DE2358716A1

DE2358716A1 - Verfahren und schaltung zur elektronischen erzeugung eines zitterns in einer mechanischen lageranordnung

Info

Publication number: DE2358716A1
Application number: DE2358716A
Authority: DE
Inventors: Robert Lafayette Clampitt
Original assignee: Systron Donner Corp
Current assignee: Systron Donner Corp
Priority date: 1972-11-29
Filing date: 1973-11-26
Publication date: 1974-06-12
Also published as: FR2208237A1; JPS4997640A; GB1433157A; FR2208237B1; CA995481A; DE2358716B2; US3797320A; DE2358716C3; JPS573021B2

Description

Verfahren und Schaltung zur elektronischen Erzeugung eines Zitterra in einer mechanischen Lageranordnung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zur elektronischen Erzeugung eines Zitterns in einer mechanischen Lageranordnung sowie die Anwendung der erfindungsgemässen Schaltung bei einem Beschleunigungsmesser.

Es ist bereits ein Schwenklager mit einer sogenannten elektronischen Zitterschaltung, d.h. einer Schaltung, die in einer Lageranordnung ein Vibrieren oder Zittern erzeugt, vorgeschlagen worden, bei der eine Einrichtung vorgesehen ist, die den Oszillator in der Weise moduliert, dass sich das leitende, ebene Element durch eine Nullage hin und zurück bewegt. Dabei wird ein Filter zweiter Ordnung ver—

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wendet, um die Oberwelle in die Oszillatorschaltung einzuführen. Bei Anwendung dieser elektronischen Zitterschaliing ist festgestellt worden, dass die erforderliche zusätzliche Schaltungsanordnung erheblichen Raum einnimmt und eine verhältnismässig grosse Anzahl von Komponenten erfordert. Es wird eine solche Schaltungsanordnung benötigt, die weniger elektronische Bauelemente und weniger Raum beansprucht. Darüber hinaus ist festgestellt worden, dass eine solche Schaltungsanordn-ung benötigt wird, die jedoch bessere Ergebnisse liefert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Schalting zur elektronischen Erzeugung eines Zitterns zu schaffen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zur elektronischen Erzeugung eines Zitterns in einer mechanischen Lageranordnung, die in einem Gehäuse angebracht ist und ein schwenkbar in der mechanischen Lageranordnung gelagertes Teil in der Weise trägt, dass es sich um eine Schwenkachse bewegen kann, dadurch gelöst, dass ein Servosystem mit geschlossenem Stromkreis gebildet wird, das das Teil in einer vorbestimmten Stellung halten kann, dass das Servosystem gedämpft und somit stabil gemacht wird und dass die Dämpfung vom Servostromkreis genommen wird und dadurch der Servostromkreis instabil und zum Schwingen gebracht wird, wodurch eine oszillatorische Bewegung des Teils erzeugt wird und die Reibung in der mechanischen Lageranordung kleinstmöglich gemacht wird.

Die elektronische Zitterschaltung wird in Verbindung mit einer mechanischen Lageranordnung verwendet und umfasst ein Gehäuse mit einem im Gehäuse angeordneten Teil. Im

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Gehäuse ist eine mechanische Lageranordnung vorgesehen, die das Teil im Gehäuse schwenkbar in der Weise lagert, dass es sich um eine Schwenkachse bewegen_kann. Ferner, ist im Gehäuse eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes angeordnet.. Im Gehäuse ist eine Rückstelloder Drehspule angebracht, die mit dem Teil verbunden ist und dem magnetischen Feld ausgesetzt ist. Ferner ist eine elektronische Einrichtung vorgesehen, die dazu dient, der Rückstell- oder Drehspule elektrische Energie zuzuführen. Die elektronische Einrichtung umfasst ein gedämpftes Servosystem mit einem geschlossenen Stromkreis, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, die die Dämpfung des Servostromkreises aufheben kann, um den Servostromkreis zum Schwingen zu bringen und dadurch der Rückstell- oder Drehspule oszillatorische Energie zuzuführen, wodurch bewirkt wird, dass die Rückstell- oder Drehspule durch die Nulllage hin- und zurückschwingt, wodurch der Einfluss der Reibung in der mechanischen Lageranordnung kleinstmöglic h gemacht wird. Die Erfindung liefert eine elektronische Zitterschaltung, die einen geringeren Schaltungsaufwand sowie eine geringere Anzahl von Komponenten erfordert.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Zitterschaltung besteht darin, dass die Dämpfung vom Servostromkreis genommen wird, um das Zittern zu erzeugen, wenn elektrische Leistung angelegt wird.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Zitterschaltung besteht darin, dass die Dämpfung des Servostromkreises für eine vorbestimmte Zeitdauer aufgehoben wird.

Ferner ermöglicht die erfindungsgemässe Zitterschaltung eine allmähliche Wiederherstellung der Dämpfung, nachdem sie

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aufgehoben worden ist. Die mit dem erfindungsgemässen Verfahren sowie der erfindungsgemässen Schaltung erreichten Ergebnisse sind verbessert.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens sowie der erfindungegemässen Schaltung besteht darin, dass diese mit besonderem Nutzen bei Beschleunxgungsmessern anwendbar sind. ..

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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Anordnung, bei der

eine erfindungsgemässe elektronische Zitterschaltung in Verbindung mit einem Servobeschleunigungsmesser nach dem US-Patent 3 074 279 angewendet wird;

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Anordnung, bei der eine erfindungsgemässe Zitterschaltung in Verbindung mit einem photoelektrischen Abtaster in einem Beschleunigungsmesser nach dem US-Patent 3 295 378 verwendet wird; und

Fig. 3 einen ausführlichen Schaltplan eines Beschleunigungsmesser nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer erfindungsgemässen sogenannten Zitterschaltung in Verbindung mit einem Servobeschleunigungsmesser dargestellt, wobei der Servobeschleunigungsmesser von der im US-Patent 3 074 279 beschriebenen Art ist. Wie in diesem US-Patent beschrieben

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ist, besteht ein solcher Servobeschleunigungsmesser aus einem auslenkbaren System 10 mit Rückstellkraft sowie einem Abtaster 11. Das auslenkbare System 10 mit Rückstellkraft umfasst eine Rückstellspule 13, die dazu dient, das bewegbare Element oder Glied in eine Nullstellung zurückzustellen. Der Abtaster 11 erfühlt die Stellung des ausgelenkten Systems und liefert einen Ausgang auf einen Oszillator 14, Der Ausgang des Oszillators 14 wird auf einen Detektor 16 gegeben, dessen Ausgang durch 'einen Funktionsverstärker 17 verstärkt wird. Der Ausgang des Punktionsverstärkers 17 wird auf die Rückstellspule sowie einen Widerstand 18 und einen Phasenvoreilung-Kondensator 19 gegeben, die zwischen den Ausgang und den Eingang des Verstärkers 17 geschaltet sind und dazu dienen, eine Pasenvoreilung zu erzielen, damit ein gedämpfter Servöstromkreis besteht,, Eine sogenannte Zitterschaltung. 21 ist vorgesehen und dient dazu, .'.die Dämpfung in der Rückkopplung des Servostromkreises aufzuheben. Ferner ist eine Zeitschaltung 22 vorgesehen, die zur Steuerung der Rückkehr der Dämpfung des Servostromkreises dient. Sobald elektrische Leistng auf den Servobeschleunigungsmesser gegeben wird, beginnt die Zeitschaltung 22 mit der Zeitsteuerung. Während dieses gesteuerten Zeitintervalls ist die ZittEESchaltung in Betrieb und bildet einen Nebenschlusswiderstand (Shunt) mit geringem widerstand parallel zum Rückkopplungs-Widerstand 18.

Unter der Wirkung einer Beschleunigung wird eine auf das auslenkbare System 10 wirkende Kraft erzeugt, die versucht, eine Auslenkung hervorzurufen. Wenn ein Auslenkung stattfindet, dienen der Oszillator 14, der Detektor 16 und der Verstärker 17 als Stellungsfehlerdetektor und Servoverstärker und erzeugen ein schnell ansteigendes

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Rückkopplüngssignal, das einen Strom durch die Rückstellspule 13 liefert. Die Zitterschaltung 21 hebt die Dämpfung für einen vorbestimmten Zeitraum auf, was bewirkt, dass der geschlossene Servostromkreis instabil wird und schwingt. Die Zeitschaltung 22 ermöglicht, dass die Zitterschaltung allmählich die Nebenschliessung des Rückkopplungswiderstandes 18 vermindert und dadurch den Servostromkreis wieder stabilisiert. Nach einer vorbestimmten Zeitdauer erlischt daher die Schwingung, und der Servostromkreis wird wieder für den normalen Betrieb angemessen gedämpft. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Funktion des ausführlich in Fig. 3 dargestellten Schaltplanes·

In Fig. 2 ist ein weiteres" Blockdiagramm einer erfindungsgemässen Zitterschaltung in Verbindung mit einem photoelektrischen Abtaster dargestellt, der von der im US~Patent 3 295 378 beschriebenen Art ist. Wie in diesem US-Patent beschrieben wird, besteht diese Anordung aus einem auslenkbaren System 26 mit Rückstellkraft, in dem die Stellungfles auslenkbaren Elementes von einem piezoelektrischen Abtaster 27 erfühlt wird. Der Ausgang des photoelektrischen Abtasters wird einem Verstärker 28 zugeführt, dessen Ausgang einer Rücksteilspule 29 sowie über einen Lastwiderstand R_T Masse zugeführt wird. Eine Phasenvoreilungsschaltung 31 ist vorgesehen, die aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen 32 und 33 besteht, die an der Verbindungsstelle zwischen den zwei Widerständen über einen Widerstand 34 und einen Kondensator 36 an Masse gelegt sind. Diese Schaltung 31 hat den Zweck, ein Dämpfungssignal bzw. eine Veränderung der Übertragungsfunktion zu erzeugen, damit eine Dämpfung für den Servostromkreis erhalten wird· Diese Schaltung bewirkt, dass

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die Verstärkung bei hohen Frequenzen wesentlich höher als die Verstärkung bei niedrigen Frequenzen ist. Die Wirkungsweise der Phasenvoreilungs-Schaltung bzw. Rückkopplungsöchaltung wird durch einen kondensator 37 in Reihe mit der Rüekkopplungsschaltung bei der Frequenz Null erhöht, so dass der Verstärker mit gröss-ter Verstärkung bei ServoAusgleich . mit Null-Frequenz und mit gesteuerter' Verstärkung arbeitet, wobei die Steuerung durch die Schaltung parallel zum Veratärker und den Kondensator erfolgt, der bei höherenBrequenzen als beispielsweise 10 Hz als Kurzschluss wirkti Daher arbeitet die Schaltung dann für Frequenzen oberhalb von 10 Hz und bewirkt eine gesteuerte Verstärkung in diesem mittleren Bandbereich, die als PlateaüverStärkung bezeichnet werden kann. Der nebengeschlossene Teil Widerstand-Kondensator-Masse der Schaltung bewirkt, dass die Rückkopplung parallel zum Verstärker mit steigender Frequenz vermindert wird und dass daher die Gesamtverstärkung des Verstärkers mit der Frequenz ansteigt. Eine Änderung der Verstärkung mit der Frequenz erzeugt eine Siasenvoreilungs-Charakteristik im gesamten Stromkreis das Servobeschleunigungsmessers und erzeugt auf diese Weise eine Phasenvoreilungs-Charakteristik, die am grössten in der Mitte der ansteigenden Kurve der Übertragungsfunktion ist. Die Zitterschaltung kann in dargestellter Weise, aus einem veränderbaren Widerstand in Form einer Photozelle bestehen. Wenn die Zitterschaltung 41 parallel zur Phastenvoreilungs-öchaltung geschaltet ist, vermeidet sie den Anstieg in der Verstärkungscharakteristik der Phasenvoreilungsschaltung und vermindert die Gesamtverstärkung des Servostromkreises wesentlich', indem sie direkt parallel zur Phasenvoreiluhgs-Schaltung einen Nebensehlusswiderstand (Shunt) mit niedrigem Widerstand bildet. Diese Aufhebung der Phasenvoreilung und

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Hinzufügung einer grösseren Phasennacheilung macht den Servostromkreis instabil und bewirkt, dass er zu schwingen anfängt. Die Zeitschaltung 42 bewirkt, dass der Widerstand der Photozelle allmählich ansteigt, wodurch die volle Funktionsfahigkeit des Servostromkreises allmählich wieder hergestellt wird.

Fig. 3 zeigt einen verhältnismässig ausfühdichen Schaltplan einer elektronischen Zitterschaltung in Verwendung bei einem photoelektrischen Abtaster.

Die elektromagnetische Anordnung 46, von der nur ein Teil in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, kann im wesentlichen von herkömmlicher .Art sein, wie sie beispielsweise in dem US-Patent 3 295 278 beschrieben ist. Wie dort beschrieben ist, hat diese Anordnung die Form eines Drehmomenterzeugers von herkömmlicher Bauart wie beispielsweise ein Drehspulgalvanometer und besteht aus einer rechteckigen Drehspule 47 mit Spiralfedern 48, die mit der Drehspule verbunden sind und dieser einen Rückstellstrom zuführen können. Die Drehspule wird an gegenüberliegenden Endanvon zwei Lagern 49 drehbar getragen, die von der Bauart mit Stein und Zapfen sind. Ein innerhalb der Drehspule angeordneter Magnet 51 hat die Form eines zylindrischen Körpers und ist so magnetisiert, dass sein Nord- und Südpol mit der Achse der Drehspule 47 einen Winkel von 90° einschliessen. Eine (magnetische) Rückführung ist in Form eines Zylinders 52 vorgesehen, innerhalb dessen der magnetische zylindrische Körper angeordnet ist.

An der mit einer Rückstellkraft beaufschlagten Drehspule 47 ist eine Schaufel bzw. eine Fahne 56 angebracht, die

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sich zusammen mit der Drehspule bewegen kann. Die Schaufel bzw. Fahne 56 ist so angeordnet, dass sie den Lichtdurchgang von einem Paar lichtemittierender Elemente, wie beispielsweise lichtemittierenden Dioden LEDl und LED2, steuern kann. Das Licht von den lichtemittierenden Dioden LEDl und LED2, das an der Fahne 56 vorbeigelangt, wird von geeigneten photoelektrischen Fühlern, wie beispielsweise Phototransitoren PTl und PT2,erfühlt bzw. aufgenommen. Wenn sich die Fahne 56 in ihrer ursprünglichen Ruhestellung befindet, beleuchtet das von den Dioden LEDl und LED£ ausgesandte Licht in gleicher Weise die Phototransistoren PTl und PT2, so dass die in Fig. 3 dargestellte Schaltung sich im ausgeglichenen bzw. Gleiohgewichts-Zustand befindet.

Wenn eine äussere Kraft auf das System wirkt, was beispielsweise der Fall ist, wenn, das System beschleunigt wird, bewegt sich die Schaufel bzw. Fahne 56. Eine Bewegung in einer Richtung bewirkt eine stärkere Bestrahlung des Phototransistors PT2 sowie, eine geringere Bestrahlung des Ehototransistors PTl, was von einem entsprechenden Anstieg des Kollektorstromes von PT2 und einem entsprechenden Abfall des Kollektorstromes in PTl begleitet ist. Die zwei Phototransistoren PTl und PT2 sind - wie dargestellt in Reihe geschaltet, urö die Verbindungsstelle von Emitter und Kollektor wirkt als Summierstelle 57 für die unausgeglichenen Kollektor ströme. Dieser unausgeglichene bzw. ". Reststrom wird über einen Leiter 59 auf den inversen Eingang 59 eines herkömmlichen Furiktionsverstärkers 61 gegeben, der von beliebiger geeigneter Art sein kann, wie beispielsweise der Motorola-Typ MC 1536 mit einer Verstärkung von mindestens 50000. Der Funktionsverstärker

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61 dient als Servoverstärker für die Schaltung. Der Ausgang des Funktionsverstarkers 61 wird einem Anschluss 63 zugeführt, der mit einem Zusatzverstärker 64 verbunden ist, der aus einem npn-Transistor 66 und einem pnp-Transistcr besteht, die in dargestellter Weise miteinander verbunden sind. Die Transistoren 66 und 67 können von beliebiger, geeigneter Art sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Transistor 66 um einen 2N2222A handeln, wogegen der Transistor 67 ein 2N2907A sein kann. Die Emitter der zwei Transistoren sind in Reihe geschaltet und gemeinsam mit einem Ende eines Widerstandes 68 verbunden, der mit dem Ausgangsanschluss 63 des Funktionsverstarkers 61 sowie der jeweiligen Basis der zwei Transistoren 66 und 67 verbunden ist. Der Widerstand 68 dient als Strompfad und leitet jegliche Streuung vom Kollektor zur Basis der Transistoren ab und verhindert dadurch jedes unerwünschte Einschalten der Transistoren 66 und 67, wenn nur eine geringe oder garkeine Leistungabgabe erforderlich ist. Der Ausgang des Zusatzverstärkers 64 wird von der Verbindungsstelle der Emitter der Transistoren 66 und 67 über einen Leiter 71 zu einer Seite der Drehspule 47 mit Rückstellkraft geleitet. Die Drehspule 47 ist über eine Lastschaltung angeschlossen. Die Lastschaltung 76 ist elektrisch an Masse und an den nichtinversen Eingang 77 des Funktions— Verstärkers 61 übar eine Leitung 78 angeschlossen. Der Leiter 78 ist zwischen den Spannungsquellen Bl und B2 angeschlossen.

Es ist eine Einrichtung vorgesehen, die das System zu dem Zeitpunkt instabil macht, zu dem dem System durch Schliessen von Schaltern 79 Leistung zugeführt wird, die die Instabilität für einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhält und die es ermöglicht,dass die Instabilität während

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eines vorbestimmten Zeitraumes allmählich abklingt, damit Haftung im Lagersystem in im folgenden beschriebener Weise aufgehoben werden kann. Dieses System umfasst den Funktionsverstärker 61, die Drehspule 47 mit Rückstellkraft und die elektromechanische Anordnung 46. Dem Operationsverstärker ist eine zusätzliche Rib !^kopplungseinrichtung zugeordnet, die dazu dient, diese Instabilität in das System einzuführen, indem ein Dämpfungssignal bzw. eine Änderung in der Übertragungsfunktion des Funktionsverstärkers hervorgerufen wird, damit eine Dämpfung für den . Servostromkreis erhalten wird. Diese Dämpfung wird erreicht, indem im Nebenschluss zum Rückkopplungsleiter 58 ein Kondensator 81 in Reihe mit einem Widerstand 82 in einem Leiter 83 angeordnet werden. Der Kondensator 81 in Reihe mit der Rückkopplungsleitung zum Anschluss des Funktionsverstärkers 61 hebt die gesamte Rückkopplung bei Null-Frequenz auf, so dass der Funktionsverstärker 61 bei Servoangleichung mit Null-Frequenz mit grösster Verstärkung arbeitet und mit gesteuerter Verstärkung arbeitet, die von der Schaltung parallel zum Verstärker gesteuert wird, nachdem der Kondensator 81 bei einer höheren Frequenz» wie beispielsweise 10 Hz, kurzgeschlossen hat. Die Schaltung arbeitet dann für Frequenzen oberhalb von 10 Hz in der Weise, dass sie eine Rückkopplung zum Funktionsverstärker 61 liefert und eine gesteuerte Verstärkung in einem mittleren Bandbereich bewirkt, die als Plateauverstärkung bezeichnet werden kann.

Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der nebengeschlossene Weg über Widerstand und Kondensator an Masse, der einen Teil der Rückkopplungsschaltung bildet, über den Kondensator 81 und den Widerstand 82 bewirkt, dass die Rückkopplung paralle zum Funktionsverstärker 61 vermindert wird, wenn-

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die Frequenz ansteigt, so dass dadurch die Gesamtverstärkung des Funktionsverstärkers 61 mit der Frequenz auf einen neuen Wert ansteigt, der am Hochfrequenzende des Frequenzspektrums ungefähr 5 mal grosser ist als die Verstärkung bei beispielsweise 120 Hz. Diese Änderung der Verstärkung mit der Frequenz erzeugt eine Phasenvoreilungscharakteristik im gesamten Stromkreis des Servosystems, wodurch eine Phasenvoreilungscharakteristik erzeugt wird, die einen Grösstwert in der Mitte der ansteigenden Kurve der Übertragungsfunktion hat. Somit besteht beim Übergang von einer niedrigen Prateauverstärkung zu einer wesentlich höheren Verstärkung bei hohen Frequenzen, die - wie bereits angeführt wurde beispielsweise 5 mal grosser sein kann, eine Steigung von 6 db je Oktave, die die zwei Verstärkungsniveaus verbindet. In der Mitte dieser Steigung, d.h. auf halber Höhe der Steigung wird die grösste Phasenvoreilung erreicht. Diese grösste Phasenvoreilung ist so eingestellt, dass sie auf den nominellen Ruheservostromkreis mit null db abgestimmt ist, so dass beim normalen Betrieb des Servostromkreises grösste Stabilität erreicht ist.

Wenn die sog. Zitterschaltung mit ihrer aktivierten lichtemittierenden Diode 85 und ihrer Photozelle 72 paralle zur Phasenvoreilungsschaltung geschaltet ist, verhindert sie wirksam den Anstieg in der Verstärkungscharakteristik der Phasenvoreilungsschaltung und vermindert die Gesamtverstärkung des Servostromkreises wesentlich, indem sie direkt parallel zur Phasenvoreilungsschaltung einen Nebenschlusswiderstand (Shunt) mit geringem Widerstand bildet. Die Phasenvoreilungsschaltung besteht aus einer Reihenschaltung von zwei Widerständen mit gleichem Wert, von denen der eine der Widerstand 82 und der andere ein Widerstand 84 ist, sowie einem weiteren Widerstand 86 und einem

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Kondensator 87 / die in Reihe geschaltete sind und an einen Punkt zwischen den zwei Widerständen 82 und 84 an den Leiter 83 angeschlossen sind. Diese Widerstände und Kondensatoren erzeugen den zuvor beschriebene*! Anstieg in der Verstärkungseharakteristik. Die Dämpfung durch den Anstieg der Verstärkung wird verhindert..,- indent ein Widerstand mit niedrigem Betrag in Form der Photozelle 72 verwendet wird, die in dem Leiter vom Ausgang? des , Verstärkers zum Rückkopplungsleiter 88 liegt, der zu der Verbindungsstelle von Kondensator 81 und Widerstand 82 führt. Die Wirkung der Photozelle 72 wird im; folgenden beschrieben. Der niedrige Widerstand der Photozelle: 72, den diese hat, wenn die lichtemittierende Diode 85 aktiviert ist, verhindert wirksam die Dämpfungseharakteristik der PhasenvoreilungssGhaltung und hebt dadurch; die Phasenvoreilung auf und bewirkt zusätzlich eine zusätzliche^ Phasenverzögerung, die in Verbindung mit dem in Serie geschalteten Kondensator 81 wirkt, der sehr dicht am Eingang 59 des Funktionsverstärkers 61 liegt. Diese Aufhebung: der Phasenvoreilung und die Hinzüfügung einer stärkeren* Phasenver— zögerung erzeugt eine Instabilität des Servostromkreises, so dass dieser nicht mehr ausreichend gedämpft ist.. Dadurch wird der Servostromkreis vollständig; instabil und geht in Schwingungen über«, Dies führt dazu:-,. dass der Fünktionsverstärker 61 einen oszillierenden¹ Ausgang erzeugt, der der Drehspule 47 mit Rückstellkraft zugeführt wird, was wiederum eine hin- und hergehende bzw. oszillierende Bewegung der Drehspule hervorruft, wodurch eine entsprechende Bewegung der Zapfen in den Lagern bewirkt wird. Somit erfolgt in der Läger-Zapfen-Grenzflache eine Schwingung mit der Frequenz, bei der der Servostromkreis in Resonanz ist. Dies vermindert die Reibung, bei der es sich in der Regel um Haftung handelt, zwischen den Zapfen und den Lagern

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wesentlich.

Wenn die Zeitschaltung für die Zitterschaltung das Ende des Steuerzyklus erreicht, wird der Strom in der lichtemittierenden Diode 85 allmählich vermindert, wodurch die Lichtabgabe vermindert wird. Dies bewirkt, dass der Widerstand der Photozelle 72 allmählich ansteigt, was wiederum zur Folge hat, dass der Servostromkreis in seinen normalen Betriebszustand zurückgebracht wird, so dass die Phasenvoreilungsschaltung 89 wieder in Aktion tritt und voll funktionsfähig wird,wodurch die Stabilität des Servostromkreises wieder hergestellt wird. Daher nehmen die Schwingungen im Servostromkreis allmählich ab, bis der Servostromkreis für den normalen Betrieb ausreichend gedämpft ist.

Wie bereits erwähnt wurde, ist es erforderlich, die stabilisierende Phasenvoreilung, die im System besteht, aufzuheben, um den Servostromkreis in Schwingungen zxyversetzten. Eine Anzahl verschiedener Möglichkeiten kann angewendet werden, um diesen Bereich der Phasenvoreilung des Servosystem^ zu beseitigen, um zu erreichen, dass der Servostromkreis instabil wird und in Schwingungen gerät, um auf diese Weise das sog. Zittern zu erzeugen, das bei der vorliegenden Erfindung so ausserordentlich nützlich ist. Wie bereits weiter oben erläutert wurden, wird dies durch den Kondensator 81 erreicht, der zusätzlich mehrere andae Funktionen hat. Der Kondensator 81 dient dazu, bei Gleichstrom bzw. Null-Frequenz maximale Verstärkung zu liefern. Er trennt die Phasenvoreilungsschaltung wirksam, solange niedrige Frequenzen auftreten. Ferner vermeidet der Kondensator 81 einen Nebenschluss der Phasenvoreilungs— schaltung, während er gleichzeitig das Ausmass der Phasen-

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verzögerung erhöht. Auf diese Weise wird zusätzlich dazu, dass die Phasenvoreilung aufgehoben wird, die Phasenverzögerung erhöht. Von besonderem Nutzen ist die Verwendung einer Photozelle parallel zur Phasenvoreilungsschaltung, da dies sowohl zu einer weiteren Phasenverzögerung als auch zu einer Aufhebung der Phasenvoreilung führt. Ohne den Kondensator 81. würde die Photozelle lediglich die Phasenvoreilung aufheben, jedoch keine Phasenverzögerung hinzufügen.

Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass es nicht unbedingt erforderlich ist, dass der Kondensator 81 vorgesehen ist. Es ist möglich, dass das Servosystem auch ohne eine Phasenvoreilungsschaltung in Schwingungen geraten kann. Dies wäre der Fall, wenn der Servostromkreis mehr als zwei Zeitkonstanten hätte,was zu einer Instabilität des Servostromkreises ohne, eine Phasenvoreilungsschaltung führen würde, so dass der Servostromkreis allein durch Verwendung einer Photοζelle in Schwingungen versetzt werden könnte. Die Verwendung eines Kondensators, wie beispielsweise des Kondensators 81,. ist jedoch vorzuziehen, weil der Kondensator den doppelten Vorteil mitsichbringt, dass er grösste Verstärkung bei Gleichstrom liefert und die Fähigkeit hat, eine Phasenverzögerung aufzubauen, sobald das Zittern begonnen wird.

In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, dass alle Photowiderstände eine sehr begrenzte Bandbreite haben und dazu neigen, aufgrund ihrer .eigenen Phasenverzögerung Servosysteme zum Schwingen zu bringen. Der Photo-widerstand dient als veränderbares Steuerelement. Ein solches veränderbares Steuerelement kann jedes elektronische Element sein, das über eine Spannung oder einen Strom steuerbar

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istJ derartige Elemente umfassen dipolare und Feldeffekt-Transistoren sowie Flächenhalbleiter und Metalloxidhalbleiter. Photowiderstände in Form von Photozellen sind besonders zufriedenstellend, da es sich bei ihnen praktisch um einen linearen Widerstand handelt, dessen Wert durch die Lichtmenge steuerbar ist. Da eine Photozelle ein lineares Schaltungselement ist, kann ihr Betrieb sowie ihre Wirkungsweise leicht analysiert werden, so dass die Photozelle einfach als Teil eines Steuersystems verwendbar ist.

Zwischen den Ausgang des Funktionsverstarkers 61 und den Leiter 58 ist ein Kondensator 90 geschaltet, der dazu dient, den Betrieb des Funktionsverstarkers 61 bei hoher Verstärkung für den Funktionsverstärker zu stabilisieren.

Zwei Kondensatoren 91 und 92 sind einerseits mit dem Leier 78 sov/ie andererseits mit den Leitern 93 bzw. 94 verbunden und dienen dazu, den Funktionsverstärker 61 vor externen Störgeräuschen auf den Stromzuführungsleitungen zu schützen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist der Leiter 94 an -28 V Gleichstrom angeschlossen, der über den Schalter 79 von einer Spannungsquelle geliefert wird, die durch die Batterie B2 realisiert ist. Der Leiter 93 ist über den Schalter 79 an + 28 V Gleichstrom angeschlossen, der von einer Spannungsquelle geliefert wird, die durch eine Batterie Bl realisiert ist.

Es ist ein Spannungsregler vorgesehen, der den Photo— transistoren PTl und PT2 eine geregelte Spannung zuführen kann. Dieser Spannungsregler besteht aus einem Widerstand 96, der mit einem Ende an den Leiter 93 angeschlossen ist und dessen anderes Ende mit zwei in Reihe geschalteten Zenerdioden 97 und 98 verbunden ist, die den Phototransisto-

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xm<$ WP2 etie Kezi^sspaniaung zuführen« Wie, atis». Fig, 3 ersichtlich ist,, ist, «Me \ferbiixdung;ss teile; dies; Widerstandes 96 mit der Zener diodje; 97 üb.e_:r einen Leiter 99- mit deni Kollektor des^Photofcransis&Qirs; ΡΈ1 v^bund5en> ©as andere En.de der Zenerdiode 97' ist mit der- Leitung; 78 verlpunderi, die den MasseljezugspuBkt sowohl fite deji ausgang als avLch, die Sjyannungsziif\ilirera feildefe. Das Ende der Zenerdiöde 98 ist mit einsa Ende der in Reine gescTialteten lichtemittierenden Dioden I₄EDl und; verbundenj während das andere En<te dier Dioden LEDl und ILEDj^ mit äem KollefetQr ebnest Stromregier» vom Emitter-Polge-TYp in. Form eines; Tirartaistoirss 1Θ1 verbunden ist» Der KoHektorstroin· des ■Eransistora von einera Emitterwiderstand 102 gesteuert_t. der mit !.eiter 94 verbunden ist. Dieser Kollektorstronl· ist auch der Strom,: der durch die'lichtemittierend© Dioden LEDl und LED2 fliesst« Äusser mit den lichtemittierenden Dioden; 1,EDl und IiEDZ ist die andere Seite der Zenerdiode 98 aucb mit djeta. Emitter des Phototransistora PT2 verbunden.

Ferner ist eine Zeitsteuerung; vorgesehen,, die dazus dient die Wiederherstellung dies normalen; Betriebs des Servostromkreises zu steuern^ und^ aus einer Zitterzeit-' schaltung 106 besteht. Die Zitterzeitschaltung gibt das Zittersignal während; eines vorbestimmten Zeitraumes von beispielsweise 9OQ millisekunden auf den Servostrom·- kreis auf, Das Zittersignal wird durch die Zitterzeitschaitung automatisch beendet, nachdem der vorbestimmte Zeitraum verstrichen ist. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, Kann die Zitterzeitschaltung in Form eines einfachen RC-Ladekreises realisiert sein_t der aus einem Kondensator 107 besteht, der so ausgewählt ist, dass er die

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gewünschte Zeitverzögerung liefert. Ein Ende des Kondensators ist mit dem Leiter 93 für + 28 V verbunden, während das andere Ende mit der Basis, eines Transistors 108 verbunden ist, dessen Emitter mit der Basis eines weiteren Transistors 109 verbunden ist. Der Emitter des Trasistor s 109 ist mit einem Ende eines Widerstandes verbunden, und das andere Ende des Widerstandes 111 ist mit einer Seite einer Zenerdiode 112 verbunden, die an den -28 V Gleichstromleiter angeschlossen ist. Die Kollektoren der zwei Transistoren 108 und 109 sind miteinander und mit einem Leiter 113 verbunden. Die Transistoren 108 und 109 sind so verbunden, dass sie einen Dar— lington-Verstärker bilden.

Der Leiter 113 ist mit einer Zitterschaltung bzw. Zitter— steuerung 116 verbunden, die eine lichtemittierende Diode 85 umfasst, wobei das andere Ende der lichtemittierenden Diode 85 mit dem + 28 V Gleichstromleiter verbunden ist. Ein Widerstand 121 ist in Reihe mit dem Kondensator 107 geschaltet und an den - 28 V Gleichstromleiter angeschlossen. Eine Diode 122 ist mit der Basis des Transistors 108 sowie dem - 28 V Gleichstromleiter 94 verbunden und dient dazu, einen Basis-Emitter-Einbruch der Darlington-Transistoren 108 und 109 zu verhindern. Ein Widerstand 111 dient dazu, der Zenerdiode 112 ausreichenden Strom zuzuführen, die als Spannungsbezugspunkt für den Stromregler verwendet wird, der durch den Transistor 101 gebildet ist.

Der Widerstand 112 in Reihe mit dem Kondensator 107 bildet den einfachen RC-Ladekreis, der in der Zitterzeitschaltung verwendet wird. Dieser RC-Ladekreis bzw. RC-Zeitgeber liefert eine vorbestiirante Zeitverzögerung von beispiels—

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weise 900 millisekunden, die für das Aufladen,des Kondensators benötigt werden. Während dieser Zeitdauer fliesst ein Stran in der Emitter-Folge-Anordnung der Darlington-Transistoren 108 und 109. Das Aufladen des Kondensators 107 bewirkt, dass die" Basisspannung am Därlington-Transistor 108 exponentiell auf die Leiterspannung absinkt. Während dies geschieht, fliesst ein Strom durch die Darlington-Trasistoren 108 und 109,durch den Widerstand 111 und durch die Zenerdiode 112. Der gleiche Strom fliesst auch durch die lichtemittierende Diode 85.

Das von der lichtemittierenden Diode 85 ausgestrahlte Licht wird von einer Photozelle 72 geeigneter Art, beispielsweise einer CdS-Photozelle, aufgenommen. Ein Ende der Photozelle ist mit der Drehspule 47 mit Rückstellkraft verbunden, wogegen das andere Ende mit einem Leiter 88 verbunden ist, der an die Verbindungsstelle zwischen dem Kondensator 81 und dem Widerstand 82 angeschlossen ist. Der Betrag des Stromes bzw. die Stärke des Signals, das zu dieser Verbindungsstelle zurückgeführt wird, ist eine Funktion der Lichtmenge, die der Photozelle von der lichtemittierenden Diode 85 zugeführt wird. Je grosser die Lichtmenge ist, desto niedriger ist der Widerstand der Photozelle, so dass ein stärkeres Signal zum Funktionsverstärker 61 zurückgeführt wird. Dieser Strom fliesst über den Kondensator 81 zum Eingang 59 des Funktionsverstärkers und bewirkt, dass der Servostromkreis instabil wird. Diese Instabilität bewirkt, dass ein oszillierender Stion in der Drehspule 47 fliesst, wodurch ein, Zittern des bewegbaren Systems mit einer vorbestimmten Frequenz von beispielsweise 30 Hz vorgerufen wird. Diese Frequenz kann jedoch auch im Bereich

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von 10 bis 70 Hz liegen und zu befriedigenden Ergebnissen führen.

Es folgt nun eine ausführlichere Beschreibung der Funktion der Schaltung. Wenn an dem System keine Spannung anliegt, liegt auch keine Ladung auf dem Kondensator 107. Wenn Spannung anliegt, v/erden dem System beispielsweise + 28 V zugeführt. Dadurch beginnt ein Strom von dem + 28 V Leiter durch den Kondensator 107 und den Widerstand 121 zu dem - 28 V Leiter zu fliessen. Während dieser Strom fliesst,wird eine exponentiell ansteigende Spannung am Kondensator 107 erzeugt. Dies wirkt sich auf den Emitter-Folge-Verstärker in Darlington-Anordnung aus, der durch die Transistoren 108 und 109 gebildet wird. Diese Spannung steuert einen Strom im Kollektorkreis des Transistors, der wiederum mit der lichtemittierenden Diode 85 verbunden ist. Je mehr der Kondensator 107 aufgeladen wird, desto weniger Spannung Hegt am Emitterwiderstand 111 an, wodurch der Storm durch die Transistoren 108 und 109 vermindert wird. Das Aufladen des Kondensators 107 dauert bis zu dem Zeitpunkt an, zu dem die Basisspannung des Transistors 108 bzw. die Spannung am Widerstand ungefähr 1 V grosser als die Spannung der Diode 112 ist. Dadurch wird die Darlington-Transistoranordnung abgeschaltet , so dass kein Strom mehr durch die lichtemittierende Diode 85 fliesst. Dies beseitigt das Zittern im Servostromkreis, da zu dem Zeitpunkt, zu dem die Photozelle 72 kein Licht mehr erhält, diese einen sehr hohen Widerstand hat. Der Kondensator 107 wird solange weiter aufgeladen, bis die Gesamtspannung zwischen den Leitern 93 und 94 erreicht ist. Dies stellt sicher, dass die Transistoren 108 und vollständig abgeschnitten sind und dass die Photozelle ihren grösstmöglichen Widerstand behält.

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Während der Ladezeit des Kondensators 107 ist der Strom durch die Photozelle 72 oszillierend, da der Servostrom-Λ kreis instabil ist. Der Grund dafür ist der, dass das Element mit niedrigem Widerstand in Reihe mit dem Kondensator zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem Eingang des Verstärkers geschaltet ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das Servosystem zweiter Ordnung, das an sich stabil ist, instabil gemacht wird, indem in die Rüekkopplungsschaltung eine weitere Zeitkonstante eingeführt wird. .

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, dass durch die Erfindung ein neues und verbessertes elektronisches Abtastverfahren bzw. Messverfahren geschaffen worden ist, das von besonderem Nutzen für mechanische Lageranordnungen ist, bei denen es wesentlich darauf ankommt, die Reibung soweit wie möglich zu vermindern. Der Zitterkreis benötigt nur eine verhältnismässig einfache Schaltung, die ,nur eine verhältnismässig geringe Anzahl von Komponenten erfordert, so dass der Zitterkreis bzw. die Zitterschältung in ihren Abmessungen wesentlich vermindert ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass wesentlich verbesserte Ergebnisse erreicht werden. Die Erfindung kann sowohl in Verbindung mit fluidgedämpften als auch in Verbindung mit elektrischgedämpften Servösystemen verwendet werden. System und Verfahren arbeiten nach dem Prinzip, dass die Dämpfung aufgehoben wird und dass der Servostromkreis in Schwingungen versetzt wird und dass dann die Dämpfung allmählich wieder auf den Servostromkreis gegeben wird, um den Servostromkreis in seinen normalen Betriebszustand zurückzuführen. Das Einführen des Zitterns in die Schaltung und die Beseitungen des Zitterns können auf einfache Weise gesteuert werden.

Patentansprüche:

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Claims

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Patentansprüc he

1. Verfahren zur elektronischen Erzeugung eines Zitterns in einer mechanischen Lageranordnung, die in einem Gehäuse angebracht ist und ein schwenkbar in der mechanischen Lager-

s anordnung gelagertes Teil in der Weise trägt, dass es sich um eine Schwenkachse bewegen kann, dadurch gekennzeichnet, dass ein Servosystem mit geschlossenem Stromkreis gebildet wird, das das Teil in einer vorbestimmten Stellung halten kann, dass das Servosystem gedämpft und somit stabil gemacht wird und dass die Dämpfung vom Servostromkreis genommen wird und dactauch der Servostromkreis instabil gemacht und zum Schwingen gebracht wird, wodurch eine oszillatorische Bewegung des Teils erzeugt wird und die Reibung in der mechanischen Lageranordnung kleinstmöglich gemacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung allmählich wieder auf den Servostromkreis aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung schlagartig aufgehoben wird. *

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e η η ζ ei c h η. e t, dass die Dämpfung bei Anlegen einer elektrischen Leistung nach einem nichterregten Zustand vom Servostromkreis genommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, dass die Dämpfung während eines vorbestimmten Zeitraumes wiederhergestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h . g e k e η η zeichnet, dass das Wiederherstellen der Dämpfung

in der Weise erfolgt/ dass der Servostromkreis sich asymptotisch der Stabilität und der vollständigen Dämpfung nähert.

7. Elektronische Schaltung zur Erzeugung eines Zitterns in einer mechanischen Anordnung gemäss dem Verfahren nach Anspruch 1, mit einem Gehäuse, einem im Gehäuse angeordneten Teil, einer mechanischen Lageranordnung zur schwenkbaren Lagerung des Teils im Gehäuse in der Weise, dass es sich um eine Schwenkachse bewegen kann, einer im Gehäuse angeordneten Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, einer mit dem Teil verbundenen Rückstell- oder Drehspule, die im Gehäuse in dem magneti-

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sehen Feld angeordnet ist, und einer elektronischen Einrichtung, die der Rückstell- oder Drehspule elektrische Energie zuführen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einrichtung ein Servosystem mit geschlossenem Stromkreis, eine mit s dem Servosystem gekoppelte Dämpfungsschaltung (18, 19; 31; 89), die eine Dämpfung für das/Öystem liefert sowie eine Einrichtung (21; 41; 116) zur Aufhebung der Dämpfung des Systems umfasst, um im Servosystem eine oszillatorische Instabilität zu induzieren und dadurch eine oszillatorische Bewegung der Rückstell- oder Drehspule (13, 29, 47) und des damit verbundenen Teils zu erzeugen, wodurch der Einfluss der Reibung inöer mechanischen Lageranordnung kleinstmöglich gemacht wird, u:

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (98) zur Aufhebung der Dämpfung die Dämpfung bei Anlegen einer elektrischen

. Leistung nach einem nichterregten Zustand aufhebt«.

9. Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet .durch eine-Einrichtung (22, 42, 106) zur erneuten

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Aufbringung der Dämpfung auf das Servosystem mit geschlossenem Stromkreis *

1Oi Schaltung nach Anspruch 9, d a du rc h gekennzeichnet, dass die Einrichtung (106) zur erneuten >< Aufbringung der Dämpfung auf das Servosystem mit geschlossenem Kreislauf eine Einrichtung (107) zum allmählichen Aufbau der Dämpfung umfasst.

11. Schaltung nach Anspruch 10, d a d u rc h gekennzeichnet, das die Einrichtung zum allmählichen Aufbau der Dämpfung Mittel (107) umfasst, die für einen asymptotischen Anstieg der Dämpfung bis zur Stabilität und vollständigen Dämpfung sorgen.

12. Schaltung nach einem-der Ansprüche 7 bis 11, da du r c h g e k e η η ζ e i eh η et, dass die Einrichtung zur erneuten Aufbringung der Dämpfung eine Zeitschaltung (22, 42, 106) umfasst.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, da durch gekennzeichnet, dass das Servosystem mit geschlossenem Stromkreis einen Verstärker (17, 28, 61) und eine Einrichtung umfasst, die eine Phasenvoreilungs-

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schaltung (18, 19; 31; 39) parallel zum Verstärker bildet, und dass die Einrichtung zur Aufhebung der Dämpfung des Servosystems mit geschlossenem Stromkreis eine Einrichtung (21, 31, 116) umfasst, die die Phasenvoreilung vom verstärker nimmt.

14. Schaltung nach Anspruch 13,gekennzeichnet durch eine Einrichtung (19, 37, 81), die eine Phasenverzögerung aufbaut, wenn die Phasenvoreilung aufgehoben wird.

15· Schaltung nach einem der Anspiche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Aufhebung der Dämpfung des Servosystems bzw. zur Abschaltung der Dämpfungsschaltung eine Einrichtung zum schlagartigen Aufheben der Dämpfung umfasst.

16. Schaltung nach Anspruch 12, gekennzeichnet du r ch eine Einrichtung zum Rückstellen der Zeitschaltung bei Abbruch der Leistungszufuhr der elektronischen Einrichtung.

17. _f Anwendung der Schaltung nach Anspruch 7 bei einem Beschleunigungsmesser, dadurch gekennzeich-

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riet, dass das im Gehäuse angeordnete Teil ein "schwingfähiges bzw. pendelartiges Teil (56)ist, daß ein Abtaster (27) zur Feststellung der Stellung des Teils vorgesehen ist,d5G die elektronische Einrichtung mit dem Abtaster verbunden ist und dass der Drehspule (47) bei aufgehobener Dämpfung elektrische Energie oszillierend zugeführt wird.

18. Anwendung nach Ansprch 17/ g e k e η η ζ e i c h η e t du r c h eine Einrichtung (22, 42, 106) zur erneuten Aufbringung der Dämpfung auf das Servosystem nach dem Aufheben der Dämpfung.

19. Anwendung nach Anspruch 18, g e k e.η η ζ e i c h η e t

d u r c h eine Zeitschaltung (22, 42, 106) zur allmählichen Wiederherstellung der Dämpfung des Servosystems. .

20. Anwendung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, dass die Einrichtung zur Aufhebung der Dämpfung eine Einrichtung zum schlagartigen Aufheben der Dämpfung bei Anlegen einer elektrischen Leistung an den Beschleunigungsmesse^nach einem nichterregten Zustand umfasst. '

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21. Anwendung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Rückstellen der Zeitschaltung bei Abbruch der Leistungszufuhr zum Beschleunigungsmesser.

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