DE2336134A1 - Richtungsbestimmungsgeraet - Google Patents

Description

M. 539

Augsburg, den 16. Juli 1973

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland,. Whitehall, London S.W.I, England

Richtungsbestimmungsgerät

Die Erfindung betrifft ein Richtungsbestimmungsgerät mit einem relativ zu einem Sockel drehbaren Meß- oder/und Anzeigeorgan. Vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich betrifft die Erfindung derartige Geräte zur Bestimmung der Strömungsrichtung von Strömungsmitteln, beispielsweise zur Bestimmung

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der Windrichtung.

Richtungsbestinurrangsgeräte benötigen bekanntlich eine feste Bezugspeilrichtung.Ist die Halterung, beispielsweise der Sockel eines derartigen Gerätes ortsfest orientiert, wie dies beispielsweise bei Windrichtungsanzeigern an Land der Fall ist, dann braucht nur ein fester Teil des Gerätes auf eine Bezugspeilrichtung, beispielsweise auf die Nordrichtung ausgerichtet zu sein. Befindet sich jedoch die Halterung im Zustand unbestimmter Bewegung, wie dies beispielsweise bei auf Bojen oder Seefahrzeugen angebrachten Windrichtungsanzeigern der Fall ist oder bei in See eingetauchten Wasserströmungsmessern vorkommt, dann muß entweder die Orientierung der Halterung mit Bezug auf eine bestimmte Peilrichtung festgestellt werden oder ein angetriebener Mechanismus zur Orientierungsbeibehaltung der Halterung bzw. des Sockels des Gerätes vorgesehen sein.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, mit Richtungsbestimmungsgeräten der eingangs dargelegten allgemeinen Bauart Richtungsanzeigen geben zu können, die unabhängig von der Winkelorientierung des Gerätesockels sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Richtungsbestimmungsgerät der eingangs dargelegten allgemeinen Bauart

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dadurch gelöst, daß das betreffende Gerät durch ein von dem Sockel drehbar gehaltertes Drehpotentiometer mit zugehörigen elektrischen Anschlüssen und einer Vielzahl von Anzapfungen, ferner durch einen drehbar gehalterten, sich auf das Erdmagnetfeld einstellenden Magneten, weiter durch einen, das Meßorgan darstellenden oder mit ihm verbundenen Rotor, durch dessen Drehwinkelstellung jeweils eine der Anzapfungen des Drehpotentiometers mit einer Ausgangsleitung verbunden ist, und endlich durch eine Einrichtung zur Aufnahme der von den Anzapfungen des Drehpotentiometers abgegriffenen, den jeweiligen Winkel zwischen dem Rotor und der jeweils angezapften Anzapfung versinnbildlichenden Signale jeweils als Punktion des augenblicklichen Winkels zwischen der betreffenden Anzapfung und dem Magneten gekennzeichnet ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Richtungsbestimmungsgerät ist es also möglich, elektrische Ausgangssignale zu erzeugen, die dem Winkel zwischen einem beliebigen Teil des Gerätes, welches richtungsmäßig einem äußeren Einfluß unterliegt, und einer gewählten Richtung entsprechen, so daß diese Signale unabhängig von der Richtungsorientierung der Halterung bzw. des Gerätesockels sind.

In Weiterbildung der Erfindung ist ein derartiges Richtungsbestimmungsgerät durch einen zusammen mit dem Magneten

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drehbaren weiteren Rotor gekennzeichnet, der je nach seiner Winkelstellung eine der Anzapfungen des Drehpotentiometers mit der Ausgangsleitung derart verbindet, daß das daraus abgeleitete Signal jeweils proportional zu dem augenblicklichen Winkel zwischen diesem Rotor und der betreffenden Anzapfung ist.

Das erfindungsgemäße Richtungsbestimmungsgerät kann eine an dem einen Rotor befestigte Flosse zur Messung einer Strömungsrichtung aufweisen. Der eine Rotor des erfindungsgemäßen Richtungsbestimmungsgerates kann in Weiterbildung der Erfindung als Gehäuse ausgebildet sein, welches das Drehpotentiometer und den Magneten nebst seinem Rotor umschließt. Die Potentiometeranzapfungen des erfindungsgemäßen Richtungsbestimmungsgerates können beispielsweise über Schleifringe und Bürsten mit der Ableitung des Gerätes verbindbar sein. Das erfindungsgemäße Richtungsbestimmungsgerät kann einen Meßbereich von 360° haben, in welchem Fall das Drehpotentiometer ein Potentiometerelement mit Doppelanschluß aufweist und ein Umschalter zur Beschaltung je eines Zweiges dieses Doppelanschlusses sowie ein diesen Umschalter betätigender Trigger vorgesehen ist, der bei einer bestimmten Winkelstellung des anderen Rotors relativ zu den Anzapfungen des Drehpotentiometers eine Umschaltung des Doppelanschlusses und eine überbrückung des nicht erregten Anschlußzweiges bewirkt.

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In Anwendungsfällen,*wo die natürlichen relativen Winkeländerungen zwischen dem anderen Rotor und dem Drehpotentiometer mit niedrigerer Frequenz als der natürlichen Frequenz des Gerätes auftreten, kann das Gerät eine Einrichtung aufweisen, mit deren Hilfe eine Schwingbewegung zwischen diesem Rotor und den Drehpatentiometer-Anzapfungen bewirkt wird.

Die erwähnte Vielzahl von Anzapfungen des Drehpotentiometers schließt auch den Fall ein, daß" das Auflösungsvermögen des Drehpotentiometers praktisch unendlich groß ist, das heißt, daß das Drehpotentiometer eine kontinuierliche Meßskala besitzt.

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die anliegende Zeichnung anhand eines Axialschnittes durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Richtungsbestimmungsgerätes in Form einer Windfahne zur Messung der absoluten Windrichtung in ihren Einzelheiten beschrieben.

Das in der Zeichnung dargestellte Richtungsbestimmungsgerät 1 weist einen Magneten 1 auf, welcher am Ende einer Rotorwelle 2 befestigt ist, welche zu einem allgemein mit der Bezugsziffer 3 bezeichneten Drehpotentiometer gehört. Das Widerstandselement des Drehpotentiometers 3 ist mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet. Der Magnet 1 braucht nicht in Edelsteinlagern aufgehängt zu sein, wie dies normalerweise bei empfind-

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lichen Magnetkompassen üblich ist. Es,hat sich gezeigt, daß es bei dem erfindungsgemäßen Richtungsbestimmungsgerät ausreicht, die Welle 2 des Magneten in widerstandsfähigen Präzisionskugellagern aufzuhängen.

Am unteren Ende der Welle 2 ist ein Spannungswähler in Form eines Rotors 4 befestigt, welcher mit nicht im einzelnen dargestellten Anzapfungen des Widerstandselements 5 des Drehpotentiometers 3 so zusammenwirkt, daß die dem Widerstandselement von einer Gleichstromquelle zugeführte Betriebsspannung derart an einer Ausgangsleitung abgegriffen wird, daß das abgegriffene Signal eine Punktion des Winkels des Rotors 4 relativ zu einer Anzapfung des Drehpotentiometers darstellt. Der Winkelmeßbereich des Richtungsbestimmungsgerätes ist größer als 360 und die Ausgangsspannung kann an den Meßbereich-Endpunkten jeweils um den Betrag umgeschaltet werden, welcher einem Drehwinkel von 36O entspricht, so daß keine Unterbrechung der Richtungsbestimmung beim überlaufen des Winkelmeßbereiches eintritt. Das Potentiometerelement 5 weist Doppelanschlüsse auf und ein Umschalter 6 ist vorgesehen, mit dessen Hilfe die Gleichspannung an einen der beiden Zweige des Doppelanschlusses des Widerstandselements 5 des Drehpotentiometers 3 angelegt werden kann. Mittels eines Triggers kann der Umschalter so betätigt werden, daß die Spannung wahlweise in einer bestimmten Winkelstellung des Rotors relativ zu einer bestimmten Anzapfung

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von einem Anschlußzweig auf den anderen umgeschaltet werden kann oder umgekehrt, wobei gleichzeitig dafür gesorgt wird, daß der nicht erregte Anschlußzweig des Doppelanschlusses überbrückt wird.

Als Gleichstromquelle können Batterien 7' vorgesehen sein, die innerhalb des Richtungsbestimmungsgerätes angeordnet sind. In Abwandlung dessen kann auch über Leitungen Strom von einer äußeren Stromquelle her zugeführt werden.

Das Drehpotentiometer 3 befindet sich in einem Gehäuse 8, welches die drehbaren Teile des Gerätes umschließt und von Lagern 9 auf einem Rohr 10 gehalten wird. Der obere Teil des Rohres 10 hält außerdem die Schleifringe einer Schleifringanordnung 11, welche mit Bürsten zusammenwirken, an welche die elektrischen Anschlüsse des Drehpotentxometers angeschlossen sind. Das Rohr 10 hält also die drehbaren Geräteteile und das Rohrinnere stellt einen Kanal dar, durch welchen Verbindungsdrähte 12 hindurchgeführt sind, die von den Schleifringen 11 zum Gerätesockel 13 führen. Eine Strömungsflosse 14 mit Gegengewicht 15 ist an dem Gehäuse 8 des Gerätes mittels eines Gestänges 16 so befestigt, daß dieses Gehäuse nach Art einer Windfahne von dem auf die Strömungsflosse 14 wirkenden Wind in die Windrichtung gestellt wird. Die Ausgangsspannung des Drehpotentiometers versinnbildlicht die Windrichtung und wird

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über einen elektrischen Tiefpaßfilter 17 zu einem Anzeige- und/oder Schreibegerät in Form eines Gleichstromvoltmeters geführt.

Die Wirkungsweise des soeben beschriebenen Windrichtungsbestimmungsgerätes ist die folgende:

Der auf die Strömungsflosse 14 wirkende Wind stellt diese in Windrichtung und bewirkt dadurch eine Drehung des Gerätegehäuses 8 und des in diesem fest angeordneten Drehpotentiometers 3 auf gleiche Richtung. Abgesehen von der Reibung in den Lagern der Rotorwelle 2 und anderen geringfügigen Bremskräften hat die Rotorwelle stets das Bestreben, sich zusammen mit dem Rotor 4 innerhalb des Drehpotentiometers sowie dem ebenfalls daran befestigten Magneten 1 in Richtung des Erdmagnetfeldes zu drehen. Die Reibungskräfte und anderen Bremskräfte werden bei normalem Oberflächenwind auf vernachlässigbar kleine Werte beschränkt, weil die Windturbulenz ohnehin eine fortgesetzte überlagerte Hin- und Herbewegung der Strömungsflosse und folglich auch des Potentiometerrotors bewirken. Soll das Richtungsbestimmungsgerät zur Bestimmung der Richtung anderer Erscheinungen Anwendung finden, beispielsweise zur Bestimmung der Strömungsrichtung einer laminaren Strömung oder zur Bestimmung einer Wind- oder WasserStrömungsrichtung von einem Schiff, Plugzeug oder Land-

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fahrzeug aas, wo diese Hin- und Herpendelungen der Strömungsrichtung nur geringfügig sind, dann kann es wünschenswert sein, zum Zwecke der Erhöhung der Anzeigegenauigkeit des Richtungsbestimmungsgerätes derartige Schwingungen künstlich zu erzeugen.

Derartige Schwingungen zum Zwecke der Verminderung von Klebeeffekten und zur Erhöhung der Anzeigegenauigkeit des Richtungsbestimmungsgerätes bezüglich von Durchschnittswerten können beispielsweise dadurch erzeugt werden, daß kleine Magnete 20 in der Welle 2 angeordnet und von einem schematisch bei 22 angedeuteten Spulensystem umgeben werden, welches beispielsweise von'einem nicht dargestellten, von den Batterien 7 gespeisten Pulsator her mit pulsierendem Gleichstrom gespeist wird. In Abwandlung dessen kann das Spulensystem auch mit Wechselstrom von einer äußeren Stromquelle her gespeist werden. Änderungen der Windrichtung bewirken entsprechende Änderungen der relativen Stellung des Rotors k innerhalb des Drehpotentiometers 3 und dessen Widerstandselement 5 und bewirken somit eine Änderung der die Windrichtung versinnbildlichenden Ausgangsspannung. Diese Spannung kann jedoch Amplitudenschwankungen aufweisen, welche ihre Ursache (a) in natürlichen Turbulenzschwankungen der Windrichtung, (b) in Abstufungen der Ausgangsspannung , falls ein Drehpotentiometer mit einer begrenzten Anzahl von gesonderten Anzapfungen verwendet wird, wie dies bei Potentiometern mit Spannungswahl mittels Reedschaltern

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der Pall ist, und (c) in ΒίηυεΒοηνπ^μΓ^βη haben können, die durch Schwingungen de's Magnetsystems infolge der magnetischen Trägheit von Reedschalter-Potentiometern oder durch horizontale Beschleunigungen des Instruments verursacht werden können, wenn ein dynamisch nicht ausbalanciertes Magnetsystem Anwendung findet und der Gerätesockel unregelmäßigen Bewegungen unterworfen wird. Schwankungen der Ausgangsspannung können auch durch künstlich eingeführte Schwingungen hervorgerufen werden, die in der oben beschriebenen Weise zum Zwecke der Verbesserung der Anzeigegenauigkeit und der Verminderung des Klebens des Gerätes angewendet werden. Wenn die auf die erwähnten vielfältigen Ursachen zurückführbaren Schwankungen der Ausgangsspannung vermieden werden sollen und die Richtungsbestimmung mit großer Genauigkeit erfolgen soll, dann kann der Durchschnittswert über die Zeit dadurch ermittelt werden, daß ein elektrischer Tiefpassfilter 17 Anwendung findet, dessen Zeitkonstante lang genug ist, um die niedrigste unerwünschte, mögliche Schwingungsfrequenz des Signals zu unterdrücken.

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   l) Richtungsbestimmungsgerät mit einem relativ zu einem Sockel drehbaren Meß- oder/und Anzeigeorgan, gekennzeichnet durch ein von dem Sockel (13) drehbar gehaltertes Drehpotentiometer (3) mit zugehörigen elektrischen Anschlüssen und einer Vielzahl von Anzapfungen, ferner durch einen drehbar (7) gehalterten, sich auf das Erdmagnetfeld einstellenden Magneten (1), weiter durch einen das Meßorgan darstellenden oder mit ihm verbundenen Rotor (8), durch dessen Drehwinkelstellung jeweils eine der Anzapfungen (z.B. 5) des Drehpotentiometers mit einer Ausgangsleitung (12) verbunden ist, und endlich durch eine Einrichtung (17, 18) zur Aufnahme der von den Anzapfungen des Drehpotentiometers abgegriffenen, den jeweiligen Winkel· zwischen dem Rotor und der jeweils angezapften Anzapfung versinnbildlichenden Signale jeweils als Funktion des augenblicklichen Winkels zwischen der betreffenden Anzapfung und dem Magneten.
2. 2. Richtungsbestimmungsgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zusammen mit dem Magneten (1) drehbaren weiteren Rotor (4), der je nach seiner Winkelstellung eine der Anzapfungen (z.B. 5) des Drehpotentiometers (3) mit der Ausgangsleitung (12) derart verbindet, daß das daraus abge-

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   leitete Signal jeweils proportional zu dem augenblicklichen Winkel zwischen diesem Rotor und der betreffenden Anzapfung ist.
3. 3. Richtungsbestimmungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine an dem einen Rotor (8) befestigte Flosse (14) zur Messung einer Strömung..
4. 4. Richtungsbestimmungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Rotor (8) als Gehäuse ausgebildet ist, welches das Drehpotentiometer (3) und den Magneten (1) nebst seinem Rotor (4) umschließt.
5. 5. Richtungsbestimmungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentiometeranzapfungen (z.B. 5) über Schleifringe (11) und Bürsten mit der Ableitung (12) verbindbar sind.
6. 6. Richtungsbestimmungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe einen Meßbereich über 360° hat.
7. 7. Richtungsbestimmungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehpotentiometer (3) ein Potentiometerelement mit Doppelanschluß aufweist und daß ein Umschalter (6)

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   zur Beschaltung je eines Zweiges dieses Doppelanschlusses sowie ein diesen Umschalter betätigender Trigger vorgesehen ist,
   ier bei einer bestimmten Winkelstellung des anderen Rotors (4) relativ zu den Anzapfungen (z.B. 5) des Drehpotentiometers
   eine Umschaltung des Doppelanschlusses und eine überbrückung des nicht erregten Anschlußzweiges bewirkt.
8. 8. Richtungsbestimmungsgerät nach einem der Ansprüche 1

   bis 7, gekennzeichnet durch einen elektrischen Tiefpassfilter (17) zur Unterdrückung von Schwankungen der Ausgangssignale.
9. 9. Richtungsbestimmungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Vibrator zur Erzeugung von kleinamplitudigen Schwingungen zwischen dem anderen Rotor (4) und den Potentiometeranzapfungen (z.B. 5)·

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