DE2810270A1

DE2810270A1 - Kreiselgeraet

Info

Publication number: DE2810270A1
Application number: DE19782810270
Authority: DE
Inventors: Thomas Richard Quermann
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1977-03-09
Filing date: 1978-03-09
Publication date: 1978-09-14
Also published as: FR2383429A1; NO149155C; NO149155B; JPS53110868A; NO780820L; IT1155864B; US4143466A; GB1564686A; FR2383429B1; DE2810270C2; IT7848310A0

Description

Patentanwälte Dipl.-lng. C u rt Wall ach

Dipl.-lng. Günther Koch

-* & " Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 9. Mär 2 1973

-Unser Zeichen: lg χOI - Flc/Ne

Sperry Rand Corporation
New York, USA

Kreiselgerät

£09837/092?

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. eünther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 9- Mär Z 1978

Unser Zeichen:-16 Ιβΐ - Fk/Ne

Sperry Rand Corporation New York / USA

Kreiselgerät

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Kreiselgeräte und insbesondere auf ein Kreiselgerät mit einem Außengehäuse, das einen Innenhohlraum mit zumindest einem ersten Polgereich und einem ersten fiquatorbereich aufweist, mit einem Kreiselgehäuse, das eine Außenoberfläche aufweist, deren Form mit der Form des Innenhohlraums übereinstimmt, so daß ein kontinuierlicher Spalt zwischen dem Innenhohlraum und der Außenoberfläche gebildet wird und das zumindest einen zweiten Polbereich und einen zweiten Äquatorbereich aufweist, mit Kreiselrotorelementen, die in dem Kreiselgehäuse angeordnet sind, um dieses pendelnd auszubilden und normalerweise die ersten und zweiten Polbereiche in überlappender Beziehung zu halten, mit einer elektrisch leitenden Flotationsflüssigkeit, die in dem Spalt angeordnet ist, mit ersten dem Innenhohlraum zugeordneten Elektrodenelementen, mit zweiten Elektrodenelementen, die dem Kreiselgehäuse zugeordnet sind und mit den ersten Elektrodenelementen und der elektrisch leitenden Flotations-

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-⁵T S

flüssigkeit zur Leitung von Strömen zusammenwirken, und mit Kopplungseinrichtungen zum Koppeln elektrischer Ströme über den Spalt zu den zweiten Elektrodeneinrichtungen.

Derartige schwimmende Kreiselgeräte oder Kreiselkompasse werden insbesondere bei der Schiffahrtsnavigation verwendet.

Von den zur Verfügung stehenden Arten von Schiffs-Kreiselkompassen wurdai insbesondere die Kreiselkompasse mit gewissem Sfolg über mehrere Jahre verwendet, die eine einen neutralen Auftrieb aufweisende pendeiförmige Kugelschale verwenden, die eine oder mehrere Kreiselrotoren umschließt, die durch elektrische Leistung angetrieben werden, die in die Kugelschale über eine elektrisch leitende Flotationsflüssigkeit übertragen wird. Normalerweise weisen diese Kreiselkompasse zusätzlich Elektroden auf, die so angeordnet sind, daß eine Abweichung der fbtierten Kugelschale von einer festen Azimutausrichtung bezüglich eines Innengehäuses des Kreiselgerätes gemessen wird. Die Art des Meßfühlers und seiner Anwendung erfordert jedoch, daß dieser Meßfühler in Verbindung mit einem Servosystem verwendet wird, das auf den gemessenen Fehler dadurch anspricht, daß das Innengehäuseelement des Kreisels so neu eingestellt wird, daß der Meßfühlerausgang zu O wird. Die Position des Innengehäuses bezüglich des Außengehäuses des Instrumentes wird dann mit Hilfe üblicher Einrichtungen, wie z.B. eines Synchro-Datengebersystems übertragen, um eine elektrische Anzeige des Azlmuthwertes zu liefern, der durch den Kreiselkompaß bestimmt ist. Die Notwendigkeit des Innengehäuses und des zugehörigen Servoantriebs führt zu einer unerwünschten Vergrößerung der Größe, des Gewichtes und der Kosten des Kreiselgerätes und verringert gleichzeitig beträchtlich die Zuverlässigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kreiselgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das einen einfacheren und zuverlässigeren Aufbau bei geringem Gewicht und geringen

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Kosten aufweist, so daß die oben erwähnten Nachteile vermieden s ind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
ersten Elektrodenelemente auf der Oberfläche des Innenhohlraumes an dem ersten Äquatorbereich angeordnet sind und eine Anzahl von mit Abstand angeordneten getrennten Elektrodenteilen umfassen, daß die zweiten Elektrodenelemente auf dem Kreiselgehäuse an dem zweiten Äquatorbereich angeordnet sind und sich kontinuierlich um die Außenoberfläche des Kreiselgehäuses
herum erstrecken, wobei diejzweiten Elektrodeneinrichtungen
eine Breite aufweisen, die sich in vorgegebener Weise zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert ändert, und daß das Kreiselgerät weiterhin auf die relativen Größen der zwischen den ersten und zweiten Elektrodenelementen fließenden Ströme ansprechende induktive Einrichtungen aufweist, die Ausgangsströme erzeugen, die die relativen Azimutpositionen des Kreiselgehäuses und des Außengehäuses darstellen«

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
ein Kreiselkompaß geschaffen, der Richtungsdaten über volle
J56o° der Azimutrichtung liefert und eine pendelnde hohle Kreiselkugel aufweist, die in dem kugelförmigen Hohlraum durch
die elektrisch leitende Flüssigkeit zum Auftrieb gebracht ist. Eine der Elektroden, die normalerweise zur Übertragung elektrischer Leistung durch die Flotationsflüssigkeit verwendet
werden, um den Kreiselrotor in Drehung zu versetzen, weist
eine spezielle Form als ein äquatoriales Band mit einer Breite auf₅ die sich sinusförmig mit der Position um die Kreiselkugel herum ändert» Vierizusammenwirkende Elektroden sind mit gleichem Abstand um das Instrumentengehäuse herum angeordnet und liefern direkt Azimut-Positionsdaten, um einen Selsyn
oder eine andere Datengebereinrichtung anzusteuern, wobei
die sine veränderliche Stärke aufweisenden Ströme, die von
den vier zusammenwirkenden Elektroden aufgefangen werden,
proportional zu den sich jeweils ändernden Widerständen der
jeweiligen Flüssigkeitspfade durch die elektrolytische Flota-

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tionsflüssigkeit sind. Diese verschiedenen Ströme werden zur Erzeugung von Dreidraht-Selsyndaten verwendet, die die wahre Azimutrichtung darstellen, die festgestellt wird. Die Anzahl der zusammenwirkenden Elektroden und der sinusförmigen Elektrode an der Kreiselkugel führen beide Betriebsleistung an das Kreiselrotorsystem und erzeugen weiterhin mit üblichen Synchrodatengeber-Forderungen übereinstimmende Abgriffsignale direkt anhand der Position der Kreiselkugel in dem Außengehäuse. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, die bisher verwendeten Servomechanismen und die zugehörigen Teile zu verwenden, so daß sich eine beträchtliche Verringerung der Kosten und eine Vergrößerung der Zuverlässigkeit bei einfacherem Aufbau ergibt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

¹~'ie Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine weitgehend im Querschnitt dargestellte Ansicht einer Ausführungsform des Kreiselgerätesj

Fig. 2 eine bruchstückhafte Ansicht einer der Flüssigkeitsdruck-Stützpuffer, die im unteren Teil der Fig. 1 zu erkennen sindj

Fig. j5 eine Abwicklung der in Fig. 1 verwendeten Elektroden;

Fig. 4 eine bruchstückhafte Ansicht der Kreisellcugel sowie der zugehörigen Elektroden zusammen mit einem Schaltbild, das die elektrischen Verbindungen und Bauteile des Rotorantriebs- und Abgriffsystems der Ausführungsform des Kreiselgerätes zeigt.

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Aus Pig. 1 ist zu erkennen, daß das Kreiselgerät eine vollständig frei schwimmende Meßeinheit einschließt, die sich innerhalb eines hohlen kugelförmigen schwimmenden Kreiselkugel-Elementes befindet, das zwei elektrisch isolierende Halbkugelschalen 6 und 49 aufweist, die hermetisch dicht miteinander über ein kreisringförmiges Dichtungsteil 16 verbunden sind, das im wesentlichen an einem Äquator der äußeren kugelförmigen Oberfläche 9 angeordnet ist. Die Kreiselkugel ist in einem Außengehäuse des Kreiselgerätes gelagert, wobei dieses Außengehäuse eine mit der Form der Kreiselkugel übereinstimmende innere Kugelobefläche 8 aufweist und einen oberen Gehäuseteil 1 und einen unteren Gehäuseteill3 umfaßt, die bei 12 gegeneinander abgedichtet oder auf andere Weise hermetisch dicht verbunden sind. Auf diese Weise bilden die in ihrer Form übereinstimmenden Kugeloberflächen 8 und 9 einen Spalt 5 mit im wesentlichen konstanter Breite, in dem sich ein dünner Flüssigkeitsfilm zur Lagerung der Kugelschale oder des Behälters 6, 4-9 und der darin befindlichen Kreiseleinrichtung befindet. Der obere Gehäuseteil 1 kann mit einem Betrachtungsfenster 4 versehen sein, dessen Innenoberfläche an die Krümmung der Oberfläche 8 angepaßt ist. Das Fenster 4 wird an seinem Platz gegen einen kreisringförmigen Sitz 7 mit Hilfe eines Halteringes 3 gehalten, der einen Gewindeteil 2 aufweist, der mit einem entsprechenden Gewinde in dem oberen Gehäuseteil 1 zusammenwirkt. Wenn eine direkt sichtbare Anzeige der Richtung erwünscht ist, kann eine (nicht gezeigte) Kompaßrose auf dem oberen Polteil der sphärischen Oberfläche 9 angeordnet werden, die gegenüber einem geeigneten (nicht gezeigten) Index auf einer Oberfläche des Fensters 4 abgelesen werden kann. Es ist für den Fachmann verständlich, daß die Breite des Spaltes 5 nach Fig. 1 lediglich so gewählt ist, daß die Zeichnung klar ist und daß die Breite des Spaltes 5 sowie andere Abmessungen und Proportionen, die in den Zeichnungen gezeigt sind, in gleicher Weise nicht notwendigerweise so sind, wie sie ein erfahrener Praktiker auswählen würde.

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Die kugelförmige den Rotor tragende Sehale 6, 9 mit einem Haupt-Kreiselrotor 21 und den anderen von Ihr umschlossenen Teilen ist so ausgelegt, daß sie eine mittlere Dichte aufweist, die gleich der Lagerflüssigkeit in dem Spalt 5 Ist, so daß die Kugelsehale 6, 49 schwimmend in einem im wesentlichen neutralen Gleichgewichtszustand in der Flüssigkeit gelagert ist. Weiterhin kann die kugelförmige, den Rotor tragende Schale oder der Behälter 6, 49 mit Hilfe üblicher Kugelzentrier- und Lagerungsanordnungen so gehalten werden, daß sich ein Spalt 5 mit normalerweise gleichförmiger Breite von beispielsweise 0,254 ram zwischen der Kreiselkugel und der benachbarten In ihrer Form übereinstimmenden Oberfläche 8 ergibt. Für diesen letztgenannten Zweck können Flüssigkeitsdruck-Puffersysteme, wie sie beispielsweise In den Figuren 1 und 2 dargestellt sind, verwendet werden.

In Fig. 1 liefert eine Flüssigkeitspumpe 84, die eine übliche Membran- oder andere Flüssigkeitspumpe sein kann, eine konstante Strömung der Lagerflüssigkeit an die verschiedenen Flüssigkeitsdruckpuffer, beispielsweise durch einen Eingangskanal 8j>, wobei die Flüssigkeit von dem durch den Spalt 5 gebildeten Volumen beispielsweise über einen Auslaßkanal 63 aus strömt, um kontinuierlich durch die Pumpe 84 in Zirkulation versetzt zu werden. Fig. 2 zeigt In einem veränderten Maßstab eine derartige Flüssigkeitsdruck-Puffereinrichtung, bei der ein Eingangskanal 9I, der durch eine Bohrung in dem unteren Gehäuseteil 13 gebildet Ist, Lagerflüssigkeit durch eine in der Mitte angeordnete Einschnürung 61 liefert. Die in der Mitte angeordnete Einschnürung 61 umgibt eine kreisförmige Anordnung 89 von relativ offenen öffnungen, wie z.B. 60 und 62 zum Auffangen der Flüssigkeit in einem kreisringförmigen Sammler 64 zur Rückführung an die Pumpe 84 über den Auslaßkanal 63. Es ist verständlich, daß die Kanäle 64, 9I in der Zeichnung nicht miteinander verbunden sind, sondern in getrennten Ebenen liegen, die einen Abstand voneinander unter

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der Zeichenebene aufweisen. Fig. 1 zeigt die Verwendung von zwei diametral gegenüberliegenden Flussigkeitsdruck-Puffereinrichtungen, die in dem Gehäuseteil 13 angeordnet sind. Es ist verständlich, daß ein ähnliches zweites Paar von diametral gegenüberliegenden Flüssigkeitsdruck-Puffereinrichtungen normalerweise in dem oberen Gehäuseteil 1 angeordnet ist und daß diese normalerweise symmetrisch in einer Ebene angeordnet sind, die sich unter rechten Winkeln zu der Ebene nach Fig. 1 erstreckt und die vertikale Achse der Zeichnung einschließt.

Die Wirkung der Flotationsflüssigkeit, die in die Flüssigkeitsdruck-Puffereinrichtungen strömt, besteht darin, die den Rotor tragende Kugelschale 6, 49 in der Kugel zentriert zu halten, die durch die Kugeloberfläche 8 umgrenzt ist. Wie es weiter oben erläutert wurde, ist die den Rotor tragende Kugelschale 6, 49 durch Flotationskräfte balanciert, die bestrebt sind, diese Kugelschale zu lagern und im wesentlichen auf die Kugelschale einwirkende Schwerkraft- und Beschleunigungskräfte zu kompensieren. Es sind jedoch in den meisten Fällen kleine Restkräfte und Beschleunigungen vorhanden, die eine akkumulative Relativbewegung zwischen der Kugelschale 6, 49 und der in ihrer Form übereinstimmenden Oberfläche 8 hervorrufen könnten, wenn das Kreiselgerät Translationsbewegungen ausgesetzt wird, so daß der Spalt 5 ungleichförmig wird. Wenn derartige Abweichungen auftreten, treten Änderungen der Größe des Spaltes 5 an den verschiedenen Flussigkeitsdruck-Puffereinrichtungen auf, so daß sich Druckänderungen in den Volumen unmittelbar oberhalb jeder eingeschnürten öffnung 61 ergeben, wobei diese Druekänderungen andererseits in wünschenswerter Weise die Kugelschale 6, 49 in kompensierender Weise neu einstellen, Entsprechend hält das zentrierende Flüssigkeitsdruck-Puffersystem die Kugelschale 6, 49 in einer normalen gleichförmigen Entfernung von der Kugeloberfläche 8 um die Freiheitsachsen der Kugelschale herum während sieh gleichzeitig eine kontinuierliche Strömung der Lagerflüssigkeit

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zwischen den Eingängen und Ausgängen jedes Flüssigkeitsdruck-Puffers ergibt.

Das beschriebene Kreiselgerät kann selbstverständlich auch andere bekannte Flüssigkeitsdruck-Puffer-Lageranordnungen verwenden, wie z.B. die Lager- und Zentriersysteme nach den britischen Patentschriften 798 107 und 867 867 oder gemäß den US-Patentschriften 3 252 JkO und 3 5^7 I05.

Ein Beispiel für einen Primärkreisel und ein Steuersystem innerhalb der Kugelschale 6, 4-9 ist in Fig. lgezeigt und es ist zu erkennen, daß diese Teile auf dem kreisringförmigen Verbindungsteil 16 der Kugelschale befestigt sind. Der Hauptkreisel weist eine Welle I9 auf, die zwischen gegenüberliegenden Vorsprüngen 17j 36, die einstückig mit dem Verbindungsteil 16 ausgebildet sein können, mit Hilfe von Schrauben 18 befestigt ist. An dieser nicht rotierenden Welle I9 ist der Statorkäfig 23 eines Elektromotors befestigt, der im Inneren einen Stator 24 und eine S ta tor-Erregungswicklung 25 trägt. Die Wicklung 25 ist mit Erregungsanschlüssen 20, 5I versehen, die durch elektrische Isolatoren, wie sie beispielsweise bei 22 gezeigt sind, hindurchlaufen und sich damit durch die Endwand des Statorkäfigs 23 erstrecken. Der Hauptkreiselrotor 21 ist drehbar auf der nicht rotierenden Welle I9 mit Hilfe von zwei Lagern j50 befestigt, die in einen einstückigen Vorsprung oder eine Nabe 26 des Rotors eingesetzt sind. Ein auf der Nabe 26 befestigter Hysteresering 27 bildet den Rotor des Antriebsmotors. Dieser Motor kann aus einer einphasigen Leistungsquelle mit Hufe eines (nicht gezeigten) Phasenschieberkondensators betrieben werden.

Diese Anordnung weist den weiteren Vorteil auf, daß Stabilisierungselemente und Ballistikelemente ohne weiteres innerhalb der Kugelschale 6, 49 angeordnet werden können. Eine allgemein übliche Flüssigkeitsballistik wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 2 990 623 gezeigt ist, und die nach Art einer geschlossenen Schleife ausgebildet ist, kann in der Ub-

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lichen Welse verwendet werden, um dem Kreisel merId!ansuchende Eigenschaften zu verleihen. Ein derartiges Ballistikelement weist erste und zweite Vorratsbehälter 50, 55 auf, die am Inneren der Kugelschale 6, 49 befestigt sind und teilweise mit einer Flüssigkeit 54 gefüllt sind, wie z.B. mit einer im Handel erhältliehen Fluorkohlenstoff flüssigkeit. In der neutralen Stellung des Kreiselgerätes füllt die Flüssigkeit

54 außerdem ein Rohr 52, das die Böden der Vorratsbehälter 50,

55 miteinander verbindet. Ein Gaskanal 53 verbindet die oberen Enden der Vorratsbehälter 50, 55» so daß ein Gas, wie z.B. Luft frei zwischen den Vorratsbehältern strömen kann, wenn das Kreiselsystem kippt. Die Stabilisation des schwimmenden Systems wird in allgemein üblicher Weise durch einen kleinen Wendekreisel erreicht, der an der Basis 35 eines Jochs 33 auf der Welle 19 gehaltert ist. Ein Rotor 3¹ des Wendekreisels Ist In Lagern um eine normalerweise vertikale Achse in einem Kardanrahmen 32 drehbar gelagert und dieser Kardanrahmen 32 ist um eine normalerweise horizontale Achse in Lagern 34 drehbar gelagert, die in dem Joch 33 befestigt sind. In üblicher Weise ist eine (nicht gezeigte) Federrückführung zwischen dem Kardanrahmen 32 und dem Joch 33 angeordnet, um die Drehung des Kardanrahmens 32 bezüglich des Joches 33 zu hemmen, wobei dies in herkömmlicher Weise die üblichen Korrektur-Stablllslerungskräfte auf das schwimmende System hervorruft. Die Vorrichtung innerhalb der Kugelschale 6, 49 1st so angeordnet, daß die Baugruppe in gewisser Welse Pendeleigenschaften aufweist.

Aus d er vorstehenden Beschreibung ist zu erkennen, daß das der Kugelschale 6, 49 zugeordnete Meßelement frei von allen unerwünschten Zwangskräften ist, so daß es eine zuverlässige Anzeige der Richtung bezüglich der Nordriehtung mit großer Präzision liefert. Es 3sb jedoch erforderlich, elektrische Leistung zuzuführen, um die Kreiselrotoren 21 und 3I anzutreiben und um von der Kugelsehale 6, 49 in Form von brauchbaren elektrischen Signalen Daten abzuleiten, die die Ausrichtung der Kugelsehale bezüglich des Außengehäuses 1, 13 angeben,

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Im einzelnen ist es erwünscht, Zuführungswege für Betriebsleistung und für diese elektrischen Datensignale zu schaffen, ohne das schwimmende Meßelement während des Betriebs zu stören und Zwangskräften auszusetzen, wobei weiterhin das gewünschte Endergebnis ohne die Einführung einer größeren Kompliziertheit erzielt werden so]!, wie dies beispielsweise bei Verwendung des oben erwähnten servogetriebenen Zwischengehäuses für das Keßelement der Fall ist, was zu zusätzlichen Komplikationen führt. Zu diesem Zweck verwendet das erfindungsgemäße Kreiselgerät in der in Fig. 1 und insbesondere in den Figuren 5 und erkennbaren Weise ein System von Elektroden, das mit der elektrolytischen Lagerflüssigkeit in dem Spalt 5 zusammenwirkt, um elektrische Ströme durch den Elektrolyten zwischen diesem Elektroden zu übertragen. Das neuartige Elektrodensystem der vorliegenden Erfindung sowie die damit zusammenwirkende Schaltung lösen daher in einer integrierten Anordnung zwei Probleme, nämlich das des Antriebs des Kreiselrotors mit Hilfe einer äußeren V/echselstromleistungsquelle 114 (Fig. 4) sowie das der Ableitung von Daten bezüglich der Azimutstellung der Kugelschalenoberfläche 9 bezüglich der Position des Außengehäuses 1, Ij5 sowie der Zuführung dieser Daten in brauchbarer Form an eine äußere Nutzeinrichtung 1J56.

Wie es insbesondere aus den Figuren j5 und 4 zu erkennen ist, weist die Kugelschalenoberfläche 9 eine symmetrische Polelektrode 70 auf, die zur Einführung eines elektrischen Stromes von der Quelle 114 in die Kugelschale 6, 49 dient, und zwar für beide Zwecke. Dies wird dadurch erreicht, daß die Quelle 114 mit Erde und mit einer Polelektrode 71 verbunden wird, die sich gegenüberliegend zur Polelektrode 70 in der Oberfläche 8 befindet oder in diese eingelegt ist, so daß ein Strom zwischen den Elektroden 70 und 71 durch die Elektrolytflüssigkeit in dem Spalt 5 fließt. Dieser Strom fließt, wie dies in Fig. 1 zu erkennen ist, über den Anschluß 66, eine Leitung 65, den Anschluß 5I, die Motorwicklung 25, den

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Anschluß 20 und die Leitung I5 zu dem Anschluß einer kreisringförmigen Elektrode 14, die sich vollständig um einen Äquatorbereich der Oberfläche 9 der Kugelschale 6, 49 herum erstreckt. Die Elektrode 14 weist aus noch zu erläuternden Gründen eine Form auf, wie sie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist. Der Stromübergang über die Elektrolytflüssigkeit im Spalt 5 erfolgt ein zweites Mal durch die Verwendung von 4 unter gleichen Abständen angeordneten Elektroden 11, 100, 38, 101, die mit Abstand um die kreisringförmige geformte Elektrode 14 herum entlang von Meridianlinien der Kugeloberfläche 9 angeordnet sind. Jede der Elektroden 11, 100, 38, 101 ist ein vertikal ausgerichteter elektrisch leitender Streifen, der an der Kugeloberfläche 8 befestigt oder in diese eingelegt ist. In den Elektroden 11, 100, 38, 101 fließende Ströme fließen durch die jeweiligen Leitungen 110, 111, 113 und 112 und addieren sich am gemeinsamen Verbindungspunkt einer selsyn-artigen induktiven Einrichtung 121, von wo aus sie über eine Leitung 122 zum geerdeten Anschluß der Quelle 114 zurückkehren. Im normalen Betrieb des Kreiselgerätes ist die Oberfläche 9 im wesentlichen innerhalb der Oberfläche 8 zentriert, so daß unabhängig von der Azimutstellung der Kugeloberfläche 9 bezüglich der Elektroden 11, 100, 38, 101 ein im wesentlichen konstanter Gesamtstrom durch den elektrischen Kreis fließt und die Kreiselrotoren 21, 31 werden entsprechend durch eine im wesentlichen konstante Antriebsspannung angetrieben, wenn sie sich im eingeschwungenen Betriebszustand befinden.

Um die gewünschten Azimut-Positionsdaten an die Nutzeinrichtung 136 zu liefern, spielen die selsynartige Einrichtung 121 und die zugehörigen Schaltungen eine spezielle Rolle. Beispielsweise ist die Abgriffelektrode 11 über die Leitung 110 über einen Abgleichwiderstand 115, der einstellbar sein kann, mit einer Wicklung II7 der selsynartigen induktiven Einrichtung 121 verbunden. Drei analoge zusammenwirkende Schaltungen schließen die Abgriffelektroden 100, 38, 101, die Leitungen 111, 113, 112, die Widerstände II6, 120, 133 und die Selsyn-

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wicklungen 118, 119, Ij52 ein.

Es ist zu erkennen, daß die Aufteilung des von der Quelle aus fließenden Gesamtstromes auf die Abgriffelektroden 11, 100, J58, 101 durch die Form der kreisringförmigen Elektrode 14 sowie ihrer Azimutstellung bestimmt ist. Wie es in Fig. 4 für eine repräsentative Azimutstellung der Oberfläche 9 zu erkennen 1st, weist die kreisringförmige Elektrode 14 ihren schmälsten Teil gegenüberliegend zur Abgriffelektrode 11 auf, während ihr breitester Teil der Abgriffelektrode J>8 gegenüberliegt. Die Abgriffelektroden 100, 101 liegen eine mittlere und gleiche Breite aufweisenden Teilen der kreisringförmigen Elektrode 14 gegenüber. Wenn sich die Kugeloberfläche 9 gegenüber der Kugeloberfläche 8 dreht, ist zu erkennen, daß sich die Amplituden der aus den Abgriffelektroden 11, 100, 38, ausfließenden Ströme zyklisch in 90°-Phasenbeziehungen derart ändern, daß sie sich in entsprechender V/eise zyklisch ändernde Felder in den jeweiligen induktiven Selsynwicklungen 117, 118, 119, 132 erzeugen. Weil die selsynartige induxktive Einrichtung 121 vom üblichen Transsolvertyp ist, wird ein drehbarer Magnetfeldvektor durch das Zusammenwirken der Wicklungen 117» H8, II9, 132 erzeugt, und die Richtung dieses Magnetfeldvektors stellt die momentane Azimutstellung der Oberfläche 9 dar. Es ist verständlich, daß die Transsolver-Selsyneinrichtung 121 eine übliche Selsyneinrichtung von der Art sein kann, die zwei mittelangezapfte Rotoreingangswicklungen aufweist, wie sie bei üblichen Differentialresolvern verwendet werden und die weiterhin einen 2- oder J5-Wicklungs-Stator eines üblichen Resolvers oder Synchros aufweist. Eine manuelle Breitengrad-Steuerkursfehler-Einstellung kann durch einen Knopf 1J51 über ein mechanisches Gestänge I30 erreicht werden. Auf diese Weise kann die tatsächliche Azimutrichtung der Oberfläche 9 über die sterngeschalteten Selsynwicklungen 1^5 in Form von Dreidraht-Selsyndaten zu irgendeiner Nutzeinrichtung Ij56 übertragen werden.

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Um einen im wesentlichen konstanten Strom zwischen den Polelektroden 70 und 71 zu erzielen, wird die Elektrode 7I üblicherweise größer gemacht als die Elektrode 70, so daß, wenn die Kugelschale 6, 49 eine relative Kippbewegung ausführt, die aktiven zusammenwirkenden Leitfähigkeitsflächen für dieses Elektrodenpaar über einen entsprechend großen Kippbereich im wesentlichen konstant bleiben. Ebenfalls zur Erzielung eines im wesentlichen von Kippbewegungen unabhängigen Betriebes sind die verschiedenen Abgriff-Streifenelektroden 11, 100, J58, 101 wesentlich langer als die maximale Breite der kreisringförmigen Elektrode 14. Daher bleiben die Leistungszufuhr- und Azimutabgriff unkt ionen der neuartigen Elektrodenanordnung zuverlässig konstant, selbst wenn das Kreiselgerät-Außengehäuse 1, Ij5 gegenüber der Vertikalen erheblich gekippt wird, wie dies beispielsweise beim Betrieb eines Kreiselkompasses an Bord eines Schiffes auftreten kann.

Um den gewünschten Ausgang der Transsolvereinrichtung 121 zu liefern, weist die kreisringförmige Elektrode 14 eine Breite an Jedem Punkt auf, die eine Konstante plus einer zweiten Konstante gleich oder kleiner als die erste Konstante multipliziert mit dem Sinus der Longitudinalposition des jeweiligen Punktes an der kreisringförmigen Elektrode 14 ist. Wenn eine derartige Elektrode auf die Kugeloberfläche 9 aufgebracht und in der V/eise betrachtet wird, wie sie in Fig. 4 erscheint, hat sie gerade Seiten. Andererseits weist eine abgewickelte Ansicht der Eüäctrode 14 ein sinusförmiges Aussehen auf, wie es in Fig. J5 gezeigt ist. Es ist dann zu erkennen, daß sie aus einer symmetrischen Elektrode 14 besteht, bei der die beiden Seite 14a, l4c gleichphasig sinusförmig sind; die Seite I4c kann auch durch eine gerade Seitenkante 14b ersetzt werden. Es ist für den Fachmann verständlich, daß die Elektrodengrößen, die Breite des Spaltes 5 und die Leitfähigkeit der Tragflüssigkeit bezüglich des ausgewählten Kreiselmotors und der Transsolver-Selsyneingangsimpedanzen so bemessen sind, daß die Größe des in einer vorgegebenen Wicklung der Wicklungen II7, II8, II9,

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\y_: fließenden Stroms in erheblichem Λ us maß durch die effektive Üterlappungsfläche der betrachteten Abgriffelektrode und der kreisrinjrförmigen Elektrode 14 beeinflußt ist.

Um ein in der Herstellung relativ wenig aufwendiges Kreiselgerät zu schaffen, sind weiterhin wesentliche Teile des Kreiselkompasses aus ausgewählten nichtporösen Spritzguß-Kunstntof!"materialien hergestellt, die mit de-r verwendeten elektrolytischen LagerflUssigkeit kompatibel sind und die im wenentlichen konstante physikalische Eigenschaften beispielsweise zvrisehen -78 C und +100 C aufweisen. Ein hoher elektrischer spezifischer Widerstand ist ebenfalls wünschenswert und dieser spezifische Widerstand kann mit ohne weiteres auf dem Markt erhältlichen Kunststoffmaterialien erreicht werden. Brauchbare Materialien, die direkt die erforderlichen aufplattierten Metallelektroden tragen (die aufgesprüht oder auf andere Weise gebildet sind) sind mineral- oder glasfaserverstärkte Diallylphthalate oder mineral- oder glasfaserverstärkte Epoxyharze. Hermetische Abdichtungen, die bei 12 und 16 in Fig. 1 erforderlich sind, können in einfacher V/eise unter "Verwendung von Epoxy- oder anderen ähnlichen Klebemitteln hergestellt werden. Obwohljauch andere Elektrolytflüssigkeiten ohne weiteres verwendet v/erden können, kann die Flotationsflüssigkeit beispielsweise eine bekannte Äthanol-Wassermischung sein, der •Jodkalium beigemischt ist, um die gewünschte Leitfähigkeit zu erzielen, w-.-bei zumindest 55 Gewichtsprozente der Mischung Äthanol sind, wenn ein Einfrieren oberhalb von -40°C vermieden werden soll. Zur Steuerung des pH-Wertes kann eine Spur von Natriumtetraborat hinzugefügt werden. Die Art der Flotationsflüssigkeit insbesondere hinsichtlich ihrer Dichte hängt stark von den Eigenschaften der schwimmenden Kugel ab und die oben erwähnte Flüssigkeit wurde lediglich erwähnt, um ein Beispiel einer Flüssigkeitsmischung zu geben, von denen viele bekannt sind, um einen weiten Bereich von brauchbaren Eigenschaften zu erzielen.

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ORIGINAL INSPECTED

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Entsprechend Ist zu erkennen, daß erfindungsgemäß ein vielseitiges schwimmendes Kreiselkompaßsystem geschaffen vrird, bei dem die zusätzlichen Aufwendungen und Komplikationen eines servogetriebenen Innengehäuses auf Grund der nützlichen Verwendung eines neuartigen elektrolytischen Abgriffsystems entfallen, das nicht nur eine vollständige J160 -Azimut-Ablesung des Kreiselgerätes ergibt, sondern auch in einfacher Weise die notwendige Antriebsleistung an die Kreiselrotoren zuführt, die in der Kreiselkugel angeordnet sind. Das Elektrodensystem ermöglicht eine drehmomentfreie Ablesung der wahren Azimutdaten, zweckmäßigerweise in Selsyn-Datenübertragungsformat, der Relativstellung der Kreiselkugel bezüglich des Instrumentengehäuses um eine Achse, wobei die Ablesegenauigkeit im wesentlichen unabhängig von Bewegungen des Kreiselgerät-Gehäuses über einen erheblichen Bereich um orthogonale Achsen ist. Zusätzlich ergeben sich verringerte Herstellungs- und Wartungskosten sowie eine erhöhte Zuverlässigkeit gegenüber den bekannten Kompaßanordnungen. Schließlich ist die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung auch ohne weiteres bei schwimmenden Elementen, die keine Kugelform aufweisen, beispielsweise bei kreisförmigen zylindrischen Elementen, die sich bei auf dem Land verwendeten Kreiselkompassen als brauchbar herausgestellt haben, verwendbar.

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Claims

urt Wallach

Patentanwälte D^pl.-ing. C

Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: J · -'.STZ - -J ■ ■ ^

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Kreiselgerät mit einem Außengehäuse, das einen Innenhohlraum mit zumindest einem ersten Foltere loh und c-ir.crr, ersten Äquatorbereich aufweist, mit einer·¹. Kreiselgehäuse, das eine Außenober fläche aufweist, deren Torrn mit der 7orm cos "nnenhohlraums übereinstimmt, so daß ein kontinuierlicher Spalt zwischen dem Innenhohlraum und der Außenoberfläche gebildet wird und das zumindest einen zweiten Polbereich und einpn zweiten Äquatorbereich aufweist, mit Kreiselrotorelementen, die in dem Kreiselgehäuse angeordnet sind, um dieses pendelnd auszubilden und normalerweise die ersten und zweiten Polbereicbe in überlappender Beziehung zu halten, mit einer elektrisch leitenden FlotationsflUssigkeit, die in dem Spalt angeordnet ist, mit ersten dem Innenhohlraum zugeordneten Elektrodenelementeri, mit zweiten Elektrodenelementen, die dem Kreiselgehäuse zugeordnet sind und mit den ersten Elektrodenelementen und der elektrisch leitenden Flotationsflüssigkeit zur Leitung von Strömen zusammenwirken, und mit Kopplungseinrichtungen zum Koppeln elektrteher Ströme über den Spalt zu den zweiten Elektrodeneinrichtungen, dadurch gekennzeic hnet, daß die ersten Elektrodenelemente (11, 100, J58, 101) auf der Oberfläche des Innenhohlraumes (8) an dem ersten Äquatorbereich angeordnet sind und eine Anzahl von mit Abstand angeordneten getrennten Elektrodenteilen umfassen, daß

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ORIGINAL INSPECTED

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clic ir.-: ei ten. Eüektrodenelement-e (14; auf dem Kr eise !gehäuse (G, 49) an dem zweiten k'qua tor ce reich angeordnet sind und sich .-:ont\nuierlieh um die Außenoberfläuhe (9) des Kreiselrehäus""-(6, V9) herum erstrecken, wobei die zweiten Elektrodeneirr leitungen (1-;) eine Breite aufweisen, die sich In vorgegebener tfeiae zwischen einem [·'.Lnu:.alv.ert und einem r.axiiiialT.'crt ändert, und daß das Kreiselgerät weiterhin auf die relativen "rößen der zwischen '⁷.=n ersten und zweiten L'lektroder.elementen (11, IOC, fo, iOl; 14) fließenden Ströme ansprechende induktive Einrichtungen ("uil} aufweist, die .ausgangs^ trörue ei zeugen, die die relativen AsimuthpoEitionen de-ν· Kreis··-!gehäuses (ό, 4y) und des Auiengehäuses (l) dar-

Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennze i c h ■ :i t t , daß die Kcpplun.jseinrichtungen erste kreisförmige Elektroden-3l-=i,ientc (?1) an den: ersten Polcereieh und zweite kreisforiTiige Ele^trcdenelfraente (70) an dem zv:e iten Pol— here loh urtifaccen, die mit der elektrisch leitenden Flotationsflüösifjkelt in stromführender Besiehung zusammenwirken, und daß die ersten kreisförmigen tlektrodenelenente (71) einen größeren \yxi chruesser aufvveisen, als eic zweitem kreicförrnigen Elektrodenelemente (70} .

ia eiseigerät nach Anspruch i oder 2, dadurch g ε k e η η - ζ e i 0 h η e t , daß die Breite der zweiten Elektrodenelernente (14) sich als eine Periode ein ^r oinua funkt lon des ÄrjuatorwLnkeis vor. clrni Kert der nsinimalsn Breite au? ändert.

Kreiselgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze i c h η e t , daß sich die Breite an jeder aufeinanderfolgenden longitudIna1^n Winkellage an den aweiten Elektrodenelementen (14) als Funktion einer ersten vorgegebenen Konstante plus einer siveiten vorgegebenen Konstante multipliziert mit dem Sinus des Winkels der longitudinalen Winkelposition ändert.

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5. Kreiselgerät nach e inern der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge ken η ze lehne t , daß der Innenhohlraum und das Kreiselgehäuse kugelförmig sind.

6. Kreiselgerät nach Anspruch 5 j dadurch g e k c η η ζ e i c h net, daß eine Kante der zweiten ElektrcdenelcmeHte (1*0 mit einer Breitengradlinie des kugelförmigen Kreise!gehäuses (6, 49) zusammenfällt.

7· Kreiselgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e k ε η η -zeichnet, daß die mit Abstand angeorcnettr. getrennten Elektrodenteile (11, IuO, 38, 101; jeweils durch unt^r gleichen Abständen angeordnete langgestreckte Elektrodenteile gebildet sind, die jeweils eine lange Abnesr-ung aufweisen, die sich entlang eines jeweiligen Längengrades der Oberfläche (9) des kugelförmigen Kreiselgehäuses (6, 49) erstreckt.

8. Kreiselgerät nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η ζ e i c h net, daß die lange Abmessung wesentlich größer als der maximale Wert ist.

9· Kreiselgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze lehne t, daß die induktiven Einrichtungen (121) erste Mehrfachwicklungseinrichtungen (HT, 118, II9, 132) mit vier Eingangsteilen, zweite Mehrfachwicklungseinrichtungen (135) mit drei Ausgangsteilen und Wähleinrichtungen (131) zur Einstellung der relativen Winkelstellungen der ersten und zweiten I-lehrfach-Wicklungseinrichtungen (117* II8, II9, 132; 35) entsprechend dem Erdbreitengrad umfassen.

10. Kreiselgerät nach Anspruch 9* dadurch gekennze lehnet, daß die Mehrfachwicklungen (117, H8, II9, 132; 35) der ersten und zweiten Mehrfachwicklungseinrichtungen jeweils

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rait ersten und zweiten gemeinsamen Verbindungsteilen verbund en s ind.

11. Kreiselgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Wechselstromquelle (114) vorgesehen Et, die zwischen den Kopplungseinrichtungen (70, 71) und den ersten gemeinsamen Verbindungsteilen angeschaltet ist, und daß die Mehrfachwicklungen (117, 118, 119, I32) der ersten F:ehrfachwicklungseinrichtungen jeweils mit einem jeweiligen der langgestreckten Elektrodenteile (11, 100, 38, 101) verbunden sind.

12. Kreiselgerät nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η τ zeichnet, daß weiterhin Abgleichwiderstandselemente (115* 116, 120, 123) in Serie zwischen jeder der Kehrfachwicklungen (117, 118, 119, 1-52) der ersten Mehrfach-Wicklungseinrichtungen und den jeweiligen langgestreckten Elektrodenteilen (11, 100, 38, 101) eingeschaltet sind.

13. Kreiselgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mehrfach-Viicklungseinrichtungen (135) drei Ausgangseinrichtungen aufweisen, die Dreidraht-Positionsdaten an Nutzeinrichtungen (I36) liefern.

14. Kreiselgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichnet , daß die Kreiselrotorelemente (21) den Rotor antreibende Statorwicklungseinrichtungen (25) einschließen, die in Serie mit den Kopplungseinrichtungen (70, 71) und den zweiten Elektrodenelementen (14) geschaltet sind.

15· Kreiselgerät nacheinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichne t, daß das Außengehäuse (1) Hydraulikeinrichtungen (84) aufweist, die zusammenwirkend mit dem kontinuierlichen Spalt (5) gekoppelt sind, so daß die elektrisch leitende FIotationsflüssigkeit kontinuier-

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lieh in Zirkulation versetzt .wird, so daß die Breite den Spaltes (5) im wesentlichen konstant ist.

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