DE2124357C3 - Meridian-Kreiselgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meridian-Kreiselgerät mit einem in einem Zwischengehäuse an einem Band aufgehängten Kreisel, einem Abgriff zur Erzeugung eine» Abgriffsignals nach Maßgabe der Auslenkung des Kreisels aus einer Bandnullage, einem Drehmomenterzeuger zur Ausübung eines dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkenden Gegenmoments auf den Kreisel, wobei das Abgriffsignal mit hohem Verstärkungsgrad auf den Drehmomenterzeuger geschaltet ist, einem Stellmotor zur Nachdrehung des Zwischengehäuses und einer Steuerschaltung zur Steuerung des Stellmotors in Abhängigkeit von dem Abgriffsignal derart, daß im Endzustand der Kreisel mit seiner Drallachse nach Nord

ausgerichtet ist.

Ein bandaufgehängter Kreisel sucht sich bekanntlich in die Nordrichtung einzustellen. Es wirkt auf den Kreisel ein Kreiselrichtmoment, welches proportional dem Kreiseldrall, der Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung, in erster Näherung der Abweichung der Kreiseldrallachse von der Nordlage und dem Kosinus der geographischen Breite ist.
Es dauert jedoch sehr lange, bis der Kreisel in die,

Nordrichtung einschwingt. Es ist deshalb bekannt, das Kreiselrichtmoment durch ein elektromagnetisch erzeugtes Gegenmoment zu kompensieren. Zu diesem Zweck ist ein Drehmomenterzeuger vorgesehen, der ein Drehmoment auf den Kreisel um die Azimutachse auszuüben gestattet. Dieser Drehmomenterzeuger ist mit hohem Verstärkungsgrad von einem Abgriffsignal von einem Abgriff beaufschlagt, welches von der Auslenkung des Kreisels aus der Bandnullage abhängt. Das erzeugte Gegenmoment ist diesem Abgriffsignal

ϊο proportional, so daß das Abgriffsignal proportional dem Kreiselrichtmoment und damit der Abweichung der Kreiseldrallachse von der Nordrichtung wird. Bei bekannten Einrichtungen wird ein Servomotor von diesem Abgriffsignal stetig angesteuert, durch den ein

Zwischengehäuse mit dem Abgriff und der Bandaufhängung in die Nordrichtung eingedreht wird. Im Endzustand steht dann das Zwischengehäuse mit der Bandnullage des Kreisels in Nordrichtung. Der Kreisel steht mit seiner Kreiseldrallachse in Nordrichtung und damit in der Bandnullage, so daß das Band entspannt ist. Das Kreiselrichtmoment ist null, und auch das Abgriffsignal ist zu null geworden.

Bei solchen Meridian-Kreiselgeräten treten relativ verwickelte Schwingungsverhältnisse auf. Es läßt sich zeigen, daß bei einer solchen Einrichtung die Kompensation des Kreiselrichtmoments durch ein Gegenmoment sich als Dämpfung für den Einschwingvorgang des Kreisels in die Nordrichtung auswirkt. Es läßt sich weiterhin zeigen, daß sich bei diesem Vorgang eine immer noch relativ lange Einschwingdauer ergibt, die praktisch durch Variation der Gegenmomente nicht weiter verringert werden kann.

Es ist weiterhin ein Meridian-Kreiselgerät bekannt (INTERAVIA, 1961, 1007), bei welchem das Kreiselgehäuse über ein Torsionsband an einer Platte aufgehängt ist, die ihrerseits mittels eines Servomotors gegenüber einem Gerätegehäuse verdreht werden kann. Ein Abgriff spricht auf die Auslenkung des Kreisels aus einer Bandnuüage an, und nach Maßgabe des Abgriffsignals erfolg» periodisch eine Nachdrehung der Platte in eine Stellung, in welcher das Band entspannt ist. Das wirkt sich als Dämpfung der Kreiselschwingungen aus, und im Endzustand sind der Kreisel und die Bandnullage nach Nord ausgerichtet.

Bei diesem bekannten Meridian-Kreiselgerät soll durch die Nachdrehung des Torsionsbandes das Einschwingen des Kreisels in die Nordrichtung gedämpft werden. Erst wenn die Kreiseldrallachse nach diesem Einschwingvorgarig zur Ruhe kommt, erfogt die Messung der Nordrichtung. Es handelt sich also um einen einzigen zusammenhängenden Meßvorgang. Die vorhergegangenen Nachdrehbewegungen der Platte erfolgen so, daß das Band entspannt wird. Sie haben nichts mit einer Messung der Nordrichtung zu tun.

Es ist weiterhin ein Meridian-Kreiselgerät bekannt (US-PS 32 06 864), bei welchem ein Kreisel mit seiner horizontal gehaltenen Drallachse in Ost-West-Richtung angeordnet ist. Der Bewegung des Kreisels mit der

Drallachse in die Nordrichtung wirkt das Moment eines Drehmomentgebers entgegen, auf den ein nach Maßgabe eines von der Auslenkung der Kreiseldrallachse abhängigen Abgriffsignals einstellbarer Strom gegeben wird. Das so erhaltene, dem Kreiselrichtmoment analoge Signal wird auf einen Rechner gegeben. Ebenfalls auf den Rechner gegeben wird ein zweites Signal, das anschließend in gleicher Weise bei einer um einen kleinen Winkel gegen die Ost-West-Richtung versetzten Orientierung der Kreiseldrallachse gewonnen wird. Der Rechner, der als Analogrechner ausgebildet ist, erzeugt daraus einen Meßwert für die Nordrichtung.

Bei dieser bekannten Anordnung erfolgt keine Nachdrehung des Kreisels mit seiner Drallachse in die Nordrichtung. Im Gegenteil: Beide Messungen erfolgen bewußt bei Ausrichtung der Kreiseldrallachse im wesentlichen in die Ost-West-Richtung.

Es ist weiterhin bekannt (DT-OS 16 23 575), durch ein Torsionsband mit einem gegenüber dem Kreiselrichtmoment großen Bandrichtmoment die Lrallachse des Kreisels an die Bandnuilage zu fessein. Die Auslenkung der Drallachse aus der Bandnuilage ist dann ein Maß für das Kreiselrichtmoment, d. h. für die Abweichung der Kreiseldrallachse von Nord. Aus der Auslenkung der Kreiseldrallachse wird bei dem bekannten Verfahren auf die Nordrichtung extrapoliert, und es wird das Meßsystem mit der Bandnuilage in die so ermittelte, wenigstens angenäherte Nordrichtung eingeschwenkt. Anschließend erfolgen mit einem »weichen« Torsionsband eine oder mehrere weitere Messungen.

Es braucht bei diesem Verfahren nicht das Einschwingen des Kreisels in die Nordrichtung nach einer mehr oder weniger gedämpften harmonischen Schwingung abgewartet zu werden.

Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt die Messung der Auslenkung durch Ablesung mittels eines Zielfernrohres, das auf einen mit dem Kreisel verbundenen Spiegel gerichtet ist. Die Extrapolation auf die Nordrichtung wird rechnerisch oder graphisch vorgenommen, und das Gerät wird an Hand eines Teilkreises von Hand um den so ermittelten Abweichungswinkel verdreht. Die Durchführung dieses bekannten Verfahrens ist daher relativ umständlich und birgt die Gefahr von Fehlern bei der Ablesung, der Bestimmung des Abweichungswinkels und bei der Nachdrehung an Hand des Teilkreises in sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meridian-Kreiselgerät der eingangs definierten Art zu schaffen, welches eine möglichst schnelle Einstellung des Kreisels in die Nordrichtung ermöglicht, wobei keine genaue Kenntnis der geographischen Breite verlangt wird und auch keine hohen Anforderungen an die Konstanz der Instrumentenkonstanten gestellt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuerschaltung einen Speicher für das Abgriffsignal, eine Umschaltvorrichtung, durch welche der Speicher nach dem Einstellen des Kreisels von dem Abgriff ab- und auf den Stellmotor aufschaltbar ist, und einen Rückführkreis enthält, der den Drehwinkel des Stellmotors proportional zu dem gespeicherten Abgriffsignal macht.

Im Gegensatz zu dem eingangs geschilderten vorbekannten Gerät, bei welchem das auf den Drehmomenterzeuger gegebene hochverstärkte Abgriffsignal ständig gleichzeitig auf einen Servomotor zur Nachführung des Zwischengehäuses geschaltet ist und daher die elektrische Fesselung des Kreisels an die Bandnuilage und die Nachdrehung des Zwischengehäuses nach Nord miteinander verknüpfte Regelkreise sind, wird bei dem Gerät nach der Erfindung eine strenge Trennung durchgeführt: Es erfolgt eine Messung der Abweichung von Nord. Der so erhaltene Wert wird in dem Speicher gespeichert. Um diesen gespeicherten Wert wird dann das Zwischengehäuse verdreht, und zwar unbeeinflußt von dem während dieser Verdrehung beobachteten Verhalten des Kreisels und des Abgriffsignals. Erst wenn diese Verdrehung durchgeführt ist, erfolgt eine erneute Messung der verbleibenden Abweichung von Nord mittels des Kreisels und, soweit erforderlich, eine nochmalige Nachstellung. Dies alles kann gegebenenfalls automatisch ablaufen, ohne daß der Benutzer dazu Skalen ablesen oder Rechnungen durchführen müßte. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß mit einem solchen aus abwechselnden, aber voneinander getrennten Meß- und Nachstellvorgängen bestehenden Iterationsverfahren die Nordrichtung schneller bestimmt werden kann als mit den vorbekannten stetig arbeitenden Meridian-Kreiselgeräten.

Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Meridian-Kreiselgerät schemaüsch in Schnittansicht mit der zugehörigen Schaltung;

F i g. 2 zeigt Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Meridian-Kreiselgerätes.

In einem Gehäuse 10 ist ein Zwischengehäuse 12 drehbar gelagert. In dem Zwischengehäuse ist ein Kreisel 14 mit einem Mast 16 an einem Band 18 aufgehängt. An dem Mast 16 ist ein Spiegel 20 vorgesehen, der mit einem photoelektrischen Abgriff 22 am Zwischengehäuse 12 zusammenwirkt.

Das Zwischengehäuse 12 ist durch eine magnetisch abschirmende Zwischenwand 24 unterteilt. Durch einen Durchbruch 26 in der Zwischenwand ragt ein Zapfen 28, der am Gehäuse des Kreisels 14 gleichachsig zu dem Mast 16 und dem Band 18 sitzt und einen Anker 30 eines Drehmomenterzeugers 32 trägt. Durch den Anker 30 ist ein Drehmoment auf den Kreisel 14 um die Bandachse ausübbar. Das Zwischengehäuse 12 ist von einem Stellmotor 34 über ein Ritzel 36 und ein Zahnrad 38 verdrehbar. Mit aem Motor 34 ist ein Tachogenerator 40 gekuppelt. Mit dem Zwischengehäuse 12 ist ein Zielfernrohr 42 auf der Oberseite des Gehäuses 10 verbunden.

Das Abgriffsignal Uk wird über einen Verstärker 44 auf den Drehmomenterzeuger 32 geschaltet. Dabei können Ströme it und h se auf Spulen des Drehmomenterzeugers geschaltet werden, daß der eine Strom die Fesselung des Kreisels um die Bandachse und der andere eine Dämpfung bewirkt.

Das Abgriffsignal ist außerdem über einen Widerstand R\ und einen Schalter Si einer Umschaltvorrichtung 46 auf einen als Speicher dienenden Kondensator C) geschaltet.

In einer zweiten Schaltstellung »Nachdrehen« der Umschaltvorrichtung 46 wird über den Schalter Si der Kondensator Q auf einen Servoverstärker SV geschaltet, der einen hochohmigen Eingang besitzt, so daß der in dem Kondensator gespeicherte Spannungswert während des Nachdrehvorganges erhalten bleibt und den Stellmotor 34 speist.

Eine Rückführschleife enthält den Tachogenerator 40, einen Lade widerstand fa und einen Kondensator C?. Der Kondensator Ci wird in der Stellung »Nachdrehen«

von dem Tachogenerator mit einer Spannung Ut über den Widerstand A₂ auf eine Spannung aufgeladen, die dem Zeitintegral der Motordrehzahl proportional ist, also dem Drehwinkel des Motors 34. Der Widerstand A₂ ist zur Berücksichtigung der geographischen Breite einstellbar.

In der dargestellten Schaltstellung »Vorbereitung« wird der Kondensator C₂ über einen Entladewiderstand R₃ jeweils wieder entladen.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung wird nachstehend unter Bezugnahme auf F i g. 1 und 2 beschrieben:

Fig.2 zeigt in Abhängigkeit von der Zeit f die Kreiseldrchzab!, den Winkel α* zwischen Kreiseldrallachse und Bandnullage, und den Winkel a₀ zwischen Bandnullage und Nord (siehe unteres Diagramm von Fig.2 und Winkel «o für f=0). Während der Zeit f=0 bis r₂ läuft der Kreisel hoch (oberes Diagramm von F i g. 2).

Das Gerät wird mit der Bandnullage und der Kreiseldrallachse nach einem Magnetkompaß zunächst ungefähr nach der Nordrichtung ausgerichtet, so daß die Winkelabweichung der Kreiseldrallachse von der Nordrichtung eingeschränkt ist.

Der Kreisel 14 sucht sich dann mit seiner Drallachse in die Nordrichtung einzudrehen. Dabei wandert er aus der Bandnullage aus, und der Abgriff liefert ein Signal Uk, welches über den Verstärker 44 mit hohem Verstärkungsgrad auf den Drehmomenterzeuger 32 gegeben wird. Auf diese Weise übt der Drehmomenterzeuger 32 auf den Kreisel 14 ein Gegenmoment aus, welches dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkt. Das Kreiselrichtmoment wird also praktisch durch das Gegenmoment kompensiert, so daß der Kreisel im wesentlichen in der Bandnullage bleibt. Der Kreisel schwingt so in einem ersten Einschwingvorgang in dem Zeitraum von fi bis h in eine Gleichgewichtslage ein, in welcher das Kompensationsmoment des Drehmomenterzeugers dem Kreiselrichtmoment die Waage

hält.
Das Abgriffsignal Uk ist proportional dem Winkel zwischen Kreiseldrallachse und Nordrichtung. Dies Signal wird über den Widerstand R auf den Kondensator Ci gegeben, der also auf Uk aufgeladen wird und während der »Vorbereitungsw-Schaltstellung ständig auf dieser Spannung gehalten wird. Es erfolgt dann, gesteuert von einem Zeitschaltwerk 48, eine Umschaltung der Schalter S\ und S₂. Damit wird die Spannung des Kondensators Ci, also das gespeicherte Abgriffssignal, welches der Abweichung von der Nordrichtung

proportional ist, auf den Servoverstärker SVgeschaltet, so daß der Stellmotor das Innengehäuse 12 in die Nordrichtung nachdreht (Zeit I₃ bis U, unteres Diagramm in Fig.2). Der Tachogenerator liefert eine der Drehgeschwindigkeit proportionale Spannung, die über

R₂ und C₂ integriert wird, so daß die Spannung des Kondensators C₂ proportional dem Drehwinkel wird. Diese Spannung wird als Rückführung bzw. Gegenkopplung über den Schalter S₂ auf den Servoverstärker SV geschaltet. Der Servoverstärker wird somit um

einen Winkel verdreht, der der Spannung am Kondensator Ct proportional ist, wobei durch geeignete Bemessung der Schaltelemente dafür gesorgt ist, daß dieser Winkel im wesentlichen der ursprünglichen Abweichung des Kreisels von der Nordrichtung

entspricht. Die geographische Breite kann dabei wie gesagt durch die »Integrationskonstante« mittels des Widerstands A₂ berücksichtigt werden. Eine solche Berücksichtigung der geographischen Breite wirkt sich auf die Meßzeit günstig aus, ist aber keine unbedingte Notwendigkeit, und es werden jedenfalls keine großen Anforderungen an die Genauigkeit dieser Einstellung gestellt. Am Ende dieses Vorganges (U) ist der Kreisel mit seiner Drallachse mit wesentlich besserer Genauigkeit nach Norden ausgerichtet. Es kann jetzt dieser

Vorgang wiederholt werden (U bis ie). Der Kreisel wird auf diese Weise mit schnell konvergierenden Drehwinkeln stufenweise in die Nordrichtung eingedreht, wie im unteren Diagramm von F i g. 2 dargestellt ist. Es hat sich gezeigt, daß man damit überraschend schnell die Nordrichtung ermitteln kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Meridian-Kreiselgerät mit einem in einem Zwischengehäuse an einem Band aufgehängten Kreisel, einem Abgriff zur Erzeugung eines Abgriffsignals nach Maßgabe der Auslenkung des Kreisels aus einer Bandnullage, einem Drehmomenterzeuger zur Ausübung eines dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkenden Gegenmoments auf den Kreisel, wobei das Abgriffsignal mit hohem Verstärkungsgrad auf den Drehmomenterzeuger geschaltet ist, einem Stellmotor zur Nachdrehung des Zwischengehäuses und einer Steuerschaltung zur Steuerung des Stellmotors in Abhängigkeit von dem Abgriffsignal derart, daß im Endzustand der Kreisel mit seiner Drallachse nach Nord ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen Speicher (Q) für das Abgriffsignal (Uk), eine Umschaltvorrichtung (46), durch welche der Speicher (Q) nach dem Einstellen des Kreisels (14) von dem Abgriff (22) ab- und auf den Stellmotor (34) aufschaltbar ist, und einen Rückführkreis (40, R2, Ci) enthält, der den Drehwinkel des Stellmotors (34) proportional zu dem gespeicherten Abgriffsignal macht.

2. Meridian-Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (46) von einem ZeitschaUwerk (48) automatisch betätigbar ist.

3. Meridian-Kreiselgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher ein über einen Schalter (S]) der Umschaltvorrichtung (46) auf die Abgriffspannung (Ui) aufgeladener Kondensator (Q) ist, der nach Umschaltung über diesen Schalter (S\) an einem den Stellmotor (34) speisenden Servo-Verstärker (SV) mit hohem Eingangswiderstand liegt.

4. Meridian-Kreiselgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführkreis einen mit dem Stellmotor (34) gekuppelten Tachogenerator (40) enthält, der über einen Ladewiderstand (7?₂) einen Rückführkondensator (C₂) auflädt, und daß der Rückführkondensator (C₂) über einen Schalter (S₂) der Umschaltvorrichtung (46) bei Nachdrehbetrieb im gegenkoppelnden Sinne an den Servo-Verstärker (S V) anlegbar ist.

5. Meridian-Kreiselgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladewiderstand (R₂) zur Berücksichtigung der geographischen Breite einstellbar ist.