DE2051684C - Winkelgeber zur Messung der Winkelstellung einer magnetischen Kompaßnadel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgd·.·. zur Messung diTr Winkelstellung einer magnetisch:.· Kompaßnadel.

Es ist ein Winkelgeber /ur Messung Jer Winkt.im. ■ hing eines sich drehenden Teils bekannt (dam.-

as AusU-geschnft 1 163 2lK>), bei dem eine Magnet· . ■. vorrichtung ständig ein hochfrequentes Mugru.·.!. ' erzeugt, der sich drehende Teil mit einer mit ih;:, ,.-_: eine gemeinsame Drehachse drehbaren, ιιπηκ'.ρ;;:.; sehen Scheibe verbunden ist, die Scheibe cine u^cr;-über der Drehachse radial versetzte Metallhdeiuii!-.: trägt, die das M;^.iietfeld entsprechend der V. ir;·;.! steihing des sich drehenden Teils beeinflußt der au! der der Magnetisiervorrichtung axia, überiiegenden Seite der Scheibe sin Magnetfeld

tor angeordnet ist. Hierbei hai die M-tallbeleuunL Scheibe die Form eines Kreissektors, und l·· Durchlauf der Belegung zwischen Magnetisiervorn : tun« und Magnetfelddetektor wird deren magnetism':. Kopplung geändert, so daß Impulse erzeugt werde;.

Durch Zählung der Impulse kann die Wi: kelstellunr des sich drehenden Teils digital annähernd bestimm! werden. Ein solcher Winkelgeber ist jedoch nicht /u; Messung der Winkelstellung einer magnetischen Kompaßnadel geeignet. Er setzt voraus, daß der sich dre hende Teil in nur einem Drehsinn umläuft, da auch bei einer Drehrichtungsumkehr Impulse erzeugt würden, die eine Weiterdrehung in der ursprünglichen Drehrichtung vortäuschen würden. Bei einer Kompaßnadel ergeben sich jedoch Drehungen in beiden Drehrichiungen. Außerdem ist eine nur angenäherte digitale Winkelbcstimmung bei einer Kompaßnadel nicht ausreichend, vielmehr muß deren Stellung präzise analog wiedergebbar sein.

Bei bekannten anderen Winkelgebern zur Messung

"i5 der Winkelstellung eines drehbaren Teils (deutsche Auslegeschrift 1240 716, deutsche Auslegeschrift 1216 558, deutsche Auslegeschrift 1 189 287, deutsche Auslegeschrift 1 166 489) wird bei der Drehung dieses Teils mit ihm ein magnetisches Kopplungselement gedreht, das die magnetische Kopplung zwischen einer Magnetisiervorrichtung und einem Magnetfelddetektor verändert. Hierbei wird ein analoges, erforderlichenfalls präzises Signal gewonnen. Derartige Winkelgeber sind jedoch ebenfalls zur Messung der Winkelstellung einer magnetischen Kompaßnadel nicht geeignet, da der magnetische oder magnetisierbar Kopplungsteil im magnetischen Erdfeld einer Richtwirkung unterliegt, die die Anzeige

der Kompaßnadel verfälscht. /w:ir ist es gitmdsäl/ Ii Ii möglich, Magnetisiei vorrichtung, Kopphmi'Milicd Und Magnetfelddetektor magnetisch gegenüber dem Erdfeld abzuschirnicii, jedoch ist !lierzu ein gioßer baulicher Aufwand erforderlich. Außerdem kann :. einem solchen Falle tro¹'. der Abschirmung m. h< aus gcNchlossen werden, ι inhomogene lu'chfn.q.ieiiie Streufelder durch die .uischirmung hindiinl·. nach außen gelangen und die Anzeige tier Kompaßnadel veilalschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, iiiit einfachen Mitteln rillen genau wirkenden Winkelgeber zur Messung der Winkelstellung einer magnetischen Kompaßnadel zu schallen.

Die Aufgabe wird gemiiß der Erfindung bei einem derartigen Winkelgeber dadurch gelöst daß eine Magnetisiervorricliumg ständig ein hochlrequentes, in der Drehebene der Kompaßnadel zumindest innerhalb deren Drehbereich homogenes Magnetfeld erzeugt, daß die Kompaßnadel mit einer mit ihr um eine gemeinsame Drehachse drehbaren, uninagnetischen Scheibe verbunden ist, daß die Scheibe ein gegenüber der Drehachse radial versetztes, aus an ihren Enden verbundene Leitern bestehendes Gitter tragt, das uas Magnetfeld entsprechend der Winkelstellung der Kompaßinidel verzerrt, und daß auf der tier Magr.etisiervorrichtuhg, axial gegenüberliegenden Seite der Kompaßnadel zwei Magnetfelddetektoren angeordnet sind, die die Verzerrung des Magnetfelds in zwei zueinander senkrechten Richtungen in einer zur Drehebene parallelen Ebene erfassen und elektrische Ausgangssignale erzeugen, die sich jeweils entsprechend der Verzerrung in einer der beiden zueinander senkrechten Richtungen ändern.

Bei dem Winkelgeber gemäß der Erfindung ist die Kompaßnadel unmittelbar in dem Magnetfeld zwischen Magnetisiervorrichtung und Magnetfelddetektor untergebracht, das als homogenes Magnetfeld erzeugt ist und daher keinen Einfluß auf die Stellung der Nadel hat. Das Magnetfeld wird dann durch das auf der Scheibe untergebrachte Gitter auf Grund von in diesem fließenden Strömen verzerrt. Diese Verzerrung beeinflußt die Genauigkeit des Ausgangssignals nicht.

Mit dem erfindu^gsgemäßen Winkelgeber werden zwei Ausgangssignale erhalten, von denen das eine Maxima und Minima aufweist, die solchen Siellungen des drehbaren Teils entsprechen, die gegenüber den den Maxima und Minima des anderen Ausgangssignals entsprechenden Stellungen um einen rechten Winkel in Umfangsrichtung versetzt sind. Es ist so möglich, Ausgangssignale zu erzeugen, die zumindest annähernd dem Sinus und Kosinus der Winkelstellung des drehbaren Teils proportional sind. Die Genauigkeit der Proportionalität kann durch sachgemäße Ausbildung des aus an ihren Enden verbundenen Leitern bestehenden Gitters verbessert werden; dieses Gitter wird im folgenden als geschlossenes Gitter bezeichnet. In einigen Fällen kann auch eine genügend genaue Anzeige der Winkelstellung erreicht werden, indem lediglich beispielsweise die Minima der beiden Ausgangssignale und deren Gleichheit ermittelt werden.

Vorzugsweise Wiesen die Magnetfelddetektoren jeweils zwei Aufnahmespulen auf, die zwei in jeweils einer der beiden zueinander senkrechten Richtungen gegeneinander versetzte, zur Drehebene parallele Bereiche umgeben, wobei weiter den Aufnahmespulen eines Magnetlekldelektors jeweils eine Auswerte schaltung nachgcsclialtet ist, die ein der Difleicnz de, in beiden Aufnahniespiilen durch das Magnetfeld induzierten elektrischen Signale entsprechendes Aus-ί uain'ssigiial erzeugt. Die Ausgangssignale entsprechen vorzugsweise nach Größe und Vorzeichen dem Sini-- und dem Kosinus der Winkelstellung der Kompaß nadel.

Die beiden Aufnahmespillen eines Magneifelddetektois umgeben vorzugsweise jeweils zwei aneinander anschließende, halbkreisförmige Bereiche. Die Magnelisiervorrichiung kann aus einer sieii parallel zur Drehebene erstreckenden Magnetisierspule und einem diese mit einem Wechselstrom speisenden ele^L.

frischen Oszillator bestehen. Ei:ie besondeis /weck mäßige und robuste Ausführung ergibt sich, wenn die beiden Aufnahrncspulen des einen Magneifelddetcktors in einer Ebene und di. neiden AufnalimespiilcH des anderer. Magnetfelddetektc..-s in einer da/u pai allclen, beabstandeten Ebene liegen und wenn die bei den Aufnahmespulen eines Magne'felddetekun , jeweils gemeinsam eine der Flüche der Magneticrungssptilc deckungsgleiche Fläche umgeben.

Auf Grund der Homogenität des in dem Winke geber erzeugten Magnetfelds wird die Ausrichtung der Kompaßnadel durch das terrestrische oder ein planetares Magnetfeld nicht gestört. Um diese Wirkung noch zu verbessern, kann die Frequenz, der zyklischen Veränderung des Magnetfelds relativ hoch sein und beispielsweise in der Gegend von 1 MH/ liegen.

Zum Ausgleichs des Gewichts des geschlossenen Gitters ist es günstig, wenn die uiimagnetisi.heScheilv auf der dem offenen Cutter gegenüberliegenden Seite der Drehachse ei.ι offenes, aus an mindestens einem Ende unverbundenen Leitern hestehendes Gitter von im übrigen spiegelbildlich gleicher Ausbildung wi._ das geschlossene Gitter aufweist. Durch die Leite: d;s offenen Gitters wird dns Magnetfeld praktisch nicht verzerrt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel speist ein bistabiler Oszillator i mit sinusförmiger Ausgangsspannung und einer Frequenz in der Größenordnung von I MHz eine kreisrunde Magnetisiersnule 2, die nach Art einer gedruckten Schaltung auf die Oberfläche einer dünnen, isolierenden Scheibe aufgebracht ist. Einfachheitshalber ist diese Scheibe selbst nicht gezeigt. Die Anzahl der Windungen der Spule 2 ist frei wählbar und hängt von der Impedanz ab. die zur Anpassung an die /\usgangsimpedanz des Oszillators 1 r rfo.derlich ist. Die durch den Oszillator i gespeiste Magnetisierspule 2 erzeugt ein axiales Magnetfeld, das zumindest in der Umgebung der Spulenachse in einer zu dieser senkrechten Ebene praktisch symmetrisch ist. Parallel zur Magnetisierspule 2 ^;st in einem Abstand von dieser eine weitere isolierende, ebenfalls cinfachheitshalber nicht gezeigte Scheibe angeordnet. Die beiden Seiten dieser Scheibe tragen jeweils zwei Aufnahmespulen 3, 4 bzw. 5, 6. Ein solches Paar von Aufnahmespulen 3. 4; 5, 6 umgibt jeweils zwei aneinander anschließende, halbkreisförmige Bereiche, die zusammen eine kreisförmige, zur Fläche der Magnetisierspule 2 koaxiale Flachen bilden. Die beiden Paare von Aufnahmespuleii 3, 4; 5, 6 sind um einen rechten Winkel in Umfangsricdtung

icgcneinander versetzt. Wenn beispielsweise die beiden Bereiche der von einem Paar von Aufnahmespulen 3, 4 umfaßten Fläche durch eine von Osten nach Westen verlaufende Linie getrennt sind, sind die Bereiche des anderen Paares von Aufnahmespulen 5, 6 durch eine von Norden nach Süden verlaufende Linie unterteilt. Die Aufnahmespulen 3, 4; 5, 6 weisen jeweils nur eine einzige Windung auf. Jedes Paar 3, 4 bzw. 5, 6 hat einen gemeinsamen Leiter, der entlang der gemeinsamen DurchTnesserlinie verläuft, die die jeweiligen beiden Bereiche voneinander trennt.

Jede der beiden Aufnahmespulen 3. 4 ist an einer Primärwicklung 7 eines Transformators 8 angeschlossen, die an den freien Enden des diametral verlaufenden Leiters 9 und dem halbkreisförmig verlaufenden Teil jeder Aufnahmespule 3, 4 liegt. Die Sekundärwicklungen 11 der Transformatoren 8 sind jeweils an die Zweige 14, 15 einer Auswerteschaltung angeschlossen. Der Zweig 14 umfaßt gegensinnig gepolle Dioden 16,17 und zwei damit in Reihe geschaltete Ausgangswiderst'ände 18,19, denen Glättungskondensatoren 20, 21 parallel geschaltet sind. Die Sekundärwicklungen 11 sind zusammengeführt und über einen Leiter 10 mit dem gemeinsamen Anschluß der Glättungskondensatoren 20. 21 verbunden. Der gemeinsame V ei bindungspunkt der Ausgangswiderstände 18, 19 dient als AusgangsanschiuB 12. Der Zweig 14 er zeugt an dem Ausgangsanschluß 12 ein Ausgangssignal, das der Differenz zwischen der Amplitude des in der Aufnahmespule 3 bei positiven Halbwellen erzeugten elektrischen Signals und der Amplitude des in der Aufnahmespule 4 bei negativen Halbwelten erzeugten Signals entspricht. Der ähnliche Zweig 15 bildet ein ähnliches Signal, das jedoch von den negativen Halbwellen des in der Aufnahmespule 3 erzeugten Signals und den positiven Halbwellcn des in der Aufnahmespule 4 erzeugten Signals abgeleitet ist.

Eine zur Ermittlung des Kosinus der Winkelstellung dienende weitere Auswerteschaltung umfaßt die Zweige 14 π, 15 a. Der dem Zweig 14 entsprechende Zweig 14 α liegt zwischen einem Ausgangsanschluß 12 α und den Sekundärwicklungen von Transformatoren 8 a, die in gleicher Weise an die Aufnahmespulen 5. 6 angeschlossen sind, wie die Transformatoren 8 mit den Aufnahmespulen 3, 4 verbunden sind. Der Zweig 15 u, der dem Zweig 15 entspricht, liegt zwischen einem beiden Auswerteschaltvingen gemeinsamen Ausgangsanschluß 13 und den Transformatoren 8 a. Die an jeweils einem Paar von Ausgangsanschlüssen 12, 13 bzw. 12 a, 13 abnehmbaren Ausgangssignalc entsprechen nach Größe und Vorzeichen dem Sinus bzw. Kosinus der Winkelstellung einer Scheibe 22.

ίο Die Scheibe 22 liegt zwischen der Magnctisicrspule 2 und den Aufnahmespulen 3, 4; 5, 6 und ist auf einer Achse 23 zusammen mit einer Kompaßnadel 27 drehbar gelagert. Die Scheibe 22 zeigt auf ihrer oberen, den Aufnahmespulen 3, 4; 5, 6 zugewandten Oberfläche eine gedruckte Schaltung. Auf einer Hälfte der Oberfläche ist die gedruckte Schaltung als ein leitendes Cutter 24 ausgebildet, das die Form eines in sich geschlossenen Rings 25 und von darin angeordneten, parallelen Leitern 26 hat, deren Enden durch

ao den Ring 25 miteinander verbunden sind. Auf der anderen Hälfte der Scheibe 22 ist ein spiegelbildlich ähnliches, aber offenes Gitter 24 α voigesehen, dessen Leiter 26 a mit jeweils einem Ende einen äußeren Ring 25 α nicht berühren, so daß sie keinen geschlossenen Stromkreis bilden.

Bei der beschriebenen Anordnung wirkt das geschienene Gitter 24 als eine kurzgeschlossene Spule oder ein Käfig und damit als Abschirmung. Das Magnetfeld hat demgemäß oberhalb des Gitters 24 gecenüber dem Magnetfeld unmittelbar oberhalb der übrigen Teile der Scheibe 22 eine verminderte Intensität. Diese Verzerrung des Magnetfelds beeinflußt die Aufnahmespulen 3. 4; 5, 6 derart, diiß die in ihnen erzeugten elektrischen Signale der "Winkelstellung der drehbaren Scheibe 22 entsprechen. Bei sachgemäßer Ausbildung des Schirms können die elektrischen Ausgangssignale der Magnetfcldetektorcn genau dem Sinus und Kosinus der Winkelstellung entsprechen.
Die Magnetisierspule 2 und die Aufnahmespulen

3, 4; 5, 6 sowie die genannten Scheiben können ir einem zylindrischen Behälter angeordnet sein, der mil einer Flüssigkeit gefüllt ist.

Die Kompaßnadel 27 ist vorzugsweise in einer dci Symmetrieachsen der Gitter 24, 24 a ausgerichtet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Winkelgeber zurMcssiinj da Winkelstellung einer magnetischen Kompaßnadel, dadurch ge kenn ζ eichet, daß eine Magnelisiervorrichtung (1, 2) ständig ein hochfrequentes, in der Drehebene der Kompaßnadel (27) zumindest innerhalb deren Drehbereich homogenes Magnetfeld erzeugt, daß die Kompaßnadel mit einer mit ihr um eine gemeinsame Drehachse (23) drehbaren, unmagneiischen Scheibe (22) verbunden ist. daß die Scheibe ein gegenüber der Drehachse radial versetztes, aus an ihren Enden verbundenen Leitern bestehendes Gitter (26) tragt, das das Magnetfeld entsprechend ikr Winkelstellung der Kompaßnadel verzerrt, und daß auf der der Magne:isiervorrichtupg axial gegenüberliegenden Seile der Kompaßnadel zwei Magnetfelddetektoren (3 bis 6, 14 bis 15 a) angeordnet sind, die die Verzerrung des Magnetfelds in zwei zueinander senkrechten Richtungen in einer zur Drehebene parallelen Ebene erfassen und elektrische Ausgangssignale erzeugen, die sich jeweils entsprechend der Verzerrung in einer der beiden zueinander senkrechten Rief ungen ändern.

2. Winkelgeber nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die: Magnetfelddetektoren (3 bis 6, 14 bis 15«) jeweils z«ei A lfnahmespulen (3, 4; 5, 6) aufweisen, die zwei in jeweils einer der beiden zueinander senkrechten Richtungen gegeneinander versetzte, zur Drehebene parallele Bereiche umgeben, und daß den Aufnahmespulen (3, 4: 5, 6) eines Magnetfelddetektors (3 bis 6, 14 bis 15 a) jeweils eine Auswerteschaltung (14, 15; XAa, 15ti) nachgesehaltet ist, die ein der Differenz der in den beiden Aufnahmespulen (2, 4; 5, 6) durch das Magnetfeld induzierten elektrischen Signale entsprechendes Ausgangssignil erzeugi.

3. Winkelgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswsrtcschaltimgen (14, 15; 14«, 15 η) jeweils dem Sinus und dem Kosinus der Winkelstellung der Kompaßnadel (27) entsprechende Ausgai.^ssignale erzeugen.

4. Winkelgeber nach Anspruch 2 odei II, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Aufhiihmespulen (3, 4; 5, 6) eines Magnetfelddetektors (3 bis S, 14 bis 15 a) jeweils zwei aneinander anschließende, halbkreisförmige Bereiche umgeben.

5. Winkelgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisieivorrichtung (1, 2) aus einer sich parallel zur Drehebene erstreckenden Magneiisierspule (2) und einem diese speisenden elektrischen Oszillator (1) besteht.

6. Winkelgeber nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dab die beiden Aufnahmespulen (3, 4) des einen Magnetfelddetektors (3, 4, 14, 15) in einer Pbene liegen, daß die beiden Aufnahmespulen (5, 6) des anderen Magnetfelddetektors (5, 6, 14ü, 15«) in einer dazu parallelen, beabstandeten Ebene liegen und daß die beiden Aufnahmespulen (3, 4; 5, 6) eines Magnetfekldetcktors (3 bis 6, 14 eis ISa) jeweils gemeinsam eine eic r Fläche der Magnetisierspule (2) deckungsgleiche Fläche umgeben.

7. Winkelgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Magnetfeldes in der Größenordnung von 1 MHz liegt.

8. Winkelgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auan ihren Enden , erbundenen Leitern bestehende geschlossene Gitter (26) aiii einer Seite der Drehachse C3) angeordnet ist und daß die Scheibe (22) auf der gegenüberliegenden Seile der Dreh achse (23) ein olTene.;, aus an mindestens einen; Ende unverbundenen Leitern bestehendes Gitter (26 ο) von im übrigen spiegelbildlich gleicher Abbildung wie das geschlossene Git'er (26) aufweist