DE2040552A1 - Magnetischer Feldrichtungsanzeiger - Google Patents

Description

β. WainhaUSIfl München, den

München gfl P 288

Wldenmayerctr··· 4f Tel. 2951 35

PYE LIMITED in Cambridge, Großbritannien

Magnetischer Feldrichtungsanzeiger

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Feldrichtungsanzeiger, der gekennzeichnet ist durch zwei nach zueinander senkrechten Achsen angeordnete magnetische Feldstärkemesser, eine Auswertung svorrichtung, die von den Ausgängen der beiden Feldstärkemesser ein von der Feldrichtung abhängiges Wechselstromsignal ableitet, und einen Phasenkomparator, der den Phasenwinkel zwischen dem abgeleiteten Wechselstromsignal und einem Bezugssignal derselben Frequenz als Maß der Feldrichtung hinsichtlich einer der beiden Achsen bestimmt.

Als Wechselstromsignal wird hierbei jedes elektrische Signal angesehen, das eine periodisch veränderliche Amplitude aufweist.

Die Feldstftrkemesser können Hall-Generatoren oder andere • magnetische Generatoren wie Magnetflußmesser sein. Im Fall von Hall-Generatoren wird vorzugsweise einerseits längs der

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Stromachse jedes Hall-Generators ein Trägerfrequenzsignal angelegt und andererseits jedem Hall-Generator ein rotierendes Magnetfeld derart aufgeprägt, daß beim Betrieb des Feldrichtungsanzeigers in Abwesenheit ander er Magnetfelder an den Ausgängen der Hall-Generatoren die mit der Umlauffrequenz des Magnetfeldes modulierte Trägerfrequenzamplitude auftritt, wobe^. eine Phasenverschiebung von 90° in der Amplitudenmodulation zwischen den Ausgangssignalen existiert.

Zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes kann ein Zweiphasen-Oszillator verwendet werden, dessen beide um 90° gegeneinander verschobene Ausgangsphasen elektromagnetischen Wandlern zugeführt werden.

Vorzugsweise wird der beschriebene magnetische Feldrichtungsanzeiger als magnetischer Kompaß verwendet.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Figuren 1 und 2 beschrieben.

Der in Fig. 1 dargestellte magnetische Feldrichtungsanzeiger enthält zwei magnetische Feldstärkemesser 10 und 12, die identische Hall-Generatoren 14 und 16 enthalten. Ein Hall-Generator hat bekanntlich drei zueinander senkrechte Achsen, nämlich eine Magnetachse, eine Stromachse und eine Spannungsachse. Wenn ein Magnetfeld längs der Magnetachse und ein Strom lings der Stromachse angelegt werden, wird in der Span-

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nungsachse eine elektromotorische Kraft erzeugt. Die Hall-Generatoren 14 und 16 sind mit ihren Magnetachsen zueinander senkrecht angeordnet und es sind gleichartige^elektromagnetische Wandler 18 und 20 vorgesehen _r um die Hall-Genera torerjmit einem rotierenden Magnetfeld zu beaufschlagen. Die Wandler 18 und'20 bestehen aus Drahtschleifen, die jeweils einen Hall-Generator 14, 16 umschließen. Jeder elektromagnetische Wandler 18, 20 empfängt eine Phase der Ausgangsspannung eines Zweiphasen-Oszillators 22, dessen Eigenfrequenz zwischen 28 und 30 kHz liegt. Der Wandler 18 ist über die Leitung 24 und der Wandler 20 über die Leitung 26 mit dem Oszillator verbunden. Die beiden Ausgangsphasen sind um 90° gegeneinander verschoben.

Ein Trägerfrequenzgenerator 28 erzeugt ein Trägerfrequenzsignal mit einer Frequenz von 1 MHz, das längs den Stromachsen der beiden Hall-Generatoren 14 und 16 angelegt wird.

Wenn also die Oszillatoren 22 und 28 in Betrieb sind, werden entsprechende Spannungen längs der Spannungsachsen der Hall-Generatoren 14 und 16 entwickelt. Diese werden mittels der Spannungsschleifen 31, 32 aufgenommen und über Verstärker 33, 34 <3en Ausgangsleitungen 35, 36 zugeführt.

Für die Zwecke der Erläuterung sei zunächst angenommen, daß die Hall-Generatoren 14 und 16 gegen alle magnetische Felder außer denjenigen der Wandler 18 und 20 abgeschirmt sind. In

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diesem Falle bewirkt die gegenseitige Anordnung der Hall-Generatoren 14 und 16 und der Wandler 18, 20, daß in jedem Augenblick, in dem die Richtung des rotierenden Feldes einen Winkel 0 mit der Magnetachse des Hall-Generators 14 bildet, dieser Generator eine Ausgangsspannung auf der Leitung 35 erzeugt, die gleich der Amplitude des Trägerfrequenzsignals, moduliert proportional zur Maximal-Amplitude des rotierenden Feldes, multipliziert mit dem Cosinus des Winkels O ist; gleichzeitig erzeugt der Hall-Generator 16 eine Ausgangsspannung auf der Leitung 36, die proportional zur Trägerfrequenzsignalamplitude, moduliert proportional zur Maximalamplitude des rotierenden Magnetfeldes, multipliziert mit dem Sinus des Winkels 0 ist. Die Amplitudenmodulation der Ausgangsspannung auf der Leitung 35 mit der Frequenz des rotierenden Magnetfeldes ergibt also eine identische, jedoch um 90° phasenverschobene Amplitudenmodulation der Ausgangsspannung auf der Leitung 36. Diese modulierten Ausgangsspannungen sind schematisch bei 37 und 38 dargestellt.

Die Leitung 36 gibt die Ausgangsspannung 38 auf einen Phasenschieber 40*, der eine Phasenverschiebung der Trägerfrequenz (l MHz) um 90° bewirkt. Die phasenverschobene Ausgangsspannung 38 und die andere Ausgangsspannung 37 werden dann in einem Addierglied 42 kombiniert. Der Phasenschieber 40 und das Addierglied 42 arbeiten zusammen in gleicher Weise wie ein Gegen- ■ takt- Modulator. Infolge der Phasenverschiebung der Träger-

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schwingung um 90° vor der Addition ergibt sich eine Ausgangsspannung 44, in der die Trägerschwingung zusammen mit einem Seitenband unterdrückt ist. Das andere Seitenband ist eine reine unmodulierte Trägerschwingung, da die AmplitudenmodulationFsich gegenseitig aufheben.

Wenn nun die Hall-Generatoren 14, 16 einem zusätzlichen stationären Magnetfeld, z, B. dem erdmagnetischen Feld, unterworfen sind, erleiden die Amplitudenmodulationen der Ausgangsspannungen \ 37 und 38 eine Phasenverschiebung. Da ferner die von den beiden Hall-Generatoren erfaßten Komponenten des stationären Feldes im allgemeinen nicht gleich groß sind (wenn das stationäre Feld nicht unter 45° gegen beide Hall-Generatoren verläuft), sind die Amplitudenmodulationen auch verschieden. Somit sind die Ausgangsspannungen auf den Leitungen 35 und 36 nicht mehr abgeglichen und demzufolge verbleibt nach der Phasenverschiebung einer der Ausgangsspannungen im Phasenschieber 40 und der nachfolgenden Addition derselben im Addierglied 42 ein gewisser ^ Anteil der Trägerschwingung zusammen mit beiden Seitenbändern im Ausgang des Addiergliedes 42.

Da der Phasenschieber 40 and das Addierglied 42 auf den gleichen mathematischen Prinzipien beruhen wie der Gegentaktmodulator, bleiben die Phasenbeziehungen im ganzen Verlauf der Auswertung der Signale auf den Leitungen 35 und 36 erhalten. Die Amplitudenmodulation der Ausgangsspannung 46 des Addiergliedes 47 hat also bei Anwesenheit des stationären Feldes einen Phasen-

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winkel relativ zu der Oszillatorausgarjgsspannung, die einem der Wandler 18, 20 zugeführt wird, der gleich dem Winkel ist, den das stationäre Feld mit der Magnetachse desjenigen Hall-Generators bildet, dem der betreffende Wandler 18 bzw. 20 zugeordnet ist. Deshalb wird die Ausgangsspannung 46 in einem Demodulator 48 demoduliert, ohne die Phase des Modulationssignals zu andern, um auf einer Leitung 50 ein Wechselstromsignal zu erzeugen, dessen Frequenz gleich der Frequenz des Oszillators 22 ist. Dieses Wechsä-stromsignal wird in einem Phasenkomparator 52 mit einem Bezugssignal verglichen, das von der Oszillatorausgangsspannung für den Wandler 20 gebildet wird. Der Phasenkomparator 52 enthält ein Anzeigeinstrument für den Phasenwinkel. Wie erwähnt, ist dieser Winkel gleich dem Winkel des stationären Feldes mit der Magnetachse des Hall-Generators 16 und stellt so ein Maß £\xr die Richtung des stationären Magnetfeldes dar.

Um die Frequenz des rotierenden Magnetfeldes im wesentlichen konstant zu halten, ist eine Gegenkopplung für den Oszillator 22 vorgesehen. Die Gegenkopplungsschleife enthält einen frequenzabhängigen Phasenschieber, der die Phase des vom Demodulator 48 abgegebenen Wechselstromsignals als Funktion von dessen Frequenz nachstellt. Beispielsweise bleibt die Phase unverändert, wenn die Frequenz 28 kHz ist, und die Verschiebung nimmt linear auf 360° zu, wenn die Frequenz 30 kHz ist. Der Phasenschieber 34 gibt das so in der Phase - achgerstellte Wechselstromsignal auf einen weiteren phasenkomparator

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56, dem auch, die Bezugsphase der Oszillatorausgangsspannung für den Wandler 20 zugeführt wird. Der Phasenkomparator 56 könnte ebensogut auch mit der phase der Oszillatorausgangssjainung für den Wandler 18 gespeist werden.

Der Phasenkomparator 56 erzeugt ein Steuersignal, das von der Phasendifferenz zwischen dem nachgestellten Wechselstromsignal und der Ausgangsspannung des Oszillators 22 abhängt. Das Steuersignal ist ein Fehlersignal, d. h. es verschwindet, wenn die Phasendifferenz zwischen den beiden vom Phasenkomparator 56 . empfangenen Signalen gleich. Null ist. Dieses Steuersignal wird einem aktiven Integrator 58 zwecks Integration zugeführt. Das integrierte Steuersignal wird auf den Oszillator 22 gegeben, um dessen Ausgangsfrequenz auf einen konstanten Wert zu regeln.

Die Genauigkeit des beschriebenen magnetischen Feldrichtungsanzeigeri ist durch die Genauigkeit des Senkrechtstehens der Hall-Generatoren 14, 16 durch die Genauigkeit der Anbringung der Wandler 18 und 20 und die Konversionskennlinie des Phasenschiebers 54 bestimmt. Von anderen Ursachen herrührende Ungenauigkeiten können durch die Gegenkopplung verringert werden.

Anstatt von Hall-Generatoren können andere magnetische Feldstärkemesser (z. B. Fluxm et er) bekannt er Art verwendet werden«, Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Anordnung verwendet solche Fluxmeter.

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Ein Oszillator 100 in Fig. 2 erzeugt eine Wechselspannung auf einer Leitung 102, die zu einem Phasenaufspalier 103 führt. Die Ausgangsspannungen dieses Phasenauf Spalters auf den Leitungen 104 und 105 sind um 90° phasenverschoben, wobei die Ausgangsspannung auf der Leitung 104 phasengleich mit der Ausgangsspannung des Oszillators 100 ist, während die Ausgangsspannung auf der Leitung 105 um 90° nacheilt. Die Spannungen auf den Leitungen 104 und 105 werden Fluxmetern 106 und 107 zugeführt.

Die Fluxmeter 106 und 107 sind mit ihren magnetischen Achsen rechtwinklig zueinander angeordnet und jedes Fluxmeter erzeugt eine Spannung, die proportional zu derjenigen Komponente eines äußeren Magnetfeldes ist, die längs seiner Achse zeigt. Eine Drehung des äußeren Feldes ändert somit die Ausgangsspannung des Fluxmeters zwischen den Grenzen Null und Maximum; letzteres tritt ein, wenn das äußere Feld parallel zur Achse des betreffenden Fluxmeters und damit rechtwinklig zu derjenigen des anderen Fluxmeters verläuft. Wenn 0 der Winkel des äußeren Magnetfeldes mit der Achse eines Fluxmeters 106 ist, ist seine Ausgangsspannung proportional zu cos 0, während die Ausgangsspannung des anderen Fluxmeters 107 proportional zu sin 0 ist.

Die Ausgangsleitungen 108 und 109 der Fluxmeter 106 und 107 führen zu den Eingängen eines Addiergliedes 110, dessen Ausgang mit einem Bandfilter 112 verbunden ist. Das Bandfilter

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siebt unerwünschte Oberwellen aus, ist aber so aufgebaut (z. B. aus Parallel-T-Gliedern), daß es keine merkliche Phasenänderung in Durchlaßband einführt. Die Ausgangsspannung des Filters auf der Leitung 114 hat deshalb annähernd konstante Amplitude und einen nacheilenden Phasenwinkel 0, der gleich dem Winkel O des äußeren Magnetfeldes mit der Achse des Fluxmeters 106 ist.

Die Ausgangsspannung des Filters 112 wird (gegebenenfalls nach Verstärkung) einem Phasenkomparator 116 zugeführt, der auch die Ausgangsspannung 104 des PhasenaufSpalters 103 erhält. Der Phasenkomparator 116 entspricht dem Komparator 52 und liefert ebenfalls eine sichtbare Anzeige des Phasenwinkels.

Das beschriebene Gerät findet seine Haupta* rendung als Magnetkompaß . .

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Claims (12)

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   PYE LIMITED in Cambridge, Großbritannien

   Patentansprüche

   ( 1.) Magnetischer Feldrichtungsanzeiger, gekennzeichnet durch zwei nach zueinander senkrechten Achsen angeordnete magnetische Feldstärkemesser (14, 16), eine Auswertungsvorrichtung (40, 42, 48), die von den Ausgängen der Feldstärkemesser ein von der Feldrichtung abhängiges Wechselstromsignal (44, 46) ableitet, und einen Phasenkomparator (52), der den Phasenwinkel zwischen dem abgeleiteten Signal und einem Bezugssignal derselben Frequenz als Maß der Feldrichtung hinsichtlich einer der beiden Achsen bestimmt.
2. 2. Feldrichtungsanzeiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Feldstärkemesser (14, 16) magnetelektrische Generatoren sind, deren Achsen mit den beiden zueinander senkrechten Bezugsachsen zusammenfallen.
3. 3. Feldrichtungsanzeiger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärkemesser Hall-Generatoren (14, 16) sind, längs deren Stromachse ein von einen gemeinsamen

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   Oszillator (28) geliefertes Trägerfrequenzsignal angelegt wird, und daß längs der Magnetachse der beiden Hall-Generatoren von einem Magnetfelderzeuger (22) ein rotierendes Magnetfeld derart aufgeprägt wird, daß bei Betrieb des Gerätes in Abwesenheit anderer Magnetfelder als Ausgangsspannungen der Hall-Generatoren die mit der Umlauffrequenz des Magnetfeldes amplitudenmodulierten Trägerfrequenzsignale auftreten, zwischen deren Amplitudenmodulationen ein Phasenunterschied von 90° besteht.
4. 4. Feldrichtungsanzeiger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelderzeuger (22) aus einem Zweiphasenoszillator besteht, der zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes entsprechende elektromagnetische Wandler (18, 20) mit seinen um 90° verschobenen Ausgangsphasen beliefert.
5. 5. Peldrichtungsanzeiger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungsvorrichtung einen Phasenschieber (40) zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von 90° in der Trägerfrequenz zwischen den Ausgangsspannungen der Hall-Generatoren, ein Addierglied (42) für die beiden Ausgangsspannungen und einen Demodulator (48) für das Summensignal am Ausgang des Addiergliedes umfaßt, wobei das Wechselstromsignal am Ausgang des Demodulators auftritt, während das Bezugssignal die eine Ausgangsphase des Oszillators darstellt.

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6. 6. Feldrichtungsanzeiger nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelderzeuger (22) das rotierende Magnetfeld mit veränderlicher Frequenz erzeugt und daß eine Gegenkopplungsschleife mit einem frequenzabhängigen Phasenschieber (54) und einem Frequenzregler (56, 58) vom Ausgang des Demodulators (48) zum Eingang des Magnetfelderzeugers (22) führt.
7. 7. Feldrichtungsanzeiger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzabhängige Phasenschieber (54) die Phase des von der Feldrichtung abhängigen Wechselstromsignals als Funktion von dessen Frequenz nachstellt und daß der Frequenzregler einen weiteren Phasenkomparator (56) enthält, der den Phasenwinkel zwischen dem in der Phase nachgestellten Wechselstromsignal und einer Ausgangsphase des Magnetfelderzeugers (22) mißt und ein von diesem Phasenwinkel abhängiges Steuersignal liefert.
8. 8. Feldrichtungsanzeiger nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Integrationsglied (58) für das Steuersignal zur Regelung der Frequenz des Zweiphasenoszillators (22) auf einen konstanten Wert.
9. 9. Feldrichtungsanzeiger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärkemesser Fluxmeter (106, 107) sind.

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10. 10. Feldrichtungsanzeiger nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Oszillator (lOO) zur Speisung der Fluxmeter über einen Phasenaufspalter (103), der zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Speisespannungen für die Fluxmeter erzeugt.
11. 11. Feldrichtungsanzeiger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangsspannung des PhasenaufSpalters als Bezugssignal verwendet wird.
12. 12. Feldrichtungsanzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem Magnetkompaß.

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