DE2752101C2 - Einrichtung zur Neigungsmessung und Multiplikation des die Neigung repräsentierenden Signals mit einem eine weitere Größe, insbesondere die Azimutgeschwindigkeit bei Kursbezugsgeräten für Navigationszwecke, repräsentierenden Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung zur Neigungsmessung und Multiplikation des die Neigung repräsentierenden Signals mit einem eine weitere Größe, insbesondere die Azimutgeschwindigkeit bei Kursbezugsgeräten für Navigationszwecke, repäsentierenden Signal.

Einachsige und zweiachsige Libellensensoren werden vielfach zur Neigungsmessung verwendet, beispielsweise in Leit- oder Lenksystemen, Raketenabschußsystemen, stabilisierten Plattformen und Systemen zum waagerechten Ausrichten bei Werkzeugmaschinen. Sie weisen einen flüssigen Elektrolyten auf, welcher die jeweilige Neigung gegenüber einer Bezugsebene um die eine Achse bzw. um die zwei Achsen feststellt, und werden in eine Brückenschaltung eingeschaltet, die mit einer Erregerwechselspannung beaufschlagt wird, um eine Ausgangswechselspannung zu erhalten, deren Amplitude dem jeweiligen Neigungswinkel proportional ist und deren Phase (0° bis 180^J) die Neigungsrichtung anzeigt.

Bei vielen Navigationssystemen, wie beispielsweise Kursbezugsgeräten, wird das Ausgangssignal eines Libellensensors mit einem weiteren Signal multipliziert, welches beispielsweise die Azimutgeschwindigkeit bzw. die zeitliche Änderung des Azimuts repräsentiert. Bei den bekannten Systemen wird diese Multiplikation von einem gesonderten elektronischen Multiplikator zustande gebracht, was zusätzlichen Ausrüstungsaufwand erfordert und beträchtliche zusätzliche Kosten verursacht, wenn eine hohe Genauigkeit angestrebt wird. In jedem Fall müssen die Schaltkreise des elektronischen Multiplikators von Fachleuten geeicht und abgeglichen werden, um richtig zu

ίο funktionieren.

Um bei Vermessungsgeräten, insbesondere Theodoliten, Meßfehler aufgrund nicht genau waagerechter Aufstellung auszuschalten, ist es bekannt, zwei optoelektrische Neigungsmesser mit je einem Pendel bzw. je einer Libelle mit einer reflektierenden Flüssigkeitsoberfläche vorzusehen, deren Ausgangssignale einem einen Multiplikator enthaltenden Rechner zugeführt werden, ebenso wie die eigentlichen Meßwerte, um daraus die wahren Meßwerte zu berechnen (DE-OS 26 38 621).

Auch ist ein Gerät zur dreidimensionalen Beschleunigungs-, Geschwindigkeits-, Entfernungs- und Lagemessung bei sich im Raum bewegenden Körpern unter Berücksichtigung des Vorhandenseins eines Gravitationsfeldes bekannt, welches mit einer Reihe von Trägheitssensoren und mehreren Rechnern zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Sensoren versehen ist. Dazu gehört ein Rechner, welcher mit den Ausgangssignalen von Trägheitssensoren zur Erfassung von Drehbewegungen nach deren Verarbeitung in einem Rechner zur Winkelgeschwindigkeitsberechnung und Integration in einem Integrator beaufschlagt wird, um den Cosinus derjenigen Winkel zu berechnen, welche zwischen den Achsen eines gerätefesten Koordinatensystems und den Achsen eines raumfesten Bezugskoordinatensystems existieren. Damit wird ein weiterer Rechner beaufschlagt, um weitere Berechnungen durchzuführen (US-PS 35 45 266).

Schließlich gehört eine Einrichtung zur Bestimmung der momentanen Schräglage sich bewegender Fahrzeuge und Hubschrauber zum Stande der Technik, welche drei Dreh-Beschleunigungsmesser, zwei Tranlationsbeschleunigungsmesser, eine Kompaßanlage und zwei Rechner aufweist, die jeweils mehrere Multiplikatoren enthalten. Die drei Drehbeschleunigungsmesser sind über je ein Hochpaßfilter an den einen Rechner angeschlossen, welcher aus dem jeweiligen Eingangssignal die Hochfrequenzkomponente des entsprechenden Schrägungswinkels berechnet, um welchen ein fahrzeugfestes Koordinatensystem um seine Ar-Achse bzw. y-Achse gegenüber einem raumfesten Bezugskoordinatensystem gedreht ist. Die beiden Translationsbeschleunigungsmesser sind an den anderen Rechner angeschlossen, auf den zwei Tiefpaßfilter folgen, um die Niederfrequenzkomponente des der x-Achse zugeordneten Schrägungswinkels und diejenige des der y-Achse zugeordneten Schrägungswinkels zu gewinnen. Die Kompaßanlage liefert über ein Tiefpaßfilter die Niederfrequenzkomponente des der z-Achse zugeordneten Schrägungswinkels. Durch Addition der Hochfrequenzkomponenten und der Niederfrequenzkomponenten werden die drei Schrägungswinkel erhalten, welche die momentane Schräglage des Fahrzeugs bzw. Hubschraubers bestimmen (DE-OS 23 21 691).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zur Neigungsmessung und Multiplikation des die Neigung repräsentierenden Signals mit einem eine weitere Größe, insbesondere die Azimutgeschwindigkeit bei Kursbezugsgeräten für Navigationszwecke, repräsentierenden Signal zu schaffen, bei welchem der zur Neigungsmessung

dienende Libellensensor selbst die Multiplikation zustande kommen läßt, so daß ein gesonderter elektronischer Multiplikator entfallen kann.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäjJen Systems sind in den restlichen Patentansprüchen angegeben.

Die Erfindung macht die Verwendung eines zusätzlichen elektronischen Multiplikators überflüssig. Demzufolge ist das erfindungsgemäße System nicht nur weniger verwickelt und billiger als die eingangs erwähnten bekannten Systeme, sondern auch nicht durch die einem elektronischen Multiplikator eigenen Fehler beeinträchtigt. Auch braucht kein solcher Multiplikator kalibriert bzw. getrimmt zu werden.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung anhand von Zeichnungen beispielsweise erläutert. Darin zeigt

F;g. 1, 2 und 3 die Blockschaltbilder dreier bekannter Systeme mit einem gesonderten elektronischer Multiplikator zur Multiplikation des Ausgangssignals des Libellensensors mit einer zusätzlichen Größe bzw. dem entsprechenden, von außen zugeführten Signal;

Fig. 4 das entsprechende Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Systems, wobei der Libellensensor selbst die Multiplikation durchführt;

Fig. 5 ein detaillierteres Blockschaltbild des Systems gemäß Fig. 4; und

Fig. 6 das Schaltbild einer Ausführungsform des Systems nach Fig. 4 und 5.

Bei den bekannten Systemen gemäß Fig. 1 bis 3 zur Neigungsmessung und Multiplikation des entsprechenden Neigungssignals mit einem eine weitere Größe repräsentierenden Signal sind jeweils ein Libellensensor 12 und ein gesonderter elektronischer Multiplikator 14 vorgesehen.

Beim System gemäß Fig. 1 ist zwischen den Libellensensor 12 und den Multiplikator 14 ein Synchron-Demodulator 10 zwischengeschaltet, der mit der Ausgangswechselspannung K Φ sin ω t des Libellensensors 12 beaufschlagt wird, welche dessen Neigung Φ gegenüber einer Bezugsebene repräsentiert und im Synchron-Demodulator 10 demoduliert sowie in eine entsprechende Gleichspannung K Φ umgewandelt wird, wozu der Synchron-Demodulator 10 weiterhin mit einer Bezugswechselspannung konstanter Amplitude beaufschlagt wird, deren Frequenz derjenigen dieser Erregerwechselspannung des Libellensensors 12 entspricht. Der Multiplikator 14 multipliziert die Ausgangsgleichspannung K Φ des Synchron-Demodulators 10 und eine von außen zugeführte, die weitere Größe repräsentierende Gleichspannung Ka miteinander, um die Ausgangsgleichspannung K Φ Ka zu erhalten.

Beim System gemäß Fig. 2 multipliziert der elektronische Multiplikator 14 die Ausgangswechselspannung K Φ sin ω / des Libellensensors 12 unmittelbar mit einer von außen zugeführten, die weitere Größe repräsentierenden Wechselspannung Ka sin ω t, so daß sich die Ausgangswechselspannung (K Φ Ka/2). (1 - cos 2 ω t) ergibt.

Beim System gemäß 3 multipliziert der elektronische Multiplikator 14 die Ausgangswechselspannung K Φ sin ω t des Libellensensors 12 unmittelbar mit einer von außen zugeführten, die weitere Größe repräsentierenden Gleichspannung Ka, so daß sich die Ausgangswechselspannung K Φ Ka sin ω t ergibt.

Der Skalenfaktor des Libellensensors 12 hängt von seiner Erregerwechselspannung ab, so daß der Libellensensor 12 für eine bestimmte Erregerwechselspannung und eine bestimmte Neigung Φ eine Ausgangswechselspannung mit einer bestimmten Amplitude erzeugt. Wenn die Amplitude der Erregerwechselspannung auf die Hälfte vermindert wird, dann verringert sich auch die Amplitude der Ausgangswechselspannung bei derselben Neigung Φ des Libellensensors 12 gegenüber der Bezugsebene auf die Hälfte.

Dieses macht sich die Erfindung zunutze, um gemäß Fig. 4 den Libellensensor 12 selbst als Multiplikator zu verwenden, indem er mit einer Wechselspannung Ka sin ω t erregt wird, welche bereits diejenige weitere Größe repräsentiert, womit seine Neigung Φ bzw. das entsprechende Signal multipliziert werden soll. Die Ausgangswechselspannung K Φ Ka sin ω t des Libellensensors 12 stellt ohne weiteres das gewünschte Produkt dar.

Gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 5 wird eine äußere Gleichspannung Ka, welche die weitere Größe darstellt, in einem Synchron-Modulator 20 mit einer Bezugswechselspannung sin ω t moduliert, um den Libellensensor 12 mit der entsprechenden Ausgangswechselspannung Ka sin ω / des Synchron-Modulators 20 zu erregen, nachdem sie in einem Filter 22 gefiltert worden ist.

Dieses geschieht mit Hilfe eines Transformators T₁, dessen Sekundärwicklung einen geerdeten Mittelanschluß aufweist, während die beiden anderen Anschlüsse mit dem Libellensensor 12 verbunden sind, um diesen mit Gegentaktsignalen zu beaufschlagen. Der Libellensensor 12 kann als Spannungsteiler angesehen werden, so daß der Kreis abgeglichen und die Ausgangswechselspannung gleich Null ist, wenn der Libellensensor 12 nicht geneigt ist. Bei einer Neigung Φ stellt die Ausgangswechselspannung K Φ Ka sin co t das Produkt dieser Neigung Φ und des Wechselspannungsäquivalents der von außen zugeführten Gleichspannung Ka dar. Die Ausgangswechselspannung K Φ Ka sin ω t wird in einem Verstärker 24 verstärkt und in einem Synchron-Demodulator 26 demoduliert, so daß sich die Ausgangsgleichspannung K Φ Ka ergibt. Der Synchron-Demodulator 26 wird mit einer Bezugswechselspannung cos ω t beaufschlagt, welche sich nur dadurch von der Bezugswechselspannung sin ω t für den Synchron-Modulator 20 unterscheidet, daß sie um 90° phasenverschoben ist, was zur Kompensation von ähnlichen Verschiebungen bei den Signalen geschieht, welche durch den dem Libellcisensor 12 zugeordneten Kreis hindurchgehen.

In Fig. 6 ist eine Schaltung detaillierter veranschaulicht, welche den Synchron-Modulator 20, das Filter 22, den Transformator T₁, den Libellensensor 12, den Verstärker 24 und den Synchron-Demodulator 26 umfaßt, an eine 15-Volt-Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und drei Eingänge 50, 52, 56 sowie einen Ausgang 60 für die Bezugswechselspannung sin ω / bzw. die Gleichspannung Ka bzw. die Bezugswechselspannung cos ω t bzw. die Ausgangsgleichspannung K Φ Ka aufweist.

Der eine Eingang 50 des Synchron-Modulators 20 ist über einen Widerstand Λ146 mit der Basis eines PNP-Transistors QbI verbunden, dessen Emitter an der positiven Klemme der 15-Volt-Gleichspannungsquelle liegt, womit auch die Basis über einen Widerstand Λ133 verbunden ist, während der Kollektor über einen Widerstand RiM an der negativen Klemme der 15-Volt-Gleichspannungsquelle liegt und über einen Widerstand Λ135 mit der Basis eines NPN-Transistors ß38 sowie der Basis eines PNP-Transistors Q39 verbunden ist.

Die Emitter der Transistoren Q3& und Q39 sind geerdet. Der Kollektor des Transistors G38 ist über einen Widerstand Λ136 an die positive Klemme der 15-Volt-GIeichspannungsquelle angeschlossen und über einen Kondensator C5 zur Basis rückgekoppelt, während der Kollektor des Transistors Q39 über einen Widerstand Λ138 an der negativen Klemme der 15-Volt-Gleichspannungsquelle liegt und über einen Kondensator CXi zur Basis rückge-

koppelt ist. Darüber hinaus sind die beiden Kollektoren der beiden Transistoren ß38 und Q39 jeweils an einen geerdeten Widerstand Λ137 bzw. Λ139 und an die Gattelektrode eines Feldeffekttransistors Q40 bzw. ß41 angeschlossen.

Der andere Eingang 51 des Synchron-Modulators 20 ist übei einen Widerstand Λ147 mit der Kollektorelektrode des Feldeffekttransistors ß40 und der Emitterelektrode des Feldeffekttransistors ß41 verbunden. Die Emitterelektrode des Feldeffekttransistors ß40 ist geerdet, während die Kollektorelektrode des Feldeffekttransistors ß41 an den negativen Eingang eines Operationsverstärkers 54 angeschlossen ist, dessen positiver Eingang geerdet und dessen Ausgang über einen Widerstand R142 auf den negativen Eingang rückgekoppelt sowie über Widerstände R143, R144 und Λ145 mit dem positiven Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 54' verbunden ist, wobei der Widerstand /?143 darüberhinaus an einen Koppelkondensator C48 angeschlossen ist, welcher mit dem negativen Eingang und mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 54' verbunden ist. Dessen positiver Eingang ist ferner an einen geerdeten Kondensator C49 angeschlossen, während der Ausgang über einen Kondensator C50 mit der Primärwicklung des Transformators T₁ verbunden ist, dessen Sekundärwicklung in der Mitte geerdet ist.

Die dem einen Eingang 50 des Synchron-Modulators 20 zugeführte rechteckwellenförmige Bezugswechselspannung sin ω t wird durch die Schaltung des Transistors Q37 niveauverschoben und durch die den Transistoren ß38 sowie ß39 zugeordnete Treiberschaltung verstärkt, um den Feldeffekttransistoren (240 und 241 mit der geeigneten Phase zugeführt zu werden. Diese wirken als Schalter und zerhacken die dem anderen Eingang 52 des Synchron-Modulators 20 zugeführte Gleichspannung Ka mit der Frequenz der Bezugswechselspannung sin ω /. Die resultierende Ausgangswechselspannung Ka sin ω t des Synchron-Modulators 20 geht über die Operationsverstärker 54 und 54' dem koppelnden Transformator T₁ zu, so daß die Brückenschaltung des Libellensensors 12 entsprechend beaufschlagt wird. Der Operationsverstärker 54' stellt das Filter 22 gemäß Fig. 5 dar.

Die Ausgangswechselspannung K Φ ■ Ka ■ sin ω t des Libellensensors 12 geht über einen Koppelkondensator C28 dem positiven Eingang des Verstärkers 24 zu, welcher auch an einen geerdeten Widerstand Λ91 angeschlossen ist, während der Ausgang über einen Kondensator C33 und einen Widerstand R99 mit der Emitterelektrode eines Feldeffekttransistors ß30 und der Kollektorelektrode eines Feldeffekttransistors ß29 verbunden ist, deren Schaltung den Synchron-Demodulator 26 gemäß Fig. 5 bildet.

Der mit der gegenüber der dem Eingang 50 des Synchron-Modulators 20 zugeführten Bezugswechselspannung sin ω t um 90" phasenverschobenen Bezugswechselspannung cos ω t beaufschlagte Eingang 56 des Synchron-Demodulators 26 ist über einen Widerstand RSS mit der Basis eines PNP-Transistors ß26 verbunden, dessen Schaltung niveauverschiebend wirkt. Der Emitter des Transistors Q26 ist mit der positiven Klemme der 15-Volt-Gleichspannungsquelle verbunden, woran auch die Basis über einen Widerstand RS9 angeschlossen ist. während der KoI-lektor über einen Widerstand Λ93 an der negativen Klemme der 15-Volt-Gleichspannungsquelle liegt.

Der Kollektor des Transistors ß26 ist über einen Widerstand Ä92 an die Basis eines treibenden NPN-Transistors ß27 und an die Basis eines treibenden PNP-Transistors ß28 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors £27 ist über einen Widerstand /?95 mit der positiven Klemme der 15-Volt-Gleichspannungsquelle verbunden, während der Kollektor des Transistors QlS über einen Widerstand R96 an deren negativer Klemme liegt. Zwei Kondensatoren C51 und C52 sind mit Kollektor und Basis des Transistors ß27 bzw. ß28 verbunden.

Die beiden Kollektoren der beiden Transistoren ß27 und ß28 sind jeweils an die Gattelektrode des Feldeffekttransistors ß29 bzw. ß39 und einen geerdeten Widerstand Λ97 bzw. R9S angeschlossen. Die Ausgangsgleichspannung der Feldeffekttransistoren ß29 und ß30 geht einem Gleichspannungsverstärker 58 zu, welcher ausgangsseitig mit demAusgang 60 verbunden ist, an welchem die Ausgangsgleichspannung K Φ ■ Ka anfällt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Neigungsmessung und Multiplikation des die Neigung repräsentierenden Signals mit einem eine weitere Größe, insbesondere die Azimutgeschwindigkeit bei Kursbezugsgeräten für Navigationszwecke, repräsentierenden Signal, welches einen mit einer Erregerwechselspannung beaufschlagbaren und eine Ausgangswechselspannung liefernden Libellensensor aufweist, deren Amplitude der Libellensensorneigung bezüglich einer Bezugsebene und der Amplitude der Erregerwechselspannung proportional ist, gekennzeichnet durch einen Modulator (20) mit zwei Eingängen (SO, 52) für eine Bezugswechselspannung (sin ω f) bzw. das die weitere Größe repräsentierende Signal (Ka), mit welchem die Bezugswechselspannung (sin w t) amplitudenmoduliert wird, und mit einen; Ausgang zur Abgabe einer entsprechenden Erregerwechselspannung (Ka ■ sin ω t) an den Libellensensor (12), so daß die Amplitude von dessen Ausgangswechselspannung (K Φ ■ Ka ■ sin ω t) das Produkt der Libellensensorneigung (Φ) und der Amplitude des die weitere Größe repräsentierenden Signals (Ka) repräsentiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (20) mit einer die weitere Größe repräsentierenden Gleichspannung (Ka) beaufschlagbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Libellensensors (12) ein Demodulator (26) zur Abgabe einer Ausgangsgleichspannung (K Φ · Ka) angeschlossen ist, welche der Amplitude der Ausgangswechselspannung (K Φ ■ Ka ■ sin ω t) des Libeliensensors (12) entspricht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Synchron-Modulator (20) und ein Synchron-Demodulator (26) vorgesehen sind, welche mit denselben, jedoch gegenseitig um 90° phasenverschobenen Bezugswechselspannungen (sin ω t, cos ω t) beaufschlagbar sind.