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Kreiselgerkt zum Ermitteln der Richtung und Größe der Winkelgeschwindigkeit
eines bewegten Systems Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kreiselgerät
zu schaffen, mit dessen Hilfe man die Richtung und die Größe der winkelgeschwindigkeit
eines bewegten Systems, z.B. der Erdkugel @@ jedem beliebigen Punkt, ermitteln kann.
Kennt man aber an irgend-@@@@@ Standort die Richtung und Geschwindigkeit der Erddrehung,
dann @@gibt sich daraus die lage Ges meridians und der geographischen Breite.
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Das Kreiselgerät nach der Erfindung soll also bei ortsfester Aufstellung
an irgendeinem Standort nicht nur als Kompaß dienen, sonlern auch die georaphische
Breite des Standorts angeben, Bei Ausftellung des Kreiselgeräts auf einem Fahrzeug
kann man aus den Angaben des die gestellte Aufgabe lösenden Kreiselgeräts Richtung
und
Größe der Fahrgeschwindigkeit gegenüber der Erde feststellen,
wenn @an den Breitengrad des Ortes kennt, an dem sich das Fahrzeug befindet.
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Bringt man einen indifferent mit drei Freiheigsgraden der Drehung
gelagerten Kreisel, auf den keine störenden Momente wirken, mit seiner Umlaufachse
in die lotrechte Richtung und überläßt ihn dann sich selbst, dann neigt sich allmälich
seine Umlaufachse mit einer Winkelgeschwindigkeit nach Westen, die von der geographischen
Breite des Standorts abhängt und am größten ist, wenn sich der Standort am Äquator
befindet, diese Auswanderung läßt sich indessen dadurch verhindern, dass man auf
den Kreiselläufer ein Stützmoment ausübt, dessen Vekter waagerecht liegt und nach
Westen weist. Ist dieses Stützmomeht zu groß oder zu klein, dann wandert die Kreisllauferachse
nach Csten oder Westen aus, Mißt man diese Auswanderung und regelt man die Größe
des Stützmoment@ in abhängigkeit vom Meßergebnis, dann kann man das Auswandern der
Läuferachse nach Csten oder Westen verhindern. Weicht der Vektor des Stützmoments
von der Ost-West-Richtung nach Nerden oder Süden ab, dann, neigt sich die Kreiselläuferachse
ebenfalls nach Norden oder Süden. Durch Messen dieser Neigung und durch Regeln der
Richtung des Stützmomentvektors kann man daher die Kreiselläuferachse in der Lotrechten
stabilisieren, die Richtung
des Sttltzmoments gibt dann die Lage
des Iferidians an - dieser verlauft nämlich rechtwinklig zun; waagerechten StUtzmcmentvektor
- und aus der Größe des Stützmoments und dem Kreiseidrall lässt sich der Breitengrad
errechnen.
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Auch dann, wenn die Soll-Stellung der Kreiselläuferachse nicht die
Lotrechte ist, besteht dieselbe Beziehung zwischen Größe und Richtung des die Kreiselläuferachse
in der Solistellung stabilisierenden @tützmoments und der zu ermittelnden Richtung
und Größe der Winkelgeschwindigkeit des bewegten Systems. Bs kommt nur darauf an,
daß die Soll-Stellung realtiv zum bewegten System. fest und geneigt zu der zu messenden
Vektorrichtung der Winkelgeschwindigkeit, z.B. der Erddrehung, gewählt wird.
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Die Erfindung betrifft also ein Kreiselgerät zum Ermitteln der Richtung
und Größe der Winkelgeschwindigkeit eines bewegten Systems, z.B. der Richtung des
Meridians und der geographischen Breite, und ist gekennzeichnet durch einen im wesentlichen
indifferent gelagerten Kreiselläufer mit drei Freiheitsgraden, mit einem Stützmomenerzeuger
und mit auf Abweichungen der Ist-Stellung der Kreiselläuferachse von einer Soll-Stellung
(die relativ zum bewegten System fest und geneigt zu der zu messenden Vektorrichtung
der Winkelgeschwindigkeit liegt) ansprechenden Steuérungen, deren eine die Größe
des Stützmommnts bei Abweichungen von einer von-rei zueinander rechtwinkligen Azimutrichtungen
und
deren andere die Richtung des Stützmoments bei Abweichungen in der anderen der Azimutrichtungen
in einer Weise verstellt, derzufolge die Läuferachse jeweils in die Soll-Stellung
zurückwandert, und ferner dadurch gekennzeichnet, daß ein Anzeigeglied für die gesuchte
Größe durch die eine Steuerung in Abhängigkeit von der Größe des Stützmoments und
ein Anzeigeorgan für die gesuchte Richtung durch die andere Steuerung in abhängigkeit
von der Richtung des Stützmoments verstellbar ist.
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Bei Verwendung eines Kreiselläufers, der mittels einer zu seiner
Mitte konzentriaschen kugelfläche mit drei Freiheitsgraden gelagert ist, kann die
Stützkraft durch ein an einem Achszapfen des Kreiselläufers angreifendes Lager and
ein daran angreifendes Zugorgan ausgeübt werden.
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An sich ist ein Kreiselgerät mit einem indifferent gelagerten Kreisel
iait drei Freiheitsgraden bekannt, bei welchem der Kreiselträger mit seiner Umlaufachse
durch Stützmomenterzeuger in der Lotrechten gehalten wird. Dabei werden aber die
Stützmomente lurch Pendel- oder Libellen gesteuert und nicht gemessen. Dieses bekannte
Gerät dient ledglich als Horizontgerät und nicht zur Ermittlung der Richtung des
#eridians und der geographischen Breite.
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In den Zeichnungen, in denen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
veranschaulicht sind, zeigen Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung des Kreiselgeräts
mit einem zusatzlich zu seinen Kreiselläuferantrieb vorgesehenen Stützmomenterzeuger,
Fig. 2 einen lotrechten Schnitt durch den Kreiselläufer, Fig. 3 einen Aufriß eines
Kreiselgeräts, bei welchem das Stützmoment durch eine Komponente des auf den Kriselläufer
wirkenden Antriebsmoments ausgeübt wird, Fig. 4 das in Fig. 3 gezeigte Kreiselgerät
im Grundriß, Fig. 5 eine Teilseitensansicht und Fig. 6 einen Grundriß eines abgeänderten
Stützmomenterzeugers.
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Ein Kreiselläuer 1C weist eine innere, zu seinem Schwerpunkt konzentrische
halbkugelförmige Lagerpfanne 1-1 auf, durch deren Mitte die rotationsachse 12 hindurchgeht.
Mit dies er Lagerpfanne ist der L'äufer auf einer Kugel 13 gelagert, die von einer
aufrechten Stütze 14 getragen wird.
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Der Antrieb des Kreiselläufers erfolgt durch Einrichtungen, die auf
diesen ein @rehmoment um die Achse 15 der Stütze 14 ausüben und zum Beispiel aus
Druckluftdüsen bestehen können, di<? den Läufer 10 isl Umlaufrichtung anblasen,
wie in der
Patentanmeldung A 34 861 IX/42c beschrieben, oder auch
von einem in der Kugel 13 eingebauten elektrischen Drehfelderzeuger gebildet werden
können, dessen Drehfeld @@n Kreiselläufer 10 nach Art eines Kursschlußankers antreibt.
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Die Sttze 14 hat einen runden Fuß 17, der auf der Plattform 16 befestigt
ist. Auf diesem runden Fuß ist ein Ring 21 um die Achse 15 drehbar gelagert. Dieser
Ring hat eine Schneckenverzahnung 18, die mit einer Schnecke 19 kärmt, die von der
Welle eines Stellmotors 20 getragenh und so gelagert ist, daß sie sich in ihrer
Achenrichtung nicht verschieben kann. Durch den Stellmotor ist daher der Ring 21
um die Achse 15 drehbar. Dieser Ring trägt nun einen Arm 22, dessen E@@e in einigem
Abstand von dem Kreiselläufer aufwärtsragt und Lager 23, 24 trägt, deren gemeinsame
Achse die Achse 15 rechtwinklig kreuzt.
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Diese Lager tragen drehbar eine waagerechte Welle 25, auf der ein
Spule 26 bfestigt ist. Diese befindet sich zwischen den Schenkeln eines vom Arm
22 getragenen Hufeisenmagneten 27, und sie übt daher auf die Welle 25 ein Drehnoment
aus, wenn die Spule 26 mit Gleichstrom erregt wird. Eine Spiralfeder 2£-, deren
äußeres Ende an dem Hufeisenmagneten und deren inneres Ende an der Welle 25 befestigt
ist, fesselt diese in der Lage, in die Spule 26 lotrecht steht. Die Feder kann d1jrch
@erdrehen des Einhängepunktes verstellt werden, um konstant bleibende Kreiselmomente
zu kompensieren.
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Auf der Welle 25 ist ferner ein Sektor 29 befestigt, auf dessen Umfangsfläche
ein waagerechtes Zugorgan 30 so befestigt ist, daß es sich tangential von der Umfangsfläche
des Sektors 29 zu einem Ring 31 erstreckt, der auf einem oberen axialen Zapfen 32
des Kreiselläufers 10 möglchst reibungsfrei gelagert ist.
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Weist der Arm 22 in die Nordrichtung, dann übt das Zugorgan 30 auf
den Kreiselläufer ein Stützmopment aus, dessen Vektor nach Westen welst und dessen
Größe durch die Stärke der Erregung der Spule 26 bestimmt wird.
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Es sind nun zwei Regelkreise vorgesehen, durch welche der Winkel
zwischen der Läuferumlaufachse 12 und der die Antriebsachse 15 aufnehmenden @st-West-Ebene
und der Winkel zwischen der Läuferachse 12 und der die Antriebsachse 15 aufnehmenden
Nord-Süd-Ebene auf Null gehalten werden.
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Der Kreiselläufer hat oben eine zu seiner Umlaufachse 12 lotrechte
ebene Spiegelfläche 35, auf die durch einen Spiegel 36 ein abwärtsgericthteter,
mi+. der Antriebsachse 15 zusammenfallender Lichtstrahl gerichtet wird. Dieser Spiegel
wird von einem auf der Grundplatte 16 befestigten Stder 37 getragen. an dem sich
auch eine Lampe 38 befindet, die den @ichtstrahl auf die geneigt untere Fläche des
Spiegels 36 wirft. Dies@er ist durchsichtig, so dass der vom Spiegel 35 zurückgewerfene
Lichtstrahl durch ihn hindurchgeht und auf einen
über den Kreiselläufer
befindlichen Halter 39 treffen kann, der an Ständer 37 befestigt ist und vier Fotozellen
40, 41, 42 und 43 trägt, die in gleichen Abständen um die Achse 15 herum verteilt
sind.
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Die beiden Fotozellen 40 und 42 stellen das Meßwerk desjenigen Regeltreises
der, zu dem der Stellmotor 20 gehört, während die Fotozellen 41 und 43 zu dem anderen
Regelkreis gehören und die Richtung und Größe der Erregung der Wicklung 26 und somit
die Größe des vom Zugorgan 30 ausgeübten Stützmoments steuern.
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Die Grösse des durch das Zugorgan 30, etwa eine dünnen Draht, ausgeübte
Stützmoments, ist durch die Gleichung gegeben
Hierin bedeutet B den Kreiseldrall, #o die Winkelgeschwindigkeit des Umlaufs der
Erdkugel um ihre Achse (von dieser Größ ## ist die nach Richtung und Größe durch
das Kreiselgerät nach der Erfindung zu bestimmende Winkelgeschwindigkeit zu unterscheiden,
die 4sich auf den in der Zeiteinheit vom Srdkugelradius des Standortes beschriebenen
Winkel bezieht)', # die geographische Breite des Standortes, P die vom Zugorgan
30 auf den Ring 31 ausgeübte Zugkraft und h den Hebelarm, an dem diese Zugkraft
angreift, also den Abstand xx zwischen dem Ring 31 und der Mitte der Stützkugel
13.
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Da die Größe P von dem durch die Spule 26 fließenden Erregerstrom
bestimmt wird und da dieser durch ein Meßgerät angezeigt wird, und da die Größen
B, t»o und h bekannt sind, kann man mit Hilfe dieser Formel die geographische Breite
O des Standortes ermitteln. Damit Schwankungen von B infolge von Schwankungen der
Läuferdrehzahl berücksichtigt werden können, wird diese laufend gemessen und bei
Ermittlung von B berücksichtigt.
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Ist das Ereiselgerät nicht ortsfest, sondern auf einem Fahrzeug angeordnet,
dann kann man aus P und aus der Himmels richtung des Armes 22 die Größe der Fahrgeschwindigkeit
errechnen, sofern man die geographische Breite und den Kurs des Fahrzeugs kennt.
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In Figur 5 und 6 ist eine weitere Einrichtung beschrieben, mit der
ein Stützmoment veränderlicher Größe und Richtung auf den Kreiselläufer ausgeübt
werden kann. Der Kreisel erhält in seiner Achse einen sehr dünnen Zapfen 60 mit
einer Lagerbuchse 62', an der ein Zugseil 61 angehängt ist. Dieses Zugseil hängt
auf einer fest eingespannten Feder 62, die in einem Hebel 63 fest eingespannt ist.
Dieser dreht sich auf einer. Achse 64 auf liner um das Kreiselgehäuse schwenkbaren
Platte 65.
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Diese wird von den Arm 22, Fig. 1 getragen und sitzt fest an diesem.
Fest mit der Platte 65 ist ein Ständer 66 verbunden, der ein Mikrometer 67 trägt.
Der Hebel 63 wird durch eine Feder 68 an den @ ikroneterstift 69 kraftschlüssig
angelegt. Das Mikrometer @2 ist durch einen Stellmotor vestellbar, der in Fig. 1
anstelle
der Spule 26 durch die Phetozellen 41 und 43 gesteuert
wird.
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Durch Verstellen des Mikrometers kann die Feder 62, die im entspannten
Zustand die strichlierte Form einnimmt, vorgespannt werden, so daß ein Momentenvektor
auf den Kreisel wirkt, der senkrecht zu der Ebene ist, die durch das Zugseil 61
und die Kreiselachse gegeben ist. Die Richtung dieses Momentenvektors kann durch
Schwenken des Armes 22 geändert werden. Diese Vorrichtung tritt an die Stelle der
Einrichtung 31 und 32, Fig.1. as in den Fig. 3 und 4 gezeigte Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Stützm@ment auf den Kreiselläufer
von einer Komponante des Antri@bsmoments geliefert wird. Ist die Achse 15' des Antriebsmoments
nämlich nach Westen geneigt, während die Kreiselläuferachse 12' lotrecht steht,
dann kann man den Vektor des Antriebsmoments in zwei Komponenten zerlgen, deren
eine mit der Umlaufachs@ 12' zusammenfällt und lediglich dem Antrieb des Kreiselläufers
10 dient, während die andere Komponente rechtwinklig zu@ Achse 12' in Cst-West-Richtung
verläuft und als Stätzmoment wirkt, dessen Größe vom Neigungswinkel der Antriebsachse
1, abhängt und bei richtiger Bemessung genauso wirkt miu das vom Zugorgan 30 ausgeübte
Stützmoment, also die Kreiselläuferachse 12' lotrecht hält.
mit
die Antriebsachs@ 15 geneigt werden kann, ist bei der in den Fig.3 und 4 gezeigten
Ausführungsform der Fuß 17' der Stütze 14' mit Lagerbohrungen 5@ versehen, deren
gemeinsame Achse die Achse 15' der Stütze 14' rechtwinklig kreaut und in Lagerböcken
51 raht, die von einem waagerechten Ring 52 getragen werden. Der Ring 52 ist um
seine Achse 53 drehbar in einem Ring 54 gelagert und hat einen Zeiger 55, der mit
einer Teilung 56 des Ringes 54 zusammenwirkt. Die Achse 53 geht durch die Achse
der Bohrungen 50 hindurch.
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Der Kreiscelläufer 10' hat eine zu seiner Umlaufachse 12' gleichachsige
kegelförmige Ausch@hlung 57 und trägt in dieser eine starr an ihm befestigte Lagerkugel
58, die in einer auf der Stütze 14' vorgesehene Halbkugelige Lagerpfanne 59 ruht.
Der Antrieb des Kreiselläufes 10' kann in der gleichen Weise erfolgen wie derjenige
des Laufers 10 der oben beschriebenen Ausführungsorm der Erfindung.
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Ferner ist das Kreiselgerät mit zwei Regelkreisen versehen, durch
welche die Läuferumlaufachse 12' in der lotrechten Lage gehalten wird. Zu diesen
Regelkreisen gehört ein am Freiselläufer sorgesehener Spiegel 35', der den Spiegel
35 dr in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform entspricht. Ferner gehören zu den
Regelkreisen Fotozellen und Stellmotoren, die in den Fig.3 und 4 nicht räher dargestellt
sind. Die Fotozellen können ebenso angeordnet sein wie in Fig. 1 gezeigt.
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Einer der beiden Stellmotoren sitzt am Ring 52 und bestimmt den Neigungswinkel
# des Fußes 17'. Der andere Stellmotor, der dem Stellmotor 20 entspricht, dreht
den Ring 52 die Achse 53. Der Zeiger 55 weist dann nach Csten, und aus dem Winkel
ç kann man die geographische Breite des Standortes bestimmen.
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Wird hingegen der Kreiselläufer 10' durch ein Drehmoment angetrieben,
das nicht mit der Achse 14', sondern stets mit der Achse 12' zusammenfällt, etwa
durch am Kreiselläufer angebrachte Rückstoß düsen, dann kann man das Stützmoment
auch auf andere Weise erzeugen, zumBeispiel dadurch, dass man das Lager 58,59 als
Luftlager ausbildete Denn -beim Kippen der Schale 59 um den Winkel#wird auf den
Kreiselläufer 10' ein von der Stellung der Umlaufachse 12' unabhängiges Störluftmoment
ausgeübt. Dieses errechnet sich nach der Gleichung
In dieser Gleichung bedeuten n und # die in Fig.3 eingezeichneten Vektoren, woebi
n parallel zur Kreiselachse 12' verläuft Das Stützmoment steht senkrecht auf diesen
Vektoren und ist proportional dem Sinus des Winkels. zu . Da dieser Winkel klein
ist, ist das Moment mit großer Annäherung dem Winkel#verhältnisgleich. Damit dieses
Stützmoment richtig wirkt, muss die Achse der lagerbohrungen 50 in der Ost-West-Richtung
verlaufen.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können in ma-migfacher Hinsicht
abgeändert werden.
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So besteht die Möglichkeit, die von dem Zugorgan 30 ausgeübte Kraft
durch den Druck einer blasenden Düse zu ersetzen, die unmittelbar auf den Kreiselläufer
10 einwirkt.
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Diesen Druck misst man, indem man die auf die Düse wirkende Rückstoßkraft
bestimmt. Der Regelkreis mit den Fotozellen 41, 43 bestimmt dann die Beaufschlagung
dieser Düse.
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Bei der Ausführungsform der Fig.3 und 4 kann der Ring 52 als Kardanring
ausgebildet sein, dessen waagerechte Zapfen eine gemeinsame Achse haben, welche
diejenige der Lagerbohrungen 5 rechtwinklig kreuz-t. Die beiden Regelkreise müssen
dann die Steigung des Fußes 17' und des Kardanringes 52 so bestimmen, dcs.ss der
eine Kreis die Azimutrichtung, in der die Achse 15' geneigt ist, und der andere
Regelkreis die Grösse dieser Neigung bestimmt.
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Die beiden beschriebenen Ausfü.hnrngsbe ispiele stimmen darin überein,
dass der Kreiselläufer ein sphärisches Lager naht.
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Verwendet man einen Kreiselläufer mit zu seiner UmlauS-achse gleichachsigen
Achslagern, dann kann das Stütmoment in bekannter Weise auf den Kreiselläuferträger
ausgeübt werden, zum Beispiel mit Hilfe von elektrischen Drehfeldern.