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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Magnetkompaß zur Kursanzeige
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bzw. Kursregelung in Wasser- oder Luft fahrzeugen, die aus einer zwei
oder mehrere gekreuzt angeordnete Meßsonden enthaltenden Kompaßsonde und einem Auswertegerät
besteht.
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Die Verwendung von elektronischen Magnetkompassen bringt. heispielszeeise
in Wasserfahrzeugen den Vorteil mit sich, daß die Messung der Richtung des Ertbnagnetfeldes
durch den Schiffsmagnetismus nur geringfügig gestört wird. Dies ist auf eine örtliche
Trennung der Kompaßsonde und des Auswertegerätes zurückzuführen. Während die Kompaßsonde
hoch im Mastangebracht wird, wo die durch den Schiffsmagnetismiis hervorgerufenen
Störungen gering sind, ist das Auswertegerät am Steuerstand angeordnet. Die Kompaßsonde
ist über elektrische Leitungen mit dem Auswertegerät verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Magnet
kompaß zu schaffen, der auf einfachem und direktem Wege eine elektronische Kurskennung
liefert.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch l gelöst.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 13
beschrieben.
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Neben der von den verwendeten Magnetometern örtlich getrennten Anordnung
des Auswertegerätes liegt ein Vorteil der Erfindung darin, daß Magnetometer
nach
dem Meßprinzip der direkten Zeitverschlüsselung verwendet werden und daß die besonderen
Gegebenheiten dieser Magnetometer genutzt werden, um durch logische Verarbeitung
der zeitverschlüsselten Meßsignale von den einzelnen Meßsonden auf einfachem und
direktem Wege, d. h. unter Umgeltung einer entschlüsselten Darstellung der Magnetfeld-Meßwerte
von den einzelnen Meßsonden, eine Wechselspannung mit kursabhängiger Phasenlage
zu gewinnen von der sich eine analoge oder digitale Darstellung des Kursmeßwertes
ableiten läßt. Derartige Ausgangswerte können mit einfachen technischen Mitteln
weiterverarbeitet und an besonders geeigneten Orten des Fahrzeuges sichtbar gemacht
werden.
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Ein flagnetometer mit direkter Zeitverschlüsselung, daß beim erfindungsgemäßen
Magnetkompaß Anwendung finden kann, ist beispielsweise aus der DT-AS 1 623 .977
bekannt. Das Magnetometer besteht aus einer Sonde mit magnetisierbarem Kern und
mindestens zwei Wicklungen, von denen die eint Lur Erzeugung eines Jlilfswechselfeldes
dient, das die Magnetisierungsschleife des Kerns bis in die Sättigung steuert, und
die andere über die Induktion des Kerns die Meßspannung liefert. Die induzicrte
Meßspannung wird differenziert.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt: Figur ia bis ld elektrische Teilschaltungen, die in einem elektronischen
Magnetkompaß Verwendung finden und zur Erzeugung von im Magnetkompaß verwendeten
elektrischen Signalen und Spannungen dienen Figur 2 ein Impulsdiagramm und Figur
3 eine Gesamtkonzeption des Magnetkompasses.
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Die in den Figuren 1a bis ld dargestellten Teilschaltungen sind für
einen Magnetkompaß vorgesehen, der eine Kompaßsonde mit zwei Magnetometern mit direkter
Zeitverschlüsselung aufweist. Die Meßsonden, die in Figur ib und ic mit 1 bzw. 2
bezeichnet sind, sind örtlich getrennt von einem zeichnerisch nicht dargestellten
Auswertegerät angeordnet und weisen in zueinander parallelen Ebenen einen Winkel
versatz von 900 auf. Dieser Winkelversatz ergibt sich aus 1800 dividiert durch die
Anzahl der verwendeten Sonden.
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Die Sonden 1 und 2 werden mit Vormagnetisierungsströmen IVM1 bzw.
IVM2 gespeist, die eine Phasenverschiebung von 90 zueinander aufweisen und von jeweils
einem Dreieckstrom-Vormagnetisierungsgenerator 3 bzw. 4 geliefert werden. Auch die
gewünschte Phasenverschiebung von 90° ergibt sich aus der obigen Rechenregel.
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Zur Bereitstellung der Vormagnetisicrungsströme IVM1 und IVM2, die
im Impulsdiagramm nach Figur 2 nicht eingezeichnet sind, weist die in Figur b dargestellte
Teilschaltung einen Taktgeber 5 auf, der eine rechteckförmige Impulsfolge mit der
Taktfrequenz ft an einen Binäruntersetzer 6 liefert.
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Mit Hilfe des Binäruntersetzers 6 und zwei weiteren, dem Binäruntersetzer
6 nachgeschalteten Binäruntersetzern 7 und 8 werden rechteckige Ausgangsspannungen
ZR/ZR bzw. VM1/VM1/VM2 und VM2 erzeugt, deren Verlauf und Phasenlage aus Figur 2
ersichtlich ist. Während die Frequenz der Zwischenreferenzspannungen ZR und ZR die
llälfte der Taktfrequenz ftbeträgt, weisen die Rechteckspannungen VM1/VM1/VM2 und
VM2 eine 1/4 so große Frequenz wie die Taktfrequenz ft auf.
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Die Rechteckspannungen VM1 und VI2 werden den aus den Figuren 1b und
1c ersichtlichen Dreieckstrom-Vormagnetisierungsgeneratoren 3 bzw. 4 als Steuerwerte
zugeführt. Die um 90° phasenverschobenen dreieckförmigen Vormagnetisierungsströme
1MV1 bzw. 1MV2 der Sonden 1 und 2 werden derart abgeleitet, daß die Eckpunkte der
Dreieckströme mit den Flanken der Vormagnetisierungsspannungen VM1 bzw. VM2 zusammenfallen.
Aus den induzierten Spannungen UInd.1 bzw. UInd.2 der Sonden 1 bzw. 2 werden durch
diesen nachgeschaltete Impulsbildungsglieder 9 bzw. 10beispielsweise bistabile Komparatoren,
Rechtecksignale PL1 bzw. PL2 (impulslängenmodulierte Signale) gewonnen, die ebenfalls
in Figur 2 dargestellt sind.
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Dic Rechtecksignale PL1 bzw. PL2 werden zusammen mit den Rechteckspannungen
VM1 bzw. VM2 einem Exklusiv-Odergatter 11 bzw. 12 zugeführt, die Spannungsimpulse
pll bzw. pl2 erzeugen. Die Spannungsimpulse pll werden an jeweils einen Eingang
von zwei parallel geschalteten Und-Gattern 13 und 14 gegeben, deren zweite Eingänge
mit den Zwischenreferenzspannungen ZR bzw. ZR gespeist werden. Die Spannungsimpulse
pll werden somit durch die Und-Gatter 13 und 14 auf zwei Anschlüsse verteilt, je
nachdem, ob sie zeitlich mit dem Spannungszustand
0 oder 1 der
Zwischenreferenzspannung ZR zusammenfallen. Fs entstehen resultierende Signale pll+
und pll- , die jeweils einem den UND-Gattern 1> und 14 nachgeschalteten Spannungsstromwandler
15 bzw. 16 zugeführt werden.
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In gleicher Weise wie die resultierenden Signale pll+ und pll- werden
aus den vom Exklusiv-Odergatter 12 gelieferten Spannungsimpulsen p12 mit hilfe von
zwei Und-Gattern 17 und 18 die resultierenden Signale p12+ und pl2-gebildet und
an jeweils einen Spannungs-Stromwandler 19 und 20 abgeführt.
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hierbei ist jedoch unterschiedlich, daß die Signale p12+ aus der Und-Verknüpfung
der Signale p12+ und der antivalenten Hilfsrechteckspannung ZR und die Signale p12-
aus der Und-Verknüpfung von p12+ und der Hilfsrechteckspannung ZR entstehen.
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Jeder Spannungs-Stromwandler 15, 16, 19 oder 20 gibt bei Anstehen
eines L-Signals an seinem Eingang einen gleichen Strom mit Stromgeneratoreigen schaft
ab, jedoch ist der Strom der auf (pl+) -Signale folgenden Spannungs-Stromwandler
positiv, während der Strom der auf (pl-)-Signale folgenden Spannungsstromwandler
negativ ist. Die Ausgangsströme sämtlicher Spannungs-Stromwandler 15, 16, 19 und
20 werden summiert, was z. B. bei einer bestimmten Kursrichtung den in Figur 2 dargestellten
Kurvenverlauf IP1 ergibt.
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Zur Erzielung eines Ausgangssignales mit kursabhängiger Phasenlage
kommt es darauf an, den Kurvenverlauf #Ip1 bezüglich der darin enthaltenen Grundwelle
der Frequenz fVM zu analysieren. Das geschieht, indem die Summe der Ströme in einen
Parallelschwingkreis 21 hoher Betriebsgüte mit der Resonanzfrequenz fVM eingespeist
wird. Die Induktivität und die Kapazität des Schwingkreises sind mit 22 bzw. 23
bezeichnet. Über dem Kreis stellt sich die sinusförmige Spannung Usin (vgl. Fig.
2) ein, deren Phasenlage in Bezug auf die Rechteckspannungen VM1 oder VM2 der Richtung,
in der die Horizontalkomponente des Erdfeldes die Kompaßsonde durchdringt, entspricht,
während die Amplitude dem Betrag dieser Horizontalkomponente proportional ist. Da
nur die Richtung des Magnetfeldes von Interesse ist, wird mit einem übersteuerten
Verstärker 24 bzw. einem Komparator die Spannung Usin in eine Rechteckspannung Uk
umgewandelt, deren Flanken mit den Nulldurchgängen der sinusförmigen Spannung zusammenfallen.
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Im Interesse der Meßgenauigkeit müssen die Vormagnetisierungsströme
IVMl bzw.
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IVM2 der Sonden 1 und 2 wie folgt beschaffen sein:
1.
die Amplitude ist so zu wählen, daß bei maximalem Erdfeld die Flanken der Rechteclisi.gnale
pll bzw. p12 um höchstens 200 gegenüber Ihrer Position beim Fcld Null verschoben
werden.
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2. Beim Feld Null müssen die Rechtecksignale p11 bzw. p12 bezüglich
der Lage ihrer Flanken so gut wie möglich mit der um 90° phasenverschobenen Vormagnetisierungsspannung
VM1/VM1/VM2 bzw. VM2 übereinstimmen.
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Um das zu erreichen, wird der Vormagnetisierungsstrom IVM1 bzw. IVM2
mit einem Vorhalt@@teil versehen, der seine Nulldurchgänge verfrüht.
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Der Vormagnetisierungsstrom IVM1 bzw. IVM2 jedes Magnetstromes 1
bzw.
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2 kann gegenüber seiner herkömmlichen Kurvenform derart abgewandelt
sein, daß er sich nach jedem Eckpunkt zunächst mit erhöhter Steilheit ändert, um
anschließend nach ihrer kurzen Zeit stets in einen linearen Verlauf bis zum nächsten
Eckpunkt über-zugehen.
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Es ist zweckmäßig, die Sonden kardanisch aufzuhängen.
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Die Phasenverschiebung der Rechteckspannung Uk gegenüber einer Bezugsrechteckspannung,
vorzugsweise VM1/VM1/VM2 oder VM2, entspricht der Richtung, in der die Horizontalkomponente
des Erdmagnetfelde die Kompaßsonde durch dringt. Wird die Kompaßsonde um 360° im
Erdfeld gedreht, so werden auch 360° der elektrischen Phasenverschiebung der Rechteckspannung
Uk durchlaufen.
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Eine digitale Kursinformation wird gewonnen durch periodisch wiederholtes
Auszählen der Zeit zwischen zwei bestimmten Flanken der beiden phasenverschobenen
Rechteckspannungen mit einer Zähl frequenz, die ein definiertes Vielfaches der Frequenz
der Rechteckspannung beträgt. Anschließend erfolgt ein Übertragen der Zählergebnisse
in ein Register. Eine analoge Kursanzeige kann mit einem Drehmelder erfolgen. Ilierzu
ist eine Sinusformung der Rechteckspannung Uk, der Bezugs-Rechteckspannung und einer
gegen letztere um 900 phasenverschobenen Rechteckschwingung erforderlich. Der Ständer
des Drehmelders wird mit den um 90° phasenverschobenen Sinusspannungen, der Läufer
mit der aus der Rechteckspannung Uk abgeleiteten Sinusspannung beschickt.
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Wenn der Kurs - wie in dem Vorhergehenden beschrieben - digital dargestellt
ist, dann braucht die Impulsfolge ft nicht unmittelbar erzeugt zu werden, sondern
sie kann durch Frequenzteilung mittels eines Ringzählers aus aus einem Vielfachen
der
Impulsfolge ft entstehen. ier wird dann die vielfache Frequenz zum Auszählen des
digitalen Kurswertes benutzt.
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Die bisher beschriebene Ausführung des Erfindungsgegenstandes mit
zwei gekreuzt angeordneten Sonden 1 und 2 dürfte allen in der Navigation zu stellenden
Genauigkeitsanforderungen genügen. Der Erfindungsgegenstand kann auch mit 3 oder
noch mehr Sonden realisiert werden. Bei n Sonden ist der Winkelversatz zwischen
den Sonden gleich 80 zu wählen. Genauso ist der Phasenversatz der n Vormagnetisierungsströme
zu wählen. Die Rechteckspannung, mit der die Rechtecksignale pll bzw. p12 verkniipft
werden, muß gegen die jeweilige Rechteckspannung VM1 bzw. VM2 um 90° phasenverschoben
sein. Auch die Zwischenfrequenzspannung ZR muß für jede Sonde individuell gebildet
werden. Sie muß die doppelte Frequenz der Rechteckspannung VM1 bzw. VM2 besitzen
und jede zweite Flanke muß zeitgleicli mit dieser sein. Fs sind auch n positive
und n negative Spannungs-Stromwandler erforderlich, deren Ausgangsströme summiert
und in den Schwingkreis gegeben werden.
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Es können auch durchgehend Spannungs-Stromwandler mit gleicher Stromrichtung
verwendet werden, wenn die Ströme der verschiedenen Wandler in Teilwicklungen des
Schwingkreises mit entgegengesetztem Wicklungssinn eingespeist werden.
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Anstelle des in Figur 2 unter #Ip1 dargestellten Stromverlaufs kann
die Anregung des Schwingkreises auch durch eine steife Spannung gleichen Verlaufs
erfolgen. Diese Spannung wird dann auf einen Reihenschwingkreis gegeben, über dessen
Kapazität sich die Spannung Usin einstellt.
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Im Interesse der Meßgenauigkeit muß die Spannung Usin SO sinusförmig
wie möglich sein. hierzu kann der Schwingkreis mit einem aktiven Verstärkerelement
bis dicht an die Schwinggrenze entdämpft werden. In gleichem Maße ist dann die Stärke
der Anregung (#Ip1) zu reduzieren.
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Die Sinusformung des Verlaufs 1 1 kann mit einem heliebigen Sinusschwinger
Pl erfolgen, wenn die Anregung in die passende Fnergieform umgesetzt wird und die
Nulldurchgänge der Schwingamplitude in geeigneter Weise elektrisch erkannt werden.
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Bei der in Figur 3 dargestellten Konzeption des elektronischen Magnetkompasses
ist
die Kompaßsonde 25 über ein elektrisches Kabel 26 mit einem Anzeigegerbt 27 elektrisch
leitend verbunden. Die Kompaßsonde 25 enthält zwei oder mehrere Elnzelsonden, die
zeichnerisch nicht dargestellt und in zueinander parallelen Ebenen mit einem Winkelversatz
von Sonde zu Sonde gleich 1800 dividiert durch die Anzahl der verwendeten Sonden
angeordnet sind. In der Kompaßsonde 25 können die Teilschaltungsanordnungen aus
den Figuren 1a bis id angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, die Teilschaltungsanordnungen
in dem Atlswertegerät 27 anzuordnen und ein elektrisches Zusammenwirken der Teilschaltungsanordnungen
mit den Sonden über zusätzliche elektrische Leitungen im elektrischen Kabel 26 sicherzustellen.
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Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, können dem Anzeigegerät 27 digitale
und analoge Anzeigen für den Sollkurs, die Kursabweichung, die Drehgeschwindigkeit,
die Ruderlage, die Mißweisung, den rechtweisendegurs, dem rechtweisenden Kurs und
den Kompaßkurs entnommen werden. Auch können dem Anzeigegerät über eine angedeutete
elektrische Leitung 28 elektronische Meßwerte für einen nachgeschalteten Kursregelungsautomaten
oder über elektrische Leitungen 30 für Geräte 31 entnommen werden1 die eine Tochteranzeige
von einer oder mehreren der obigen Anzeigen ermöglichen.
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Aufgrund der beim elektronischen Nagnetkompaß verwendeten elektronischen
Technik ist es vorteilhaft, mit elektronischen Mitteln die Fehlweisung zu korrigieren
und den rechtweisenden Kurs anzuzeigen. Hierzu ist im Anzeigegerät 27 die am Anbringungsort
der Kompaßsonde 25 gültige Ablenkungstabelle z. n. des Schiffes gespeichert, vorzugsweise
in einem PROM. Die Kompaßsonde 25 mißt zunächst den Kompaßkurs. Die zu diesem Kompaßkurs
gehörende Ablenkung wird dem Speicher entnommen und hinzuaddiert, womit nun der
mißweisende Kurs ermittelt ist. Die am jeweiligen geografischen Ort vorhandene Mißweisung
wird an einem Ziffernschalter des Anzeigegerätes eingestellt und im Gerät fortwährend
zum mißweisenden Kurs hinzuaddiert, was den rechtweisenden Kurs ergibt.
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An einem weiteren Ziffernschalter des Anzeigegerätes kann der vom
Rudergänger einzuhaltende Sollkurs eingestellt werden. Danach wird im Anzeigegerät
27 fortwährend die Soll-Ist-Abweichung des Kurses errechnet und mit einem Zeigerinstrument
angezeigt. Weitere Hilfen für den Rudergänger sind die Anzeige der Drehgeschwindigkeit
und der Ruderlage, letztere ist eine Fremdinformation, die aber zweckmäßigerweise
in das Anzeigegerät 27 zu integrieren ist.