DE2008702B2 - Nordsuchendes Kreiselpendel - Google Patents

Description

H t»_e cos (

entspricht, wobei

rto* = Winkel zwischen Anzeigeglied und Nullage,

ν = am Drehmomenterzeuger (M, N) anliegende Spannung, ₄₍₎

Cm = spezifisches Moment des Drehmomenterzeugers (MN),

H = Kreiseidrall,

W₁. = Erddrehgeschwindigkeit, φ = geographische Breite ist.

2. Nordsuchendes Kreiselpendel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeglied (T) ein Fernrohr ist.

3. Nordsuchendes Kreiselpendel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsmelder (W) ein Potentiometer ist, dessen Speisespannung durch das Potentiometer (38) proportional zum Kosinus der geographischen Breite (φ) einstellbar ist.

4. Nordsuchendes Kreiselpendel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Meßwiderstand (R_n) abfallende Spannung über das nach Maßgabe des Kehrwertes des Kosinus der geographischen Breite einstellbare Potentiometer (p)dzn\ Servoverstärker (18) zugeführt wird.

)ie Erfindung betrifft ein Kreiselpendel mit einem um ; vertikale Achse drehbaren und mit seiner Drallachse ständig horizontal gehaltenen Kreisel, einem Abgriff zur Erzeugung eines Signals nach Maßgabe der Azimut-Auslenkung der Drallachse des Kreisels aus einer Nullage, das auf einen Verstärker geschaltet isi, einem dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkenden Drehmomenterzeuger, einem mit dem Drehmomenterzeuger in Reihe liegenden Meßwiderstand und einer Anzeigevorrichtung mit einem nach Maßgabe der Abweichung zwischen Nullage und Nord servomotorisch verstellbaren Anzeigeglied.

Auf einen Kreisel, der um eine vertikale Achse drehbar angeordnet ist und mit seiner Drallachse ständig horizontal gehalten wird, wirkt infolge der Erddrehung ein »Kreiselrichtmoment«, welches die Drallachse des Kreisels ständig nach Nord auszurichten trachtet. Es ist beispielsweise bekannt zur Bestimmung der Nordrichtung ein Kreiselgehäuse an einem Band aufzuhängen, wobei die Drallachse in dem Kreiselgehäuse horizontal angeordnet ist. Die Schwingungsdauer solcher nordsuchender Kreiselpendel ist sehr lang und die Dämpfung ist üblicherweise sehr gering. Infolgedessen dauert es lange, bis sich die Drallachse des Kreisels tatsächlich nach Nord eingestellt hat. Für viele Anwendungen ist eine solch lange Meßzeit nicht tragbar.

Es ist daher eine Anordnung bekannt (US-PS 32 06 864), bei welcher mit dem Kreisel ein um eine vertikale Achse wirksamer Drehmomenterzeuger verbunden is;. Ein Abgriff erzeugt ein Abgriffsignal nach Maßgabe der Azimut-Auslenkung des Kreisels aus einer Nuliage. Dieses Abgriffsignal wird in einem Verstärker verstärkt und liefert eine Ausgangsspannung gegen Masse, die an einer Klemme eines Anzeigeinstruments anliegt. An der anderen Klemme dieses Anzeigeinstruments liegt eine Spannung gegen Masse, die an einem einstellbaren Potentiometer abgegriffen wird. Diese letztere Spannung wird von Hand so eingestellt, daß das Anzeigeinstrument Null anzeigt. Sie wird gleichzeitig über einen Meßwiderstand auf den Drehmomenterzeuger gegeben.

Es wird somit das auf den Kreisel wirksame Kreiselrichtmoment durch ein Gegenmoment kompensiert. Der Strom durch den Drehmomenterzeuger und damit der Spannungsabfall an dem mit dem Drehmomenterzeuger in Reihe liegenden Meßwiderstand sind dann proportional dem Kreiselrichtmoment und liefern damit auch ein Maß für die Abweichung der Kreiseldrallachse von der Nordrichtung. Allerdings hängt das Kreiselrichtmoment außer von dieser Abweichung auch vcn der geographischen Breite ab.

Bei der bekannten Anordnung liegt an dem Meßwiderstand ein Voltmeter an, welches den Spannungsabfall anzeigt. Zur Bestimmung der Abweichung der Kreiseldrallachse von der Nordrichtung ist ein von der Meßrichtung vollständig getrennter Rechner vorgesehen. Dieser enthält zwei an je einer Wechselspannungsquelle Hegende Eingangspotentiometer, an deren einstellbaren Abgriffen Voltmeter zur Anzeige der einstellbaren Eingangsspannungen anliegen. An einer Statorwicklung eines Resolvers liegt die Differenz der eingestellten Eingangsspannungen. An der anderen Statorwicklung des Resolvers liegt über ein weiteres Potentiometer ein Bruchteil der einen Eingangsspannung. An einer Rotorwicklung des Resolvers liegt ein Anzeigeinstrument. Der Rotor des Resolvers ist mittels eines Stellknopfes zusammen mit einem über einer kompaßrosenartigen Skala beweglichen Anzeigeglied (Zeiger) verdrehbar.

Bei dieser bekannten Anordnung wird der Kreisel mit seiner Drallachse in die Ost-West-Richtung vorausgeriehtet. Es wird eine Messung bei zwei sich geringfügig unterscheidenden Winkeln vorgenommen, wobei jedesmal die Spannung, die als Spannungsabfall an dem Meßwiderstand abgelesen wird, mifiels der Voltmeter auf das eine bzw. das andere Eingangspotentiometer übertragen wird. Es wird dann der Rotor des Resolvers von Hand zusammen mit dem Anzeigeglied so lange verdreht, bis das an der Rotorwicklung liegende Anzeigeinstrument Null zeigt. Das Anzeigeglied zeigt dann über der Skala den Winkel an, um den die Kreiseldrallachse von der Nordrichtung abweicht, wobei der Einfluß der geographischen Breite auf das Kreiselrichtmoment herausfällt, da die Abgleichstellung r, des Resolvers nur vom Verhältnis der an den Stalorwicklungen anliegenden Spannungen abhängt.

Diese bekannte Anordnung ist in vielfältiger Hinsicht nachteilig. Meßtechnische Probleme ergeben sich dadurch, daß sich die an der einen Gtatorwicklung anliegende Meßspannung als kleine Differenz zweier relativ dazu großer (aber fast gleicher) Signale ergibt und die an der anderen Statorwicklung anliegende Meßspannung ein kleiner Bruchteil der Eingangsspannung ist. Es sind zwei Messungen erforderlich, zwischen denen die Kreiseldrallachse um einen genau definierten Winkel verdreht werden muß. Es müssen anhand der Instrumente insgesamt fünf manuelle Einstellungen vorgenommen werden. Eine Automatisierung dieser Einstellung erfordert eine entsprechende Anzahl von Servokreiscn. Als Ergebnis erhält man dann nicht eine direkte Anzeige der Nordrichtung, d. h. ein direkt nach Nord weisendes Anzeigeglied nach Art einer Kompaßnadel, sondern es wird ein Winkel angezeigt, um den eine nicht mit der Nordrichtung zusammenfallende J5 Referenzrichtung (Nullage) von der Nordrichtung abweicht.

Wenn eine solche Anordnung auch zumindest theoretisch die Bestimmung der Nordrichtung gestattet, so wird sie doch nicht den praktischen Erfordernissen gerecht. In der Praxis wird nicht ein Gerät benötigt, das einen Ablagewinkel liefert, aus welchem man schließlich die Nordrichtung bestimmen kann, sondern ein Gerät das unmittelbar angibt: »Dort ist Nord«.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein nordsuchendes Kreiselpendel zu schaffen, das in kurzer Zeit automatisch eine unmittelbare Anzeige der Nordrichtung gestattet, wobei eine hohe Meßgenauigkeit gewährleisiet und der Aufwand für die Automatisierung gering ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das mit einem Stellmotor gekuppelte Anzeigeglied am Gerätegehäuse um eine vertikale Achse verdrehbar gelagert und mit einem Stellungsmelder mechanisch gekuppelt ist, und daß an einem den Stellmotor steuernden Servoverstärker ein dem Spannungsabfall an dem Meßwiderstand und damit der Spannung an dem Drehmomenterzeuger proportionales Signal und ein von dem Stellungsmelder geliefertes, dem Winkel zwischen Anzeigeglied und Nullstellung proportionales Rückführsignal in einem nach Maßgabe der geographischen Breite mittels eines Potentiometers einstellbaren Verhältnis gegeneinandergeschaltet sind, welches

Winkel zwischen Anzeigeglied und Nullage, am Drehmomenterzeuger anliegende Spannung,

spezifisches Moment des Drehmomenter/cugers,

Kreiseldrall,

Erddrehgeschwindigkeit, geographische Breite ist.

65

COS 7

entspricht, wobei

Das Kreiselpendel nach der Erfindung wird mi» seiner Drallachse nach Nord vorausgerichtet statt in Ost-West-Richtung. Auch bei dem Kreiselpendel nach der Erfindung schwingt der Kreisel nicht mit seiner Drallachse in die Nordrichtung ein sondern wird das Kreiselrichtmoment durch ein von einem Drehmomenterzeuger ausgeübtes Gegenmoment kompensiert. Das geschieht aber nicht durch einen manuellen oder automatisierten Abgleich sondern in einfacher Weise dadurch, daß der Drehmomenterzeuger samt Meßwidersiand im Ausgangskreis eines entsprechend hochverstärkenden Leistungsverstärkers liegt. Der Spannungsabfall am Meßwiderstand steuert einen Servokreis mit Stellungsrückführung. Durch diesen Servokreis wird ein Anzeigeglied um eine vertikale Achse verdreht. Der Servokreis ist dabei unter Berücksichtigung der geographischen Breite so bemessen, daß das Anzeigeglied — wie eine Kompaßnadel — unmittelbar nach Nord weist.

Durch die Erfindung wird somit ein nordsuchencles Kreiselpendel geschaffen, das sehr schnell eine direkte Anzeige der Nordrichtung liefert.

Es ist durch die CH- PS 4 55 305 bekannt, durch einen Abgriff die Lage eines bandaufgehängten, den Kreisel aufnehmenden Innenrahmens gegenüber einem um eine vertikale Achse verdrehbaren Außenrahmen abzugreifen. Dabei wird von dem Abgriffsignal über einen Verstärker und einen Stellmotor der Außenrahmen dem unter dem Einfluß des Kreiselricritmoments sich in die Nordrichtung eindrehenden Innenrahmen nachgeführi.

Durch die DE-AS 12 42 887 ist ein ortsfest aufgestellter Kreiselkompaß bekannt, bei dem der Kreisel sich ebenfalls mit seiner Drallachse selbst in die Nordrichtung einstellt und eine Tragplatte mit der Bandaufhängung des Kreisels sowie einem auf der Tragplatte sitzenden Theodoliten dem Kreisel nachgeführt wird. Das geschieht mittels eines Nachlaufmotors, der von einem auf die Verdrehung des Kreisels gegenüber der Tragplatte ansprechenden Abgriff gesteuert ist.

In beiden Fällen erfolgt die Nachdrehung von Innengehäuse bzw. Tragplatte nach Maßgabe der Eindrehung der Drallachse des Kreisels in die Nordrichtung. Die Einstellung dauert entsprechend lange.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau und die Schaltung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die mit Gleichstrom arbeitet, und die Berücksichtigung der geographischen Breite gestattet;

Fig. 2 ist eine ähnliche Darstellung eines mit Wechselstrom arbeitenden Gerätes;

Fig.3 zeigt in Draufsicht den Drehmomenterzeuger bei der Ausführungsforrn nach F i g. 2;

F i g. 4 dient der Veranschaulichung der verwendeten Winkelbezeichnuneen:

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Berücksichtigung der geographischen Breite.

In das Gerät nach Fig. 1, bestehend aus einem Gehäuse A mit einem Deckel B. ragt ein Stutzen D nach unten, der als Klemmvorrichtung für ein Band F ausgebildet ist. An dem Band Fhängt ein Kreisel G mit seinem Mast H. an dessen oberen Ende das Band Fan einer Klemme / befestigt ist. Der Mast H trägt einen kleinen Spiegel K. Am unteren Ende des Kreisels ist ein Stutzen L angeordnet, der an seinem Ende einen Flächenanker M eines Drehmomenterzeugers trägt. Der Anker M schwebt zwischen den Polen eines Magnetsystems N. Dieses Magnetsystem N ist auf dem Boden C des Gehäuses befestigt. Zwischen Kreisel G und Drehmomenterzeuger, bestehend aus dem Flächenanker M und dem Magnetsystem /V liegt eine magnetische Abschirmung O.

Gegenüber dem Spiegel K befindet sich eine Lichtquelle P und eine Fotozelle Q, die den über den Spiegel reflektierten Lichtstrahl empfängt. Oberhalb des Deckels B ist ein Stutzen R angebracht, der seinerseits eine Hülse 5 drehbar aufnimmt. Die Hülse S trägt am oberen Ende ein Fernrohr Γ und am unteren Ende eine Zahnscheibe U. Ein Elektromotor Vgreift mit einem Ritzel in die Scheibe U ein. Die Zahnscheibe U 2"> treibt außerdem über ein Ritzel ein Potentiometer IV. welches somit nach Maßgabe der Verdrehung des Fernrohres und der Zahnscheibe U verstellt wird.

Das Ausgangssignal der Photozelle Q wird über Vorverstärker, Vorhaltnetzwerk und Kraftverstärker jn über elastische Stromzuführungen dem Anker M des Momentgebers zugeführt. An einem in Reihe mit dem Momentgeber geschalteten hochgenauen Meßwiderstand /?,„kann eine Spannung ν abgegriffen werden, die ein Maß für die Ablage der Bandnullage von der Nordrichtung ist. Diese Spannung wird durch ein Potentiometer P entsprechend der geographischen Breite des Meßortes korrigiert und über ein Filter 16 dem Servoverstärkei 18 zum Nachstellen des Fernrohres zugeführt. Der Verstärker speist den Motor V, dessen Bewegung durch eine Spannung vom Potentiometer Wrückgemeldet wird.

Mit Hilfe des Servokreises »Photoabgriff-Drehmomenterzeuger« kann die Schwingungszeit des Pendels um « durch die Wahl der Kreisverstärkung beeinflußt werden. Durch das Vorhaltnetzwerk 12 wird die Schwingung des Pendels gedämpft. Weiterhin kann zur Dämpfung eine im Magnetfeld des Momenterzeugers liegende Kupfer- oder Aluminiumscheibe verwendet werden.

Der Filier 16 bewirkt, daß das Fernrohr unabhängig von äußeren auf den Kreisel wirkenden Slörmomenlen eine ruhige Einstellung beibehält. Dabei muß der Frequenzgang des Filters dem jeweiligen Störspektrum angepaßt werden.

Wie nachstehend noch gezeigt werden wird, ist die dem Scrvokreis zugcfiihrte Spannung vein Maß für die Nordablagc des Gerätes. Das P-Verhalten des Servokreises wird nach den gegebenen Bedingungen abgc- ^ ₍ stimmt. W)

Das im Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebene Gerät benutzt einen Gleichstroin-Drchmomcntcrzeuger. Es läßt sich ebenso ein Gerät mit einem Wechselst rom-Drehmomenterzeuger aufbauen, wie I'ig. 2 und 3 zeigt. In F i g. 2 sind entsprechende Teile mit den gleichen Bczugs/cichcn versehen wie in I- ig. I. Der Drehmomenterzeuger enthält einen Fcrrarisanker 22, der an einem Ansatz des Kreisels G angebracht ist.

Der Anker 22 befindet sich oberhalb von wechselstromgespeisten Statoranordnungen 26, 28 und 30, 32 mil je einer Steiierspule und einer von einer konstanten Erregung durchflossenen Feldspule. Die Ausgangssignale des fotoelektrischen Abgriffs von dem Verstärker 10 werden über Potentiometer .7, b in Form von Strömen /Ί und /'2 auf die Steuerspulen der Systeme 26 bis 32 gegebenen, und zwar in der in Fig. 3 dargestellten Weise. Der Strom /Ί wird dabei auf die Steuerspulen der Systeme 26 und 28 gegeben und der Strom /2 auf die Steuerspulen der Systeme 30 und 32, während die Feldspulen in der dargestellten Weise von konstanten Wechselströmen durchflossen sind. Der Strom /Ί bewirkt auf diese Weise ein Moment um die Bandachsc des Bandes F. während der Strom /2 in der dargestellten Weise ein Moment um eine zur Papierebene, d. h. hier zur Ebene von Band und Kreiseldrallachse senkrechte Achse hervorruft. Die von dem Strom /2 hervorgerufenen Felder suchen den Anker 22 nach links in F i g. 1 zu verlagern, wie durch die Pfeile dargestellt ist. Durch diese Bewegung erfolgt über die Kopplung der Kreiselachsen eine Dämpfung der Azimut-Schwingungen. Insofern ersetzen die Systeme 30, 32 das Vorhaltnetzwerk 12 bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Der Strom /Ί ist dabei ein Maß für die Nordablage des Kreisels. Es wird wie bei F i g. 1 beschrieben über einen Meßwiderstand R_n, in die Spannung ν verwandelt: die dann dem Servoverstärkei zugeführt wird.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung wird nachstehend unter Bezugnahme auf F i g. 4 der Zeichnungen näher erläutert:

Für den stationären Zustand (nach dem Einschwingen des Gerätes) gilt

H πι,, cos r/ sin λ + c¹;, \_K +

M	= 0,	= CA, r,	(1)
M	= C**k		(2)
	= \n +	(3)

Dabei ist α.χ negativ, und es bedeutet

H = Kreiseldrall,

(U₁- = Erddrehgeschwindigkeit,

ψ = geographische Breite,

c\ = Federkonstante des Bandes,

M = Moment des Drehmomenterzeugers,

Cm = spezifisches Moment des Drehmomenterzeugers, bezogen auf die Spannung v,

ν = am Drehmomenterzeuger anliegende Spannung,

C» = spezifisches Moment des Drehmomenterzeugers, bezogen auf den Winkel.

Wenn man davon ausgeht, daß das Gerät zunächsi einmal etwa mittels eines Marschkompasses grob nacl· Nord ausgerichtet ist. dann kann man sin « ungefähi gleich (V setzen. Man kann dann Mund a eliminieren unc erhält

. cos </ λ₀ + H οι,, cos I₁ <\_K + c_a <\_K

Drückt man \_K durch ν aus:

C₁

+ C_a \_K = 0

und setzt

dann wird

(7)

+ (x + I)C₃

H (i)_eCOSi/

(8)

10

Es ergibt sich somit folgendes: oco ist proportional der Abgriffspannung v. Der Proportionalitätsfaktor hängt jedoch außerdem von der geographischen Breite φ ab, und zwar in dem vorstehenden Ausdruck sowohl der erste Faktor als auch der zweite Faktor von v. Es läßt sich aber zeigen, daß die φ-Abhängigkeit des ersten Faktors vernachlässigbar ist. Für φ = 90° ist Ho)₁-cosg) = 0. Wenn man von der konstruktiv gegebenen Bedingung ausgeht, daß das Bandmoment kleiner als das Kreiselmoment Ho)_c cos φ (für φ — 0) sein soll, dann kann im ungünstigsten Fall

= H w_e cos 7 . (9)

sein. Damit wird der erste Faktorder Gleichung (8)

25

H In₁. COS 7 + (I + X)C, XC_x

c_a + (x + \)c_x

XC.

= 1 + —.

(10)

Der Fehler, der entsteht, wenn man diesen Faktor als festen Wert annimmt, liegt in der Größenordnung von Bruchteilen einer Bogenminute. Es bleibt somit die

durch den zweiten Faktor von Gleichung (8) gegeben* (/!-Abhängigkeit

H in_e COS 7

(H)

Der Proportionalitätsfaktor zwischen der Abgriff spannung ν und dem Winkel txo zwischen dei Bandnullage und der Nordrichtung, um den da: Fernrohr gegenüber der Bandnullage verdreht werc'er muß, ist somit umgekehrt proportional zu cos ψ. Diest Änderung des Proportionalitätsfaktors mit der geogra phischen Breite muß in geeigneter Weise berücksichtig werden, wenn das Gerät in verschiedenen geographi sehen Breiten benutzt wird.

Eine Möglichkeit ist bereits am Beispiel nach Fig. 1 beschrieben worden. Weiterhin ist eine Lösung nacl· F i g. 5 denkbar.

Der Servoverstärker 18 verstellt über den Motor \ einerseits, wie durch die gestrichelte Linie angedeute ist, das Fernrohr fund zum anderen das Potentiometei W. Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 wird da; Potentiometer W mit einer Spannung gespeist, die ar einem Potentiometer 38 abgegriffen wird und prcpor tional zu cos φ einstellbar ist. Auch das Potentiometei 38 kann in geeigneter Weise nicht linear gewickelt sein so daß an diesem unmittelbar der Winkel φ eingestellt werden kann.

Statt dessen kann auch der Skalenfaktor Cm de; Drehmomentgebers mittels eines Kosinus-Potentiome ters für die betreffende Breite eingestellt werden. Mar könnte ebenfalls mit einer Änderung der Kreiselfre quenz eine Änderung der Instrumenteneichung vermei den. Zu diesem Zweck müßte man mit abnehmenden· Kosinus (höhere geographischer Breite) eine entspre chende Anhebung des Kreiseldralls vornehmen, wai aber technisch einen relativ großen Aufwand erforderr würde.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Nordsuchendes Kreiselpendel mit einem um eine vertikale Achse drehbaren und mit seiner ι Drallachse ständig horizontal gehaltenen Kreisel, einem Abgriff zur Erzeugung eines Signals nach Maßgabe der Azimut-Auslenkung der Drallachse des Kreisels aus einer Nullage, das auf einen Verstärker geschaltet ist, einem dem Kreiselricht- im moment entgegenwirkenden Drehmomenterzeuger, einem mit dem Drehmomenterzeuger in Reihe liegenden Meßwiderstand und einer Anzeigevorrichtung mit einem nach Maßgabe der Abweichung zwischen Nullage und Nord servomotorisch verstellbaren Anzeigeglied, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einem Stellmotor ^ V^ gekuppelte Anzeigeglied (T) am Gerätegehäuse (A) um eine vertikale Achse verdrehbar gelagert und mit einem Stellungsmelder (W) mechanisch gekuppelt ist, und daß an einem den Stellmotor (V) steuernden Servoverstärker (18), ein dem Spannungsabfall an dem Meßwiderstand (R_n) und damit der Spannung an dem Drehmomenterzeuger (MN) proportionales Signal (v) und ein von dem Stellungsmelder (W) 2ϊ geliefertes, dem Winkel (ao*) zwischen Anzeigeglied (T) und Nullstellung proportionales Rückführsignal in einem nach Maßgabe der geographischen Breite (φ) mittels eines Potentiometers (p;38) einstellbaren Verhältnis gegeneinandergeschaltet sind, welches jo