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Stellungsabgriff für Magnetkompasse Die Erfindung betrifft einen Stellungsabgriff
für Magnetkompasse zur Erzeugung eines Steuersignals entsprechend einer Abweichung
eines Fahrzeugs von einer vorgewählten Bezugsrichtung, bestehend aus gleichartigen,
im Feldbereich des Kompaßmagneten angeordneten, wechseistromgespeisten Induktorspulen,
deren Kerne aus ferromagnetischem Werkstoff mit rechteckförmiger Hysteresiskurve
gefertigt sind und die mit ihren Spulenachsen in einer gemeinsamen, senkrecht zur
Rotationsachse des Kompaßmagneten verlaufenden Ebene symmetrisch zur Rotationsachse
auf einem Spulenträger angeordnet sind, der um die Rotationsachse drehbar und entsprechend
der Winkeldifferenz zwischen der Bezugsrichtung und der magnetischen Nordrichtung
einstellbar ist.
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Ein solcher Stellungsabgriff ist bekannt. Er arbeitet nach dem gleichen
Prinzip wie bekannte magnetische Feldsonden, die aus mehreren Kernen aus einem ferromagnetischen
Material mit schmaler rechteckförmiger Hysteresisschleife bestehen und bei denen
jeder Kern eine Primär- und eine Sekundärwicklung aufweist. Die Primärwicklungen
und die Sekundärwicklungen sind derart geschaltet, daß die Grundfrequenz unterdrückt
wird und daher an den Sekundärklemmen eine Steuerspannung mit der Frequenz der zweiten
Oberwelle auftritt, deren Phase und Amplitude von dem magnetischen Feld abhängig
sind. Da die Phase der Steuerspannung bei Passage der Stellung, die der Abweichung
Null entspricht, um 1800 wechselt, wird zur Erzeugung einer mit der Amplitude der
Steuerspannung variierenden Gleichspannung, die das Vorzeichen wechselt, wenn die
Steuerspannung die Phase wechselt, ein Frequenzverdoppler zur Erzeugung einer Hilfsspannung
mit der zweiten Oberwellenfrequenz erforderlich.
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Bei derartigen Feldsonden wird Eindeutigkeit zwischen erzeugtem Signal
und Feldrichtung erzielt.
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Dies ist erforderlich, wenn eine Fernanzeige der Kompaßstellung erzielt
werden soll.
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Stellungsabgriffe mit derartigen Feldsonden sind abhängig von Rollbewegungen
eines Schiffes, in dem der Kompaß montiert ist. Dies kommt daher, daß auf Grund
der Trägheit der Kompaßflüssigkeit und einer nicht idealen Aufhängung die Kompaßrose
durch die Schiffsrollbewegung beeinflußt wird und daß die Bewegung der Kompaßrose
Schwankungen der erzeugten Steuerspannung zur Folge haben. Dies ist von Nachteil,
wenn die Steuerspannung für eine automatische Steuerungsanlage verwendet wird.
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Ziel der Erfindung ist ein Stellungsabgriff, der für die Anwendung
in einer Steuerungsautomatik für
Schiffe geeignet ist, bei der das elektrische Steuersignal
in hohem Grad unabhängig von Rollbewegungen des Schiffes ist und dessen Herstellung
und Verwendung darüber hinaus sehr einfach ist.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von parallelen,
symmetrisch zur Rotationsachse des Kompaßmagneten angeordneten Induktorspulen vorgesehen
sind, die derart zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, daß in einem
Brückenzweig je eine Spule jedes Paares liegt, und daß die Wicklungsrichtung der
Spulen so gewählt sind, daß das Ausgangssignal der Brücken-Schaltung dieselbe Frequenz
hat wie das Eingangssignal.
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Als Folge der Einführung von Spulen in den Brückenschaltkreis und
deren symmetrischer Anordnung in bezug auf die Rotationsachse des Kompaßmagneten
ist das erzeugte Steuersignal praktisch unabhängig von Seitenneigungen des Kompaßmagneten.
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Außerdem ist die Anordnung außerordentlich einfach, unter anderem
deshalb, weil nicht wie bei den bekannten Stellungsabgriffen ein Frequenzverdoppler
erforderlich wird.
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Bei der Abweichung Null ist die Brücke in Gleichgewicht, und die
Amplitude des Ausgangssignals ist deshalb ebenfalls Null. Das gleiche gilt bei 90,
180 und 2700. Es besteht deshalb - im Gegensatz zu den obengenannten bekannten Stellungsabgriffen
mit Magnetfeldsonden - keine eindeutige Abhängigkeit
zwischen der
Abweichung und dem Ausgangssignal.
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Dies ist jedoch kein Nachteil, wenn der Stellungsabgriff in einer
Steuerungsautomatik angewendet werden soll, weil er hier nur einen kleinen Winkelabweichbereich
um 0° herum verarbeiten soll. Die vorliegende Erfindung baut gerade teilweise auf
der Erkenntnis auf, daß eine eindeutige Abhängigkeit bei Steuerungsautomatik nicht
erforderlich ist.
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Es sei erwähnt, daß eine Magnetfeldsonde mit vier Spulen bekannt
ist, die in einer Brückenschaltung eingeschaltet sind, die mit einer Wechselspannung
mit der Frequenz f gespeist wird. Wie bei den obengenannten bekannten Sonden ist
auch in diesem Fall die Ausgangsspannung die zweite Oberwelle mit der Frequenz 2
f.
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Die Anwendung dieser bekannten Magnetfeldsonde in einer Steuerungsautomatik
würde also ebenfalls einen Frequenzverdoppler erfordern.
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Um eine geeignete Charakteristik zu erhalten, können die Achsrichtungen
der beiden Spulenpaare aufeinander senkrecht stehen.
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Da die Einrichtungen, denen die Steuerspannung zugeführt werden soll,
im allgemeinen am zweckmäßigsten mit einer sinusförmigen Spannung gespeist werden,
kann in Ausgestaltung der Erfindung über den Brückenausgang ein Kondensator geschaltet
sein, der so bemessen ist, daß das Steuersignal annähernd sinusförmig wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Zusammenhang mit der Zeichnung
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch und in perspektivischer Ansicht
die zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Teile eines Magnetkompasses.
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Der Kompaßmagnet 1 ist hier als Ringmagnet dargestellt und in herkömmlicher
Weise an einem Punkt 19 aufgehängt. Das äußere Feld eines derartigen Ringmagneten
kann in einem bestimmten Abstand vom Magneten dem Feld eines Stabmagneten mit der
Achse N-S gleichgesetzt werden. Vier gleichartige Spulen 2, 3, 4 und 5 mit Kernen
6, 7, 8 und 9 aus einem ferromagnetischen Material mit schmaler rechteckförmiger
Hysteresisschleife sind auf einer Tragplatte angeordnet (nicht dargestellt), die
direkt unter dem Flüssigkeitsbehälter (ebenfalls nicht dargestellt) des Kompasses
angeordnet ist.
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Die Spulen 2, 3, 4 und 5 sind in einem Brückenschaltkreis zusammengeschaltet,
der von einer Wechselspannungsquelle 10 über Leitungen 11 und Speiseklemmen 12 und
13 eingespeist wird. Das erzeugte Steuersignal wird von Signal-Ausgangsklemmen 14
und 15 abgeleitet und über Leitungen 16 einer Steuerungsanlage 17, beispielsweise
eines Schiffes, zugeführt.
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Die Spulenachsen liegen in einer Ebene, die rechtwinklig zur Symmetrieachse
18 der Spulen 2, 3, 4 und 5 steht. Diese Achse ist auch die Achse der Kompaßrose
und folglich, wenn keine Seitenneigung auftritt, auch die des Kompaßmagneten 1.
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Die Klemmen 12, 13, 14 und 15 sind in den Ecken des durch die Spulenachsen
gebildeten Quadrates dargestellt. Dies braucht jedoch in der Praxis nicht erforderlich
zu sein.
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Die Spulenachsen sind so ausgerichtet, daß eine Diagonale des Quadrates,
in der Zeichnung die Diagonale 12-13, die gleiche Richtung wie die N-S-Richtung
des Kompaßmagneten hat, wenn das Schiff, auf dem der Kompaß montiert ist, seinen
richtigen, am Kompaß eingestellten Kurs verfolgt.
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Die Anzahl der Amperewindungen der Spulen und die Lagen der Spulenachsen
in bezug auf den Kompaßmagneten sind so gewählt, daß der Maxitalwert der in den
Spulenkernen durch die Spulen wie auch durch den Kompaßmagneten erzeugten Feldlinien
diese Kerne sättigen kann. Durch Sättigung der Kerne mittels des Spulenwechselfeldes
werden Hysteresisfehler vermieden.
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Ist das Schiff auf seinem richtigen Kurs, wobei der Kompaß in Ruhe
und die Brückendiagonale 12-13 wie vorerwähnt ausgerichtet ist, so werden die Kerne
6, 7, 8 und 9 durch den Kompaßmagneten gleichmäßig magnetisiert. Sie haben daher
für die Speisewechselspannung die gleiche Impedanz, und die Brücke ist im Gleichgewicht.
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Weicht das Schiff vom eingestellten Kurs um einen Winkel V ab, so
weicht die Diagonale 12-13, die der Schiffsdrehung folgt, gleicherweise aus der
Feldrichtung des Kompaßmagneten um einen Winkel V ab. Die Spulenkerne sind nun nicht
länger gleichmäßig durch das Feld des Kompaßmagneten magnetisiert, weshalb ein Steuersignal
mit der Frequenz der Speisewechselspannung an den Klemmen 14 und 15 auftritt.
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Ist V = 450, so sind die Kerne 7 und 8 durch das Feld des Kompaßmagneten
vollständig gesättigt, während die Kerne 6 und 9 in Längsrichtung durch dieses Feld
nicht magnetisiert werden. Dies bedeutet, daß während einer Halbperiode des Stromes
durch die Spulen 3 und 4, die den Kernen 7 und 8 zugeordnet sind, nur eine Spannung,
die ihrem ohmschen Widerstand entspricht, auftritt, während die Spulen 2 und 5,
die den Kernen 6 und 9 zugeordnet sind, in beiden Halbperioden zusätzlich zu ihrem
ohmschen Widerstand eine beträchtliche Selbstinduktion aufweisen, die zusammen mit
dem ohmschen Widerstand eine beträchtliche Impedanz ergibt. Das Potential an der
Klemme 14 wird daher in jeder zweiten Halbperiode das Potential der Klemme 13 annehmen,
und das Potential der Klemme 15 wird in jeder zweiten Halbperiode das der Klemme
12 annehmen, so daß an den Klemmen 14 und 15 eine beträchtliche Steuerspannung auftritt.
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Die Phase der Steuerspannung wechselt, wenn V durch Oo hindurchläuft,
und die Amplitude ändert sich nahezu linear mit dem Drehwinkel. Bei +450 hat die
Amplitude der Steuerspannung ihr Maximum.
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Bei 90, 180 und 2700 ist die Brücke wieder im Gleichgewicht. Folglich
besteht keine eindeutige Abhängigkeit zwischen Drehwinkel und Steuersignal, jedoch
ist dies - wie schon erwähnt - kein Nachteil, wenn der Kompaß in einer Steuerungsautomatik
verwendet wird, in der normalerweise nur ein kleiner Winkelbereich um 0° verarbeitet
wird.
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Im vorstehenden wurde angenommen, daß das Schiff bei ruhigem Wetter
fährt, so daß die Symmetrieachse 18 gleichzeitig die der Brücke 12, 13, 14, 15 und
des Magneten 1 war. Bei rauhem Wetter wird der Magnet jedoch als Folge der Trägheit
der Kompaßflüssigkeit und einer nicht idealen Aufhängung kleine Seitenneigungsschwingungen
um den Aufhängungspunkt 19 vollführen.
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Die so hervorgerufenen Anderungen des magnetischen Feldes an den
Spulen können aus einer Anderung des Feldgradienten in der Richtung 14, 15 und einer
Änderung des Feldgradienten in Richtung 12-13 zusammengesetzt sein. Eine Änderung
in der erstgenannten Richtung hat keine Potentialverschiéz
bung
an den Klemmen 14 und 15 zur Folge. Eine Anderung in der letztgenannten Richtung
wird zwar eine Verschiebung des Potentials an den Klemmen 14 und 15 zur Folge haben,
jedoch betrifft dies nur eine Verschiebung in gleicher Richtung und gleicher Größe.
Folglich kann bei Seitenneigung kein Fehler-Steuersignal auftreten.
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Spricht die nachgeschaltete Einrichtung, der das Steuersignal zugeführt
wird, auf die zweite Oberwelle der Speisewechselspannung an, so sind Maßnahmen erforderlich,
um das Auftreten derartiger Spannungen im Gleichgewichtszustand, der dem Winkel
0° entspricht, zu verhüten. Dies ist jedoch nur eine Frage des Wicklungssinnes der
Spulen, der so gewählt sein muß, daß die Punkte 14 und 15 gegenseitig die gleiche
Spannung haben. Beispielsweise können die Spulen 2 und 4 den gleichen gegenseitigen
Wicklungssinn in bezug auf den Speisewechselstrom und die Spulen 3 und 5 in gleicher
Weise gegenseitig den gleichen Wicklungssinn haben. oder die Spulen 2 und 3 können
gegenseitig den gleichen Wicklungssinn und die Spulen 4 und 5 in gleicher Weise
gegenseitig den gleichen Wicklungssinn haben. Im ersten Fall liegen die Potentiale
an den Klemmen 14 und 15 dauernd auf halbem Weg zwischen den Potentialen der Klemmen
12 und 13.
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Im anderen Fall schwanken die Potentiale an den Klemmen 14 und 15,
sind jedoch immer entgegengesetzt gleich. Die gleiche Oberwellenfreiheit (von der
zweiten Oberwelle) kann natürlich erzielt werden, wenn alle vier Spulen den gleichen
Wicklungssinn in bezug auf den Speisewechselstrom haben.
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Werden die vorstehend beschriebenen Maßnahmen angewandt, so treten
sehr starke zweite Oberwellen bei Winkelstellungen von 90 und von 2700 auf.
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Die Speisespannungsklemmen 12 und 13 und die Signal-Ausgangsklemmen
14 und 15 können vertauscht werden. Auch in diesem Fall kann eine Freiheit von der
zweiten Oberwelle für den Gleichgewichtszustand, der der Winkelstellung 0° entspricht,
durch geeignete Wahl der gegenseitigen Wicklungsrichtungen der Spulen erzielt werden.
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Bei der dargestellten Ausführung ist zwischen die Leitungen 16 ein
Kondensator 20 geschaltet, dessen Kapazität so bemessen ist, daß das dem Kreis 17
zugeführte Signal im wesentlichen sinusförmig ist.
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Um den Schiffskurs am Kompaß einzustellen, sind die vier Spulen im
allgemeinen auf einem Träger zusammengefaßt, der um die Rotationsachse des Kompaßmagneten
drehbar ist. Diese Einheit ist mit einem Stellglied verbunden, über das sie von
außen von Hand verstellbar ist. Ferner ist die Einheit mit einer Skala gekoppelt,
an der der eingestellte Kurs abgelesen werden kann.
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Da es nachteilig ist, daß im Fall einer Kursänderung das Stellglied
entgegengesetzt zur gewünschten Drehrichtung des Schiffes gedreht werden muß, beispielsweise
nach links, wenn das Schiff rechts drehen soll, was beim Manövrieren als unbequem
empfunden wird und bei kritischen Situationen zu Unfällen führen kann, kann das
Stellglied mit der Einheit
über einen Mechanismus gekoppelt werden, der die Drehrichtung
umkehrt. Hierzu kann beispielsweise ein Getriebe verwendet werden.
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Eine besonders einfache Konstruktion kann erzielt werden, wenn die
Einheit drehbar in einem Gehäuse angebracht ist, das mit dem Kompaßkessel oberhalb
des Kompaßdeckglases fest verbunden werden kann.
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In diesem Fall sind die Spulen, im Gegensatz zu den vorstehenden Erläuterungen,
oberhalb des Kompaßmagneten angeordnet, woraus sich jedoch keine Änderung der Arbeitsweise
ergibt.