehmbar an dem Gerät befestigt
sein und mit seinem, eine Kreisteilung aufweisenden Horizontalring 20 direkt auf
der oberen Gehäusewand des Gerätes aufheben. Das Theodolitfernrohr 21 kann dann
genau in einem bestimmten Winkel gegenüber der mit dem Gerät bestimmten Meridianrichtung
eingestellt werden.
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Kappe 5 und Ableseskala 6 sind an ihrer Außenseite, das Gehäuse 8
an der Innenseite genau symmetrisch zur Vertikalachse gearbeitet. Auf diese Weise
können durch Erwärmung hervorgerufene Konvektionsluftströme im Gehäuseinnern keine
Störmomente hervorrufen. Das Innere des Gehäuses kann zusätzlich oder bei nicht
vorhandener Symmetrie der erwähnten Teile evakuiert sein. Zu diesem Zweck kann in
der Gehäusewand ein Evakuierhahn vorgesehen sein.
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Nicht dargestellt sind in der Zeichnung die Quecksilberstromzuführungen
für den Kreisel und die Kreiselstatorwicklung, die in bekannter Weise ausgeführt
sein können. Ebenfalls nicht dargestellt ist eine Arretiervorrichtung für den Kreisel,
die in bekannter Weise, beispielsweise am Boden des Gehäuses, angebracht sein kann
und durch die verhindert wird, daß der Kreisel beim Transport beschädigt wird. In
der Gehäusewand kann außerdem noch ein nicht dargestelltes Beobachtungsfenster für
das Kreiselelement vorgesehen sein.
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Zur Messung werden durch die Ablesemikroskope 15 und I6 und die Beobachtungsfenster
I3 und 14 auf der Kreisteilung der Ableseskala 6 die Werte für die Umkehrpunkte
der Schwingungen des Kreiselsystems abgelesen und der Nullpunktwert K gebildet.
Infolge der Direktionskraft des Bandes liegen diese Umkehrpunkte nicht symmetrisch
zur Meridianrichtung.
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Die Unstimmigkeit kann dadurch korrigiert werden, daß der Einspannkopf
10 gegenüber z. B. der oberen Gehäusewand bzw. dem oberen Gehäuseteil. oder die
Gerätebasis 22 gegenüber dem Fuß 12 drehbar angeordnet sind und so lange der Kreiselachse
nachgedreht werden, bis der Schwingungsnullpunkt bei rotierendem Kreisel und der
Torsionsnullpunkt des Bandes od. dgl. bei nicht rotierendem Kreisel zusammenfallen.
Dann befindet sich die Basis des auf dem Gerät aufgebauten Theodolits stets gleich
ausgerichtet zum Meridian.
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Für diese Basisausrichtung muß einmal durch eine Eichmessung der
Wert an der Kreiseinteilung des Theodolithorizontalringes 20 festgestellt werden,
bei dem die optische Achse des Theodolitfernrohrs 2I nach rechtweisend Nord zeigt,
was beispielsweise durch Anpeilen eines Objekts von bekanntem Azimut geschehen kann.
Wird danach das Gesamtgerät irgendwo anders aufgestellt, so bringt man durch Ubereinstimmung
der
Schwingungsnullpunkte bei ruhendem und laufendem Kreisel die
Basis des Theodoliten in oben ausgeführte Meridianausrichtung. Durch Einstellen
des Horizontalringes 20 auf den Eichwert kann man die optische Achse des Fernrohrs
21 nach Norden ausrichten.
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Zweckmäßiger ist es jedoch, den Einspannkopf bei der Messung nicht
zu drehen. Dafür ist es notwendig, statt eines Eichpunktes mindestens zwei Eichpunkte
zu messen: Zu diesem Zweck mißt man bei irgendeiner Aufstellung des Gesamtgeräts
sowohl den Schwingungsnullpunkt K des laufenden Kreisels als auch den Wert T am
Theodolithorizontalring 20, bei dem die optische Achse des Fernrohrs nach Norden
zeigt, was beispielsweise etwa durch Anpeilen eines Objekts von bekanntem Azimut
geschehen kann. Danach dreht man das Gesamtgerät um einen Winkel um die Vertikale
und mißt erneut die Werte K und T. Da T eine lieneare Funktion von K ist, genügt
es an sich, zwei Wertepaare zu bestimmen. Im Interesse der Genauigkeit des Zusammenhangs
zwischen T und K wird man jedoch für diesen einmaligen Eichprozeß mehrere Wertepaare
aufnehmen. Mit Hilfe dieser experimentell ermittelten Eichgeraden kann man nunmehr
bei beliebiger Aufstellung des Geräts aus dem gemessenen Nullpunkt K der Kreiselschwingungen
den Theodolit auf den zugehörigen Wert T am Theodolithorizontalring 20 einstellen,
so daß die optische Achse des Fernrohrs 21 nach Norden zeigt.
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Die optische Achse des Theodolitfernrohrs 21 kann mit dem Gerät nach
der Erfindung nach rechtweisend Nord mit einem möglichen Fehler maximal i 0,5' aus
gerichtet werden. Mit der gleichen Genauigkeit kann man dann also auch das Azimut
irgendeines angepeilten Objekts messen.