DE196285C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- Ja 196285 KLASSE 42 c. GRUPPE .39.

FRANZ HILL in BRESLAU.

und eines Chronometers.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 28. Juli 1905 ab.

Vorliegende Erfindung betrifft ein nautisches Instrument, das den Schiffsort nach • Längen- und Breitengraden jederzeit selbsttätig angibt, ebenso die Himmelsrichtungen, und zwar mit Hilfe eines oder mehrerer Gyroskope und eines Chronometers.

Infolge der täglichen Umdrehung der Erde,

welche eine scheinbare tägliche Drehung der Rotationsebene derjenigen Gyroskopkreisel,

ίο deren Achsen nicht parallel der Erdachse stehen, hervorruft, ist eine selbsttätige Orts-

■ angabe mit Gyroskopen allein nicht möglich.

Gemäß vorliegender Erfindung wird nun diese scheinbare tägliche Drehung der Rota-15. tionsebene der Gyroskope mittels eines Chronometers unschädlich gemacht, welches die Ableseskala im Verlaufe eines Sterntages einmal um.sich selbst dreht. Hierdurch wird eine selbsttätige Ortsangabe erzielt.
Die beiliegende Zeichnung zeigt eine Ausführungsform eines derartigen Instruments, (gleichzeitig zur Längen- und Breitenangabe) in Fig. ι und 2 schematisch. Fig. 3, 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform des elektrischen Antriebs der Gyroskope und der von ■. einem Chronometer geregelten Uhrwerke.

a, b, c, d sind vier Gyroskope, deren Schwungmassen im- Schnitt und deren An-. triebsmotore in Ansicht dargestellt sind. Diese vier Gyroskope rotieren um zwei mit dem Gestell e fest' verbundene, zueinander senkrecht stehende Achsen f, g, und zwar derart, daß .immer je zwei auf einer'Achse sitzende Gyroskope im entgegengesetzten Sinne rotieren. Es rotieren deshalb auf jeder Achse zwei Gyroskope, damit die drehende Wirkung, die das eine Gyroskop (ζ. Β. α) infolge seiner schnellen Rotation in den Lagerstellen auf das Gestelle, ausübt, durch die entgegengesetzt drehende Wirkung des anderen Gyroskops (b) aufgehoben wird. Das Gestell e besteht aus zwei Ringen, deren Ebenen aufeinander senkrecht stehen, und wird durch drei aufeinander senkrecht stehende Achsen f, g, h, die mir dem Gestell e fest verbunden sind, versteift'*'" ~V . Mit e steht durch die Achse h eine Hohlkugel i derart in Verbindung, daß sie sich um h drehen kann. Die Oberfläche dieser zweiteiligen Hohlkugel i ist nach Art eines Globus in Längen- und Breitengrade geteilt, und zwar so, daß sich Nord- und Südpol an den Enden der Achse h befinden.

Die Hohlkugel i mit den Gyroskopen im-. Inneren ist nun durch h mittels kardanischer \ Ringe k, I, τη, η mit dem auf dem Schiff befestigten säulenförmigen hohlen Gestell 0 derart verbunden, daß eine freie Drehung nach jeder Seite hin möglich ist.

Die Hohlkugel mit den Gyroskopen und dem Ring k befindet sich im labilen Gleichgewicht. Ring m wird durch das Gewicht p derart gehalten, daß die beiden Drehzapfen, die m mit I verbinden, in einer Vertikalen liegen. Der obere dieser beiden Drehzapfen (der sich vorteilhaft in einem Kugellager bewegt), ist hohl ausgebildet zwecks Auf nähme eines mit Faden-

kreuz versehenen Ablesefernrohres q. Dieses Fernrohr steht also immer vertikal über dem Mittelpunkt der Hohlkugel.

An Stelle des Ablesefernrohres läßt sich auch eine Schreibvorrichtung zwecks Registrierung des Schiffskurses anbringen.

Nimmt man nun an, daß sich das Instrument an einem Punkt des Erdäquätors befindet und stellt die Hohlkugel so ein, daß sich Längen- und Breitengrad des Aufstellungsortes unter dem Fadenkreuz der Ablesevorrichtung schneiden und die Achse h der Hohlkugel in die Nord-Südrichtung fällt, so steht h auch parallel der Erdachse, also (wie in Fig. ι und 2) horizontal. Die Achsen der Gyroskope stehen also, da sie senkrecht zur Achse der Hohlkugel gerichtet sind, auch senkrecht zur Erdachse.
Läßt man die Gyroskope in dieser Stellung laufen, so werden sie infolge ihres Bestrebens, jederzeit im Weltraum ihre Achsenrichtung beizubehalten, auch die Achse h der Hohlkugel i dauernd parallel der Erdachse erhalten, auch wenn man das Instrument vom Aufstellungsort in nördlicher oder südlicher Richtung entfernt. Es wird also infolge der Kugelgestalt der Erde die Achse h bei Ortsveränderung in nördlicher oder südlicher Richtung aus ihrer horizontalen Lage heraustreten und einen gewissen Winkel mit dem Horizont bilden, der dem betreffenden Breitengrad, auf -. dem sich das Instrument augenblicklich be-• findet, entspricht. Infolgedessen wird auch unter dem Ablesefernrohr q der Äquator verschwinden und der betreffende Breitengrad direkt ablesbar zum Vorschein kommen.

Zur Erklärung der selbsttätigen Längenangabe dient folgende Betrachtung:

Nimmt man an, daß das Instrument an einem Punkt des Äquators (bei richtiger Einstellung wie oben) fest aufgestellt ist, so würden die Gyroskope des Instruments — da ihre Achsen senkrecht zur Erdachse stehen und im Zeitraum eines Tages (Sterntages) infolge der täglichen Erdumdrehung um den Erd-■ mittelpunkt gewissermaßen einen Kreis beschreiben und ihre Rotationsachsen relativ zum Weltraum beibehalten — eine scheinbare Drehung ihrer Rotationsebenen ausführen. Es würde sich also auch die Hohlkugel, wenn sie fest mit Gestell e verbunden wäre (was aber nicht der Fall ist), sich an der Drehung beteiligen in der Art, daß im Läufe eines Sterntages sämtliche Punkte des Äquators das Ablesefernrohr einmal passieren würden.

Nun ist aber die Hohlkugel i mit dem Gestell e nicht fest verbunden, sondern drehbar um Achse h. Durch ein Chronometer r im unteren Teil des Gestells 0, das seinen Gang auf elektrische Uhrwerke s, t überträgt, wird nun die Hohlkugel in einer der Drehung der Rotationsebenen der Gyroskope entgegengesetzten Richtung um h gedreht, und zwar .gleichmäßig fortschreitend, so daß eine Umdrehung ebenfalls im Zeitraum eines Sterntages vollendet ist. Die beiden Bewegungen, die die Hohlkugel einerseits durch die Gyroskope und andererseits durch das Chronometer erfährt, heben sich also gegenseitig auf, solange das Instrument nicht vom Ort bewegt wird. Die Kugel erscheint somit stillstehend und gibt, wenn anfangs richtig eingestellt, dauernd den Längengrad des festen Aufstellungsortes an.

Verändert das Instrument jedoch seinen Aufstellungsort in östlicher oder westlicher Richtung, so ist die Wirkung auf die Gyroskope die nämliche, als wenn die Erde ihre tägliche Umdrehung in kürzerer oder längerer Zeit als im Verlauf eines Sterntages vollführt hätte; es wird also auch die scheinbare Umdrehung der Rotationsebenen der Gyroskope in kürzerer oder längerer Zeit erfolgen, so daß in dem einen Falle die der Kugel durch die Gyroskope, im anderen Falle die der Kugel durch das Chronometer (dessen Wirkung lauf die Hohlkugel durch die Ortsveränderung nicht beeinflußt wird) erteilte Bewegung überwiegt. Die Kugel wird also bei einer derartigen Ortsveränderung in eine sehr langsame Drehung um h in dem einen oder anderen Sinne geraten, so weit, daß der Längengrad des neuen Aufstellungsortes unter das Ablesefernrohr q gebracht wird. Die Konstruktion der Gyroskope sowie der Antriebsmotoren ist eine ganz beliebige. Vorteilhaft verwendet man als Antriebsmotoren der Gyroskope synchrone Wechselstrommotoren mit Kommutator. Diese haben den Vorteil, daß man die vier Gyroskope gleichzeitig mit Gleichstrom (erzeugt durch Einschaltung von Gleichrichterzellen in die Wechselstromleitung während des Anlaufens) anlassen kann. Der Strom wird in bekannter Weise den Gyroskopmotoren durch die Zapfen der kardanischen Ringe zugeführt. Letztere sind zweiteilig und ihre beiden Hälften voneinander isoliert. An Stelle von Wechselstrommotoren kann man auch Drehstrommotoren mit Kurzschlußanker anwenden in der Art, daß man den dritten Leiter vorteilhaft mittels Steckkontakt und biegsamer Leitung direkt durch einen Pol der Hohlkugel zuführt und entfernt, sobald die Gyroskopkreisel die richtige Tourenzahl erreicht haben. Die Motoren laufen dann als zweiphasige Wechselstrommotoren weiter.

Was nun die elektrische Übertragung des Chronometerganges auf die Hohlkugel an-. belangt, so ist es vorteilhaft, daß das Chronometer nicht direkt in den Stromkreis eingeschaltet wird, um seinen Gang nicht zu stören, und daß die Stromleitung zu den elektrischen

Uhrwerken gleichfalls durch die Zapfen der kardanischen Ringe weitergeleitet werden kann, um Schleifringe u. dgl. an dem Instrument zu vermeiden.

,5 In Fig. 3, 4 und 5 ist beispielsweise eine derartige Gangübertragung des Chronometers auf die Hohlkugel dargestellt. Der vom Generator ν erzeugte Strom passiert die kardanische Aufhängung des. Kessels u, welcher das Chronometer r trägt. Hier teilt sich die Leitung bei w in. zwei Äste, von denen der eine einen Lampenwiderstand χ und der andere eine Selenzelle y enthält. Bei 2 vereinigt sich die Stromverzweigung wieder zu einer Leitung und durchfließt nach Passieren je eines Lagers ι der kardanischen Ringe die parallel geschalteten vier Gyroskopmotoren a, b, c, d und die. beiden elektrischen Uhrwerke s, t, worauf die ^Leitung durch die anderen Lagerzapfen der kardanischen Ringe zum Generator zurückkehrt. Auf dem Hebel 2 des Chronometers r (Fig. 4), welcher die Schwingungen der Unruhe 3 auf das Steigrad 4 übermittelt, sitzt ein kleiner Spiegel 5, welcher mit dem Hebel hin und her schwingt. Dieser Spiegel ist so gestellt, daß er am Ende einer Schwingung einen Lichtstrahl des Lampenwiderstandes auf die Selenzelle wirft, welche hierdurch stromleitend wird. Dies bewirkt, daß der Strom jetzt nicht mehr den unbequemen Weg durch den Lampenwiderstand zurücklegt, sondern zum größten Teil durch die Selenzelle geht, und da er hier weniger Widerstand findet, stärker anschwillt. Diese Stromänschwellung genügt, indem sie den Elektromagneten 6 der elektrischen Uhrwerke (Fig. 5) (bei Wechsel- und Drehstrom auch den Anker 7) beeinflußt, die Kraft der Feder 8, die den 'Anker vom Magneten abzieht, zu überwinden und den Ankerhebel 9 in eine Schwingung zu versetzen, welche mittels des Steigrades 10 auf Zahnräder übertragen wird. Das zweite elektrische Uhrwerk t ist ebenso konstruiert.

4-5 Diese Zahnradsysteme greifen nun einerseits je in die als kleine gezahnte Rohransätze ausgebildeten Pole der Hohlkugel i (Fig. 5) und andererseits je in einen gezahnten Teil der mit dem Gestell e fest verbundenen Achse h (Fig. s) ein, und zwar so, daß sie bei jeder Anziehung des Ankers der elektrischen Uhrwerke die Hohlkugel i in dem einen Sinne und die beiden elektrischen Uhrwerke s und t in dem anderen Sinne um einen sehr kleinen Winkel relativ zu dem Gestell e drehen. Die elektrischen Uhrwerke sind deshalb um h drehbar angeordnet, um die Reaktion, die die Hohlkugel bei ihrer Drehung auf das Gestell e

. ausübt, auszugleichen, und zwar sind deshalb zwei Uhrwerke vorhanden, um die Störung, die die Ankerschwingungen des einen auf Ge-. stell e ausüben könnten, durch die Ankerschwingungen des anderen zu vernichten.

Da es absolut richtig gehende Chronometer nicht gibt, so ist es notwendig, die Gangabweichung des Chronometers, infolgedessen auch die der Kugel, in gewissen Zeiträumen auszugleichen. Man reguliert das Chronometer deshalb so, daß es (möglichst wenig) positive Gangabweichung hat (vor geht) und schließt dann, sobald Gangabweichung eingetreten ist, entweder von Hand oder automatisch durch ein Uhrwerk die Stromleitung w, ζ (Fig. 3) so lange Zeit kurz, bis die Gangabweichüng, die bekannt ist, ausgeglichen ist.

Bei 11 ist mit dem Ring I, dessen Ebene durch die Gyroskope stets in der Meridianebene gehalten wird, eine Windrose ange-. bracht, während am Ring m, dessen Ebene in der Längsrichtung des Schiffes liegt, ein' Steuerstrich befestigt ist, so daß man einen ' deklinationsfreien Kompaß erhält, unmittelbar am Ablesefernrohr q.

Das Gestell e soll durch Gyroskope derart gehalten werden, daß seine drei Achsen f, g, h ihre Richtung· im Weltraum unverändert beibehalten. Es sind hierzu mindestens zwei Gyroskope nötig, deren Achsen einen Winkel bilden, da bei nur einem Gyroskop eine Drehung des Gestells e um diese eine Gyroskopachse möglich ist. Die Stellung der Gyroskopachsen des Instruments relativ zur Lage der Erdachse, und folglich zur Lage der Hohlkugelachse, ist theoretisch eine ganz beliebige, praktisch ist es jedoch am vorteilhaftesten, . die Gyroskopachsen senkrecht zur Erdachse, folglich auch senkrecht zur Achse der Hohlkugel zu stellen. Die Achse der Hohlkugel muß, wenn das Instrument richtig arbeiten soll, immer parallel der Erdachse stehen. Ist dies nicht der Fall, so beschreiben die Pole der Hohlkugel bei nicht vom Ort bewegtem Instrument kleine Kreisbewegungen, die sich natürlich auch unter der Ablesevorrichtung bemerkbar machen, welche Eigenschaft zur Kontrolle des Instruments dienen kann.

Eine weitere Kontrolle für Richtigkeit der Angaben des Instruments ist der Vergleich der Windrosenangabe mit der Angabe eines Magnetkompasses.

Die bei dieser- Ausführungsform des Instruments angewandten vier Gyroskope lassen sich auch durch zwei Gyroskope, deren Achsen einen Winkel bilden, ersetzen, wenn diese derart angeordnet werden, daß störende Wirkungen auf das Gestell e, infolge der schnellen Rotation, sich gegenseitig aufheben.

Am vorteilhaftesten stellt man diese zwei Gyroskopachsen so, daß sie V-förmig gegen^ einander stehen, in einer Ebene senkrecht zur Erd- bzw. Hohlkugelachse. Diese Gyroskope müssen dann gegeneinander rotieren. Zwecks

einer bequemen Feineinstellung auf die geographische Breite ließe sich das Instrument so konstruieren, daß die Achse h in gewissen Grenzen gegen die. Gyroskopachsen f, g verstellbar wäre und mit einer Arretiervorrichtung· nach erfolgter Feineinstellung wieder mit Achse f, g fest verbunden würde.

Auch kann man das Instrument gewissermaßen in zwei Instrumente mit je einem

ίο Gyroskop zerlegen, von denen das eine nur zur selbsttätigen Längenabgabe dient, wobei die oben erwähnte unerwünschte Drehung der Rotationsebene des Gyroskops, wie oben beschrieben, durch das Chronometer unschädlich gemacht wird, jedoch tritt in diesem Falle an Stelle der Hohlkugel eine in Längengrade geteilte kreisförmige Skala. Das zweite zur Breitenangabe dienende Instrument würde dann den jetzt bekannten gyroskopischen Instrumenten gleichen.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Vorrichtung zur selbsttätigen Angabe des Schiffsortes nach Längen- und Breitengraden sowie der Himmelsrichtungen mit Hilfe eines oder mehrerer Gyroskope und eines Chronometers, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks gleichzeitiger Angabe des Längen- und Breitengrades eine mit entsprechenden Einteilungen versehene Hohlkugel durch ein Chronometer innerhalb eines Sterntages einmal um ihre zur Gyroskopachse senkrechte Achse 1 gedreht wird, so daß sich bei Ortsverämderung die Hohlkugel gegenüber der Einstellung der Gyroskopachse derart verschiebt, daß Längen- und Breitengrad' des jeweiligen Schiffsortes mittels einer stets senkrecht stehenden Ablesevorrichtung direkt bestimmt werden kann. .
2. 2. Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch 1, mit Hilfe zweier 'getrennter Gyroskope, von denen das eine die Längen-, das andere, die Breitengrade angibt, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem ersteren Gyroskop eine nach Längengraden eingeteilte kreisförmige, durch ein Chronometer in Umdrehung versetzte Skala vorgesehen ist. '

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.