DE1956001A1 - Magnetfeldabhaengige Vorrichtung und Kompasssystem,das eine derartige Vorrichtung verwendet - Google Patents

Description

• MAG NETFELDABHÄNGI GE VORRICHTUNG UND KOMPASSYSTEM, DAS El NE DERARTIGE VORRICHTUNG VERWENDET Die Erfindung betrifft eineVorrichtung zum Feststellen der Größe und Richtung eines Magnetfeldes unter Verwendung von Feldplattensonden, sowie ein Kompaßsystem, das eine derartige Vorrichtung verwendet.
• Das Prinzip der Feldplattensonde und die Messung eines Magnetfeldes damit sind in der Zeitschrift "Solid State Electronics", Pergamon Press, 1965, Band 8, Seiten 365 bis 373, beschrieben. Dort ist angegeben, daß man mit magnetfeldabhängigen Widerständen aus Indiumantimonid, Feldplatten genannt, eine Sonde aufbauen kann, die Größe und Polarität eines zu messenden Magnetfeldes angibt.
• Die in je einen Zweig einer Gleichstrombrücke geschalteten Feldplatten werden über in Reihe geschaltete Erregerspulen mit einem Wechselsfromsignal erregt. Dem hierbei erzeugten Magnetfeld überlagert sich das zu messende Magnetfeld, das eine Spannung erzeugt, dessen Größe und Polarität an einem über die Brücke geschalteten Meßgerät abgelesen werden kann; die Wirkung des Erregerfeldes auf die Feldplatten hebt sich auf.
• Mit einer derartigen Sonde läßt sich zwar die Größe und Polarität, nicht jedoch die genaue Richtung des Magnetfeldes feststellen. Außerdem erfolgt überhaupt keine Anzeige, wenn das Magnetfeld senkrecht zur Sonde verläuft.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung aus derartigen Feldplattensonden aufzubauen, die auch die Richtung des Magnetfeldes und zwar möglichst genau und unabhängig von der zufälligen Stellung der Vorrichtung zum Magnetfeld angibt.
• Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, daß mehrere Feldplattensonden in Form eines Synchros oder Resolvers angeordnet und geschaltet werden.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung läßt sich diese Vorrichtung vorteilhaft.
• in einem Kompaßsystem verwenden, bei dem die Ausgangssignale dieses Sendersynchros oder -resolvers einem an sich bekannten Empfängersynchro oder -resolver zugeführt werden; die Winkelstellung des Rotors dieses Empfängersynchros oder -resolvers gibt dann genau an, um welchen Wert eine Kursrichtung von der Nord/Südrichtung oder einer anderen vorgegebenen Richtung abweicht.
• Von besonderem Vorteil ist es, daß der Sendesynchro oder -resolver räumlich getrennt von dem Empfängersynchro oder -resolver angeordnet sein kann und daß mehrere Empfänger mit entsprechenden Anzeigen an verschiedenen Stellen vorgesehen sein können.
• Gemäß einer besonders bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Sendersynchro oder -resolver vom Empfangsort aus gegenüber etwa auf ihn einwirkende Störfelder kompensiert werden.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in an sich bekannter Weise kardanisch aufgehängt; um ein Pendeln, Ausschlagen oder Vibrieren beim Beschleunigen oder Verzögern bzw. Richtungsändern des mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitenden Flug- oder Fahrzeugs zu vermeiden, ist jede Bewegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Trägheit behaftet.
• Aus der deutschen Patentschrift 845 400 sind zwar induktive Geber in Kompaßsystemen bekannt. Diese Geber bestehen jedoch aus sternförmig angeordneten Schenkeln aus magnetischem Material. Diese Geber sind verhälnismäßig unempfindlich und müssen mit einer hohen Frequenz, beispielsweise 15 kHz, betrieben werden. Bei der Verwendung in einem Kompaßsystem ergibt sich der besondere Nachteil, daß die Ausgangssignale die doppelte Frequenz der Eingangsspannung besitzen, so daß für den Empfänger synchro ein Frequenzverdoppler vorgesehen werden muß. Derartige Schaltungsmaßnahmen beeinflussen jedoch die absolut notwendige Phasenstarrheit für Sender und Empfänger.
• In dem in der genannten deutschen Patentschrift 845 400 beschriebenen Kompaßsystem dienen die induktiven Geber nur zur Stützung des Kreiselkompasses. Es wurde nicht erkannt, daß in einfachster Weise der Rotor des Empfängersynchros oder -resolvers als Anzeige der Winkellage verwendet werden -kann.
• Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind aus der nachstehenden, anhand der Zeichnungen erfolgenden Beschreibung ersichtlich. Es zeigen Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit teilweise geöffnetem Gehäuse, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Grundplatte der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit angebrachten Feldplattensonden, Fig. 3 ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Feldplattensonde längs der Linie III-III in Fig. 4a bzw. Fig. 4b in Pfeilrichtung gesehen, Fig. 4a und 4b Querschnitte durch die Feldplattensonde längs der Linie IV-IV jeweils in Pfeilrichtung gesehen, Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf eine Anzeigevorrichtung, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Kompaßsystem Verwendung finden kann, Fig. 6 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kompaßsystems, und Fig. 7 ein grundiegendes Schaltschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Die Fig. 1 und 2 zeigen den mechanischen Aufbau der magnetfeldabhängigen Vorrichtung des Ausführungsbeispiels. Auf einer Grundplatte 22 sind mittels Bügeln 14 drei Feldplattensonden 24 befestigt. Die Längsachsen der Feldplattensonden schneiden einander jeweils unter einem Winkel von 1200, so daß sich eine dreieckförmige Anordnung gemäß Fig. 2 ergibt. Da sich durch diese Anordnung, wie nachstehend beschrieben, eine ähnliche Funktion ergibt wie bei dem bekannten Synchro, soll diese Anordnung als Sendersynchro bezeichnet werden. Für einen Resolver wären nur zwei Sonden erforderlich, deren Längsachsen sich unter einem Winkel von 90° schneiden.
• An sich könnten auch mehr als drei Feldplattensonden verwendet werden; im Ausführungsbeispiel wird jedoch nur die Synchronanordnung beschrieben.
• Die Grundplatte 22 ist über Arme 21, einen Ring 20 und zwei weitere Arme 19 kardanisch aufgehängt, so daß die Anordnung sich um einen größeren Winkel, beispielsweise 300, schwenken kann. Die Arme 19 sind an einer Trägerplatte 18 befestigt, die sich unter dem Gehäuseteil 17 befindet.
• Erfindungsgemäß ist unter diesem auch in mehreren Stockwerken die Elektronik 16 angeordnet, wie dies schematisch in Fig. 1 angedeutet ist. Die Grundplatte 22 mit ihren Feldplattensonden 24 befindet sich in einem unteren Gehäuseteil 17a, das mit einer Flüssigkeit höherer Viskosität, z.B. Silikonöl, gefüllt ist. Eine Kalotte 23 ist mit der Grundplatte 22 über Bolzen 15 befestigt. Die Kalotte 23 bildet mit dem ebenfalls entsprechend gekrümmt ausgebildeten Gehäuseteil 17a einen engen Kanal 13.
• Die gesamte Einheit ist somit durch die Gehäuseteile 17 und 17a dicht verschlossen und kann mittels der Platte 18 in einem Luft-, See- oder Landfahrzeug befestigt sein.
• Da die Einheit gemäß Fig. 1 zur Messung der Richtung der horizontalen Komponente des Erdmagnetfeldes verwendet werden soll, werden etwaige Schräglagen eines Fahrzeugs durch die kardanische Aufhängung ausgeglichen. Die Flüssigkeit in dem unteren Gehäuseteil 17a sorgt dafür, daß jede Bewegung der Anordnung mit Trägheit behaftet ist, so daß gemäß der Erfindung ein Pendeln oder Vibrieren bei Beschleunigung oder Verzögerung der Bewegung des Fahrzeugs vermieden wird. Unterstützt wird diese Wirkung durch den engen Kanal 13, durch den die Flüssigkeit beim Einnehmen einer Schräglage fließen muß.
• Aus der deutschen Patentschrift 841 221 ist zwar eine kardanische Aufhängung für einen induktiven Magnetfeldgeber bekannt, doch wird bei dieser Vorrichtung eine unerwunschte Bewegung nicht verhindert, sondern etwa erzeugte Störsignale durch komplizierte elektrische Einrichtungen unterdrückt.
• Zur Anwendung bei der Erfindung wird die an sich bekannte Feldplattensonde gemäß der Erfindung so ausgestaltet, wie dies im einzelnen aus den Fig. 3, 4a und 4b zu entnehmen ist.
• Eine magnetische Antenne besteht aus zwei magnetisch leitenden Stiften 25, 29, aus einem Werkstoff mit möglichst geringer Remanenz. Die beiden Teile 25 und 29 werden durch ein KunststoffstUck 33 oder ein anderes Teil aus nichtmagnetischem Material, z.B. Stahl mit der Bezeichnung Vacromium Coo, so gehalten, daß ihre Längsachse fluchtet. In das Kunststoffstuck 33 sind beispielsweise auf der Seite des Teiles 25 Herausführungen 30a, 30b, 30c (oben) und 31a, 31b, 31c (unten) angeordnet, die der Zu- bzw. AbFührung von elektrischen Signalen dienen. Am Teil 29 der magnetischen Antenne sind zwei Kerne 27 ausgebildet, auf die zwei Spulen 27a gesteckt sind. Gegenüber den Kernen 27 ist auf dem anderen Teil 25 je eine auf einem kleinen Träger 28a aus magnetischem Material, z.B. Ferrit oder vorzugsweise Eisen (Permenorm 5000 H 2) befestigte Feldplatte 28 angeordnet. Während die Enden der Spulen 27a mit den unteren Hernusfuhrungen 31a, 31b und 31c verbunden sind, werden die Feldplatten an die oberen Herausführungen 30a, 30b und 30c angeschlossen (vgl. auch Fig. 7). Der Raum, in dem sich die Teile 29 und 25 gegenuberstehen, ist durch ein nichtmagnetisches Gehäuse 32 abgeschlossen.
• Auf einem der Teile 25 oder 29, im Ausführungsbeispiel auf dem Teil 29, befindet sich eine weitere Spule 26, die dem Fernabgleich dient. Mit ihr können gemäß der Erfindung etwa am Anbringungsort der Einheit vorhandene Störfelder kompensiert werden.
• Es sei erwähnt, daß die Herausführungen 30a, 30b, 30c und 31a, 31b, 31c und zwar entweder beide Gruppen oder nur eine, auch auf der Seite des Teiles 29 in das KunststoffstUck 33 eingebettet sein könnten, wobei die Anordnung der Spule 26 zu berücksichtigen ist. Wird ferner die erfindungsgemäße Vorrichtung nur in horizontaler Lage verwendet, etwa in tragbaren Meßgeräten oder dgl., dann kann die kardaniche Aufhängung der Fig. 1 selbstverständlich wegfallen. Auch kann die Elektronik getrennt von der Anordnung der Fig. 2 untergebracht sein, doch ergibt sich bei der Anordnung gemäß Fig. 1 eine besonders kompakte Einheit. Die Ausbildung der Feldplattensonden 24 muß nicht notwendigerweise diejenige der Fig. 3 sein; sie kann entsprechend abgewandelt werden, wenn auch die Schaltung, die nachstehend noch beschrieben wird, angepaßt wird.
• Es sei weiterhin bemerkt, daß im Prinzip anstelle der Anordnung der Feldplattensonden in Form eines gleichseitigen Dreiecks auch eine sternförmige Anordnung sowie eine Anordnung unter unregelmäßigen Winkeln möglich wäre. Eine regelmäßige Anordnung ist jedoch wegen der Anpassung an im Handel erhältliche Empfänger synchros vorzuziehen.
• Es wird nun auf die Fig. 6 und 7 Bezug genommen, die die elektrischen Verbindungen schematisch bzw. im einzelnen zeigen. Ein Netzteil 39 liefert die erforderlichen Spannungen. Als Wechselspannungsfrequenz wid nur eine einzige verhältnismäßig niedrige Frequenz von beispielsweise 400 Hz verwendet. Diese wird an die Punkte 3 und 4 des Verteilers 38 an die in Reihe geschalteten Spulen 27a sämtlicher Feldplattensonden gelegt. Hierdurch wird in den Sonden ein geschlossenes magnetisches Wechselfeld erzeugt, dem sich das zu messende Feld überlagert. Die beiden Feldplatten jeder Sonde sind in Reihe an eine Gleichspannung von beispielsweise -3,5V geschaltet, die für alle Sonden über den Punkt 7 zugeführt wird. Das andere Ende der Reihenschaltung liegt jeweils an Masse (Punkt 12 und 8 des Verteilers 38). Am Mittelpunkt zwischen den beiden Feldplatten jeder Sonde wird das Ausgangssignal abgegriffen, das auf den Leitungen 2, 6 und 10 erscheint. Der Fernabgleich der Sonden über die Spulen 26 erfolgt mittels Gleichstrom, der von den Potentiometern 40 abgegriffen und über die Leitungen 1, 5, 9 den jeweiligen Spulen 26 zugeführt wird.
• Im unteren Teil der Fig. 7 sind der Deutlichkeit halber die einzelnen Kreise nochmals herausgezeichnet.
• Die Linie 37 in Fig. 6 repräsentiert schematisch die Zuleitungen 3, 4, 7, 8 und 12 zu dem Verteiler 38.
• Gemäß der Erfindung werden die Potentiometer 40 nach Einbau des Sendersynchros in das gewünschte Fahrzeug so abgeglichen, daß eventuelle Störspannungen, die durch vorbeiführende elektrische Leitungen erzeugt, oder andere magnetische Störfelder kompensiert werden.
• Im Betrieb der Anordnung entsteht nun je nach Stellung in jeder Feldplattensonde ein Wechselspannungssignal mit der Frequenz 400 Hz, dessen einzelne Größen von der jeweiligen Richtung des Magnetfeldes und von dessen Stärke abhängen. Diese Signale auf den Leitungen 2, 6 und 10 können nun zur Anzeige der Größe des Feldes und der Richtung verwendet werden. Da bei einem Kompaßsystem lediglich die Richtung festgestellt werden soll, werden die Signale in getrennte, an sich bekannte Verstärker 41 geleitet und dort auf Normspannungen gebracht, die für die im Handel erhältlichen Synchros anwendbar sind.
• Die Ausgänge der Verstärker 41 sind über Leitungen 61, 62 und 63 mit den Statorwicklungen des Empfängersynchros verbunden, wobei die Leitungen 61, 62 und 63 auch irgendein Fernübertragungsweg sein können. Gemäß der Erfindung lassen sich auch durch entsprechende Abzweigung in den Leitungen 61, 62 und 63 mehrere an verschiedenen Orten aufgestellte Empfängersynchros 42 betätigen.
• Durch die in den Statorwicklungen des Empfängersynchros 42 auf Grund der Ausgangssignale der Verstärker 41 erzeugten Spannungen wird in der Rotorwicklung 43 des Empfängersynchros eine Spannung erzeugt, die über ein an sich bekanntes Nachlauf system die Welle des Rotors 43 so lange dreht, bis die Spannung in der Wicklung 43 zu Null wird.
• Im einzelnen wird die Spannung in der Rotorwicklung 43 an einen Nachlaufversturker 44 gelegt, der die Steuerwicklung 45 eines phasenempfindlichen Induktionsmotors speist. Wesentlich ist, daß an der Erregerwicklung 46 dieses Motors phasenstarr (oder um 1800 phasenverschoben) die Erregerspannung des Senders mit gleicher Frequenz, nämlich im Beispiel 400 Hz, liegt. Je nach Phasenlage der in der Rotorwicklung 43 erzeugten und im Verstärker 44 verstärkten Spannung, die einer Uhrzeiger - oder Gegenuhrzeigerdrehung des Sendersynchros entspricht, dreht sich die Welle des Motors M ebenfalls in Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigerrichtung.
• Die Motorwelle ist je nach geforderter Genauigkeit der Anzeige direkt oder Uber ein Gebtriebe mit der Rotorwelle des Empfängersynchros gekuppelt. Solange also eine Spannung in der Rotorwicklung 43 entsteht, dreht sich der Motor M und damit auch die Rotorwelle, und zwar so lange, bis die induzierte Spannung zu -Null wird.
• In dieser Stellung besitzt die Rotorwelle des Empfängersynchros die gleiche Lage wie der Sendersynchro.
• Am Induktionsmotor M ist vorzugsweise ein Tachogenerator T mit einer Erregerwicklung 47 angeflanscht, der in der Wicklung 48 ein Signal erzeugt, das zur Dämpfung der Drehung des Motors M dient, so daß die Rotorwelle zügig aber ohne Uberschwingen in die gewünschte Position gebracht wird.
• Die Rotorwelle des Empfängersynchros, in Fig. 5 mit 50 bezeichnet, kann mit einer beispielsweise mit einer Gradteilung versehenen Scheibe fest verbunden sein. Die Scheibe läuft hinter einer ortsfesten Abdeckung 53 mit einem Fenster 51 und einer markierten Position 52. Die unter der Markierung stehende Gradzahl gibt dann die Stellung des Sendersynchros im Erdmagnetfeld an. Hierdurch wird gleichzeitig die Richtung angegeben, in der sich das Fahrzeug bewegt, indem die erfindungsgemäße Anordnung des Sendersynchros vorgesehen ist.
• Es sei bemerkt, daß anstelle der mit einer Gradteilung versehenen Scheibe auch ein Zeiger verwendet werden kann, der über eine Teilung streicht. Andererseits ist auch eine digitale Anzeige möglich, die von der Bewegung des Empfängersynchros abgegriffen wird, wie dies beispielsweise in der deutschten Patentanmeldung P 19 23 972.6 der Anmelderin beschrieben ist.

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Feststellen der Größe und/oder Richtung eines Magnetfeldes unter Verwendung von Vorrichtungen, die abhängig vom Magnetfeld elektrische Signale abgeben, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen (24) unter einem bestimmten Winkel zueinander in einer Ebene vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen an sich bekannte Feldplattensonden (24) sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (24) unter jeweils gleichem Winkel zueinander angeordnet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Vorrichtungen (24) vorgesehen sind, deren Längsachsen sich unter einem Winkel von jeweils 1200 schneiden.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (24) ein gleichseitiges Dreieck bilden.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (24) auf einer gemeinsamen Grundplatte (22) befestigt sind, die kardanisch (19, 20, 21.) aufgehängt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (22) mit den Vorrichtungen (24) in einem mit hoch~viskoser Flüssigkeit (z.B. Silikonöl) gefüllten Gehäuse (7a) untergebracht ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse vorzugsweise kugelförmig gekrümmt ist und daß an der Grundplatte (22) eine Kalotte (23) befestigt ist, die mit dem Gehäuse (17a) einen engen großflächigen Kanal bildet.

9. Anordnung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unter einem weiteren Gehäuseteil (17) gegebenenfalls stockwerksweise die notwendigen elektrischen Bauteile auf Schaltungsplatten angeordnet sind und die durch die beiden Gehäuseteile (17 und 17a) umfaßten Vorrichtungen eine Einheit bilden.

10. Kompaßsystem unter Verwendung einer Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zur Anzeige der Richtung der horizontalen Komponente des Erdmagnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Vorrichtungen (24) einem an sich bekannten Empfängersynchro oder -resolver (42, 43) zugeführt werden, der mit einem Nachlaufsystem zusammenarbeitet.

11. Kompaßsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle des Empfängersynchros oder -resolvers mit einer Analoganzeigevorrichtung (51, 52) verbunden ist.

12. Kompaßsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß von der Bewegung der Rotorwelle des Empfängersynchros oder -resolvers (42, 43) eine digitale Anzeige des Winkelwertes abgeleitet wird.

13. Kompoßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfängersynchro oder -resolver (42, 43) räumlich getrennt von der mit den magnetfeldabhängigen Vorrichtungen ausgestatteten Anordnung (Sendersynchro) angeordnet ist.

14. Kompaßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Empfängersynchros (42) gegebenenfalls räumlich getrennt voneinander angeordnet sind, die von einem einzigen Sendersynchro aus gesteuert werden.

15. Kompaßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß vom Empfangsort aus der Sendersynchro gegenüber etwa auf ihn einwirkende magnetische Störfelder abgeglichen werden kann.

16. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß jede magnetfeldabhungige Vorrichtung mit einer Wicklung (26) versehen ist, deren Strom durch Fernabgleich nach Größe und Richtung veränderbar ist.