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Kreiselneigungsmesser. Der Erfindungsgegenstand gehört zur Klasse
der Kreiselneigungsmesser, die die Abweichung von der Senkrechten öder der Horizontalebene
anzeigen (Lotkreisel). Die bislang bekannten Lotkreisel beruhen auf dem Kreiselsextanten
von F 1 e u r i a i s. Bei diesem liegt der Kreiselschwerpunkt wenig tiefer als
der Drehpunkt, die Drehzapfenspitze muß so fein wie mechanisch: möglich ausgeführt
und, die Umdrehungszahl so hoch wie möglich gewählt (q.000 bis 5ooo pro Minute)
werden.
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Bei sehr geringerDrehzahl zeigt ein solcher Kreisel noch eine geringe
P.endelsta)bilität, bei sehr großen Drehzahlen treten jedoch folgende Erscheinungen
auf: Ist die Drehachse zur Vertikalen geneigt, so beschreibt sie unter dem Einfluß
der Schwere einen Kegel um die Vertikale mit gleichförmiger- Geschwindigkeit (Präzession).
Gleichzeitig wird durch die unsymmetrische Reibung der Drehspitze in ihrer Pfanne
eine kleine horizontal gerichtete Reibungskomponente erzeugt, welche die Kreiselachse
aufzurichten, die Präzessionsgescbwindigkeit zu mindern trachtet.
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Durch diese beiden Wirkungen wird die Kreiselachse -langsam wieder
der Vertikallage genähert, sobald man sie aus ihr entfernt hat. Die Punkte der Achse
beschreiben dabei Spirallinieri, die immer enger werden, von löxodromischem Charakter.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß solche Instrumente praktisch nicht
genügend brauchbar sind.
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Beim Gegenstand der Erfindung ist nun der Stützzapfen des Kreisels
sphärisch gestaltet mit ausreichendem Durchmesser, während der Kreiselschwerpunkt
ins Zentrum der sphärischen Stützfläche fällt, so daß der Kreisel in seiner Pfanne
in indifferentem Gleichgewicht hängt.
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In dem auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel zeigt Fig.
i in senkrechtem Schnitt einen Kreisei nach der Erfindung als Horizontalanzeiger,
Fig.2 zeigt in vergrößertem Maßstäbe den Stützzapfen, Fig. 3 und 4 zeigen in Ansicht
und Schnitt ein Kreiselinstrument als Horizontal- und Lotanzeiger, Fig.5 zeigt schematisch
eine Vorrichtung zur Kontrolle der Kreiselquerneig ungen.
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Gemäß Fig. i und 2 sitzt am Kreiselkörper cc ein Zapfen
b mit sphärisch gewölbtem Ende c. Der Schwerpunkt G von Kreisel a samt Zapfen
b fällt in den Mittelpunkt des sphärischen Teils c, der seinerseits in einer
Pfanne
d ruht. Der Kreiselkörper ruht also in seiner Pfanne im indifferenten Gleichgewicht.
Dadurch unterscheidet sich seine Wirkungsweise von derjenige bekannter Kreisel wie
folgt: r. Die Präzession ist aufgehoben. Die Kreiselaufrichtung findet sofort und
ohne Schwingung statt.
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a. Die die Kreiselachse in die Vertikale zurückführende Kraft, hervorgerufen
durch die Reibung des Kugelzapfens in seiner Pfanne, welche unter Wegfall der Pendelstabilität
mit dem Radius des Kreiselzapfens wächst, ist ständig vorhanden und verhältnismäßig
sehr groß, so daß die Kreiselumlaufgeschwindigkeit und damit die Störungserscheinungen
vermindert werden können.
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3. Der Apparat ist gegen Horizontalbeschleunigungen und gegen andere
Seitenkräfte unempfindlich, um.somehr, als solche Kräfte vorweg eine Parallelverschiebung
des Kreisels und seines Stützzapfens in der Lagerpfanne hervorgerufen haben. Infolgedessen
üben solche Kräfte von kurzer Dauer keine Störung auf die Kreiselgleichgewichtslage
aus im Gegensatz zu den bekannten Kreiseln mit Pendelstabilität.
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Versuche haben gezeigt, daß ein Kreisel nach der Erfindung mit
500 bis 6oo minutlichen Umläufen ein stabiler augenblicklicher Lotanzeiger
ist, dessen Aufrichtung im Störungsfalle ohne Präzession oder Schwingungen erfolgt,
wobei der störende Einfluß von Seitenkräften außerordentlich gering bleibt. Diese
Eigenschaft macht den Kreisel als Lagenzeiger für Luft- und Seefahrt besonders geeignet.
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Die Oberfläche des Kreiselkörpers a kann gemäß Fig. r eine Kugelfläche
a, konzentrisch zum Kugelzapfen c bilden.
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Wirkt auf die Oberfläche a1 eine Seitenkraft oberhalb der Äquatorialebene,
.dann richtet er sich in; einem gegebenen. Sinne (positiv) auf und umgekehrt (negativ),
wenn die Seitenkraft unterhalb der Äquatorialebene wirkt. Die Äquatorialebene ist
also eine neutrale Ebene, so daß Seitenkräfte in ihr -auf das Kreiselgleichgewicht
nicht wirken. Der Anwendungsbereich eines solchen Kreisels ist ausgedehnt. Z. B:
kann er als Horizontalanzeiger dienen und kann zu diesem Zwecke mit Winkelteilung
zur Messung versehen sein, und zwar unter Verwendung optischer oder mechanischerMittel
als Zeiger.
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Fig. 3 und q. zeigen schematisch eine Ausführungsform: Kreisel a sitzt
in einem Gehäuse e, welches durch kugelige Mattscheibe f,
die mit Parallelkreisen
graduiert ist, abgeschlossen ist. Die Lage der GehäuseaehseX-X zur Kreiselachse
gestattet die sofortige Ablesung des Azimuts. Durch: Anbringung eines Zeigers g
und durch Vergrößerung des Abstandes der Scheibe f vom Mittelpunkte G erhält man
Vergrößerung der Ausschläge.
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Das Gehäuse ist durch Glasfenster 1a geschlossen, auf welchem senkrecht
zur Gehäuseachse die Linie i gezogen ist. -Ein Beobachter erblickt durch dieses
Fenster die Äquatoriallinie a2 des Kreisels und kann also die Abweichung der Linie
i von der Linie a= feststellen. Linie a2 geht durch den Schwerpunkt G und
steht senkrecht zur Kreiselachse. Auch kann auf dem Kreisel senkrecht zu seiner
Achse ein z. B. ein Lichtbündel reflektierender Spiegel als Zeiger angebracht sein.
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Die Drehung des Kreisels kann z. B. durch eine Venturidüse h erfolgen,
die die Luft durch das Kreiselgehäuse, und zwar durch Öffnungen l und die Laufschaufeln
a3 des Kreisels hindurchsaugt. Auch kann zum Antrieb Preßgas verwendet werden. Der
Kreisel gemäß der Erfindung kann auch als Steueranzeiger und Steuerschalter benutzt
werden, sei es, daß man ihn mit Fernanzeiger oder mit einem Servomotor kombiniert,
z. B. um von ihm aus automatisch das Höhensteuer eines Flugzeuges oder eines Unterseebootes
zu betätigen.
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Fig. 5 zeigt beispielsweise schematisch eine Kontrollvorrichtung für
die Querneigungen am Kreisel.
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Am Kreiselkörper a sitzen in seiner Äquatorialebene diametral gegenüber
zwei biegsame Bürgten na, W, welche an der glatten Innenfläche eines konzentrischen
Kugelgehäuses anliegen, in dessem Inneren der Lagerstuhl d des Kreisels angeordnet
ist. Dieses Gehäuse ist in vier metallische Kugelsegmente n, o, P,
q unterteilt, die durch Isolierringe r, s
in zwei zueinander senkrechten
Ebenen getrennt sind. In der Gleichgewichtslage liegt der eine Isolierring r in
der Äquatorialebene des Kreisels. Den .linken Kugelsegmenten n, o entsprechen die
rechten diametral gegenüberliegenden p, q.
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Das linke untere Kugelsegment n liegt mit dem rechten oberen p in
demselben Kreise einer elektrischen Stromquelle t und. eines kleinen Elektromotors
u. Das linke obere Segment o liegt analog mit dem rechten unteren Segment q im selben
Kreise einer elektrischen Stromquelle v und eines kleinen Elektrombtors w. Der zweite
Stromkreis ist vom ersten vollständig getrennt. Das den Kreisel umschließende Kugelgehäuse
ist mittels zweier Drehzapfen um eine zur Figurenebene senkrechte Achse, -die durch
den Schwerpunkt G des Kreisels ;hindurchgeht, beweglich gelagert. Dieses Gehäuse
kann in einem oder im Gegensinne von dem Motor as oderw bei Stromschluß des betreffenden
elektrischen
Kreises gedreht werden. Zu diesem Zwecke ist das Kugelgehäuse
mit einem Zahnkranz x versehen, mit welchem Untersetzungsgetriebe der Motoren
u, w in Eingriff stehen. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist die folgende:
In der Gleichgewichtslage liegen .die Bürsten m, ml am Isolierring y an, die Stromkreise
der Motore u, w sind unterbrochen, die Motore drehen sich nicht und übertragen
infolgedessen keine Bewegung auf das Kugelgehäuse. Neigt sich der Kreisel in seinem
Lager, z. B. im Sinne des Pfeiles A, so gelangen die Bürsten m, W in Berührung mit
den einander diametral gegenüberliegenden Segmenten o, q, so daß der Stromkreis
des Elektromotors w geschlossen wird. Dieser Motor läuft an und dreht dabei das
Kugelgehäuse im Sinne des Pfeiles B, d. hi. entgegengesetzt zur Neigung des Kreisels
d, so lange, bis der Isolierring r in die augenblickliche Ebene der Bürsten in,
ml zurückgedreht ist. In diesem Augenblick erfolgt Stromunterbrechung; der Motor
w bleibt stehen und das von ihm angetriebene Kugelgehäuse in der erreichten Lage
:ebenfalls.
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Neigt sich der Kreisel a im Gegensinne, so gelangen die Bürsten na,
m' in den Bereich der Metallsegmente p, n, so daß der Stromkreis .des Motors
i4 geschlossen wird. Dieser läuft an und -dreht das Kugelgehäuse im Sinne des Pfeiles
C so lange, bis die Bürsten m, m' wieder in die augenblickliche Ebene des Isolierringes
r gelangen. Dadurch erfolgt wieder Stromunterbrechung, Stillsetzung des Motors is
und damit des Kugelgehäuses.
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Mit dem Kugelgehäuse, das unter einer ausreichend groß 'gewählten
motorischen Kraft den Kreiselneigungen folgt, sind z. B. die Steuerorgane gekuppelt,
die somit nach der Kreiselneigung automatisch eingestellt werden.