DE2834817C2 - Elektronischer Magnetkompaß mit gekreuzten Magnetkernen, in denen dem zu bestimmenden Gleichfeld Wechselfelder überlagert werden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetkompaß der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Ein solcher Magnetkompaß ist aus »Technisches Messen atm«, 1977, Heft 10, Seite 348, bekannt. Diese von Dr. Grisard, Trappenkamp, entwickelte Konstruktion geht von der Erkenntnis aus, daß ein rotierendes Wechselfeld nach Überlagerung mit einem Gleichfeld bestimmter Richtung ein resümierendes rotierendes Wechselfeld ergibt, desseir Betrag gegenüber einer festen Komponente des rotierenden "eldes um den Winkel des Gleichfeldes phasenverschoben ist. Hieraus ergibt sich eine Möglichkeit, die Richtung des Gleichfeldes auf relativ einfache Weise durch elektronische Phasenbestimmung anzuzeigen.

Wenn H\ der Betrag des rotierenden Feldes mit der Frequenz ω ist und H der Betrag des Gleichfeldes mit der Richtung φ, so ergibt sich nach Zerlegung der jeweiligen Feldvektoren in rechtwinklige Koordinaten der Betrag des durch Addition resultierenden Feldes zu:

(H\ sin Mt+Hsm φ)²+ (H₁ cos ωΙ + Hcos φ)²
Daraus ergibt sich durch Umformung:

cos ωΐ+ Η los φ)²

Ersichtlich ist also der Beirag des resultierenden Feldes ein Wechselsignal mit der Frequenz ω, das gegenüber der entsprechenden rechlwinkl'gen Komponente des rotierenden Feldes um den Winkel φ phasenverschoben ist.

Dieses Signal wird als Ausgangsspannung der eingangs genannten bekannten Konstruktion erzeugt. Dazu sind zunächst zwei zueinander unter 90° in der Bestimmungsebene angeordnete Kerne vorgesehen, die mit ihrer Vorzugsrichtung die rechtwinkligen Koordinaten der Vektorzerlegung vorgeben. Die Kerne sind mit Spulen versehen, mit denen die jeweiligen Komponenten des rotierenden Feldes erzeugt werden. Die addierten Felder in den Kernen sind somit:

H\ sin «if+A/sin r/>

bzw.
H\ cos 0)1+ Hcos φ

H,

Durch Vergleich mit der Komponente H₁ cosoii des rotierenden Feldes kann der Phasendifferenzwinkel φ 3. B. in einem Phasenvergleicher ermittelt werden.

Dieser Magnetkompaß kann zur Richtungsbestimmung beliebiger Magnetgleichfelder insbesondere des magnetischen Erdfeldes für Navigationszwecüe, Lagebestimmungen u. dgl. eingesetzt werden und bringt mehrere erhebliche Vorteile mit sich.

So kommt er zum einen ohne bewegliche Teile aus und ist daher aufgrund seiner Erschütterungsunempfindlichkeit für bewegte Instrumententräger, wie Schiffe, Bojen, Flugkörper u.dgl. hervorragend geeignet. Zum anderen bietet er den Vorteil, daß das elektronisch erzeugte Phasendifferenzsignal auf äußerst einfache Weise elektronischen Steuer- oder Registriereinrichtungen insbesondere auch über längere Übertragungsstrecken zugeführt werden kann. Ein grundsätzlicher Vorteil liegt ferner darin, daß die zyklische Größe der anzuzeigenden Richtung rein zyklisch weiterverarbeitet wird, so daß sich keine Sprungstellenfehler ergeben.

Bei dem Magnetkompaß kann als Wechselfeld ein beliebiges Wechselfeld symmetrischer Kurvenform verwendet werden. Aus Gründen der Einfachheit und der durchgehenden Verwendung digitaler Schaltungen wird in cJsr Regel ein Rechteckwechselfeld verwendet. Die Amplitude des Wechselfcldes ist dadurch beschränkt, daß die oben angegebene ^rnrme\ für U erfüllt sein muß. Dazu müssen alle Bauteile mit Ausnahme der Feldplatten sich linear verhalten, was insbesondere hinsichtlich der Magnetisierungskurve des Kernmaterials nur für kleine Amplituden des Wechselfeldes gilt. Steigt die Amplitude bis in die Sättigung an, so ergeben sich unübersichtliche Zusatzglieder, die elektronisch nur schwer zu beherrschen sind.

Als nachteilig hat sich bei der bekannten Konstruktion herausgestellt, daß die Kennlinie U/<p nicht streng linear ist, sondern slets eine chrakteristischc Deformation zeigt. Diese Abweichung von der idealen linearen Kennlinie ist überdies nicht konstant und von der Vorgeschichte des Gerätes abhängig. Umfangreiche Forschungsarbeiten zur Beseitigung dieses Fehlers sind bisher erfolglos geblieben. Diese Abweichung der Kennlinie hat zur Konsequenz, daß Kompasse dieser Art zur Erreichung höherer Genauigkeit mit geeichter Kennlinie betrieben werden müssen. Da die Kennlinie nicht zeitlich konstant ist, muß laufend nachgeeicht werden. Dies führt zu einer wesentlichen Beeinträchtigung der Einsatzmöglichkeit.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Magnetkompaß der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine zeitlich konstante lineare Kennlinie aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteilcs des Anspruches I gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Abweichung der Kompaßkennlinie durch die Remanenz des Kernmaterials bewirkt wird. Die störende Wirkung der Remanenz beruht darauf, daß diese ein Störgleichfeld erzeugt, das sich dem zu bestimmenden Gleichfeld verfälschend überlagert Da die Kerne aus den bereits erwähnten Gründen bei de.ⁿ. bekannten Kompassen nur mit kleinen Signalen ausgesteuert werden, bleibt die Kernremanenz in ihrem zufälligen Wert bei den Messungen unverändert Die Remanenz ändert sich jedoch zufällig durch Alterung, Erschütterung u. dgl, was zu ständigem Nacheichen zwingt. Durch die erfindungsgemäße Sättigungsaussteuerung der Kerne in jeder Halbwelle des Wechselfeldes werden die Kerne aber wechselnd vollständig umgeklappt, so daß nunmehr die zu Beginn der Messung vorhandene zufällige Remanenz keinen Einfluß mehr hai. Dabei führt aber das übliche Rechteckwechselfeld unter entsprechender Amplitudenvergrößerung nicht zum Ziel, da bei einem solchen Signal der Ausgangswert U ständig im nichtlinearen Teil der Kernaussteuerungskurve liegen würde. Vielmehr wird erfindungsgemäß ein Signal spezieller Kurvenform verwendet, das zwar wenigstens kurzzeitig den Kern bis in die Sättigung aussteuert, in längeren Teilen der jeweiligen Halbwelle aber Feldstärken unterhalb der Sättigung erzeugt, also in einem Bereich, in dem die obige Formel erfüllt ist und somit die korrekte Ausgangsspannung erzeugt wird.

Das erfindungsgemäß verwendete Wechselfeld kann mit Ausnahme eines reinen Rechtecks von beliebiger Jo Kurvenform sein, sofern die erfindungsgemäßen Bedingungen erfüllt sind. Es kann also z. B. ein Sinus oder ein mit seinem Dach unterhalb der Sättigung liegender Rechteck mit überlagertem, kurzzeitig in die Sättigung aussteuerndem Impuls verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist die gemäß Anspruch 2 verwendete Dreieckform, die sich dadurch auszeichnet, daß sie in Stromsteuerschaltungen, wie sie zur Steuerung des Magnetisierungsstromes für die Kerne benötigt werden, besonders einfach erzeugbar ist. Auch dreieckähnliche -i» Signale n.it z. B. leicht verrundeten Spitzen sind hervorragend geeignet.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt gemäß Linie 1-1 in Fig. 2 durch π den Sensorkopfeines Magnetkompasses,

F i g. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 in Fig. I,

Fig. 3 das Blockschaltbild des elektronischen Teiles des Magnetkompasses und

Fig. 4a —h verschiedene Kurvendarstellungen zur ~,o Erläuterung der erfindui.gsgemäß verwendeten Wellenformen.

Wie aus, F i g. I ersichtlich, besteht der Sensorkopf des Kompasses aus einem Kunststoffvergußkörper I, der auf einem Tragrohr 2 befestigt ist. Der Sensorkopf ist r, mittels des geeignet montierten Tragrohres 2 am Meßort angcordnel.

In dem Vergußkörper 1 sind zwei Magnetkernanordnungen 3 und 4 eingegossen, die in ihrem Aufbau identisch sind. Daher wird im folgenden nur die w> Anordnung 3 näher beschrieben. Sie besitzt zwei Kerne 5, die koaxial hintereinander angeordnet sind und zwischen sich einen Spalt 6 ausbilden. Die Kerne bestehen vorzugsweise aus einem Ferritmaterial, das für hochfrequente MeGzwecke geeignet ist. Die Kerne sind μ von Spulen 7 umgeben, die gleichsinnig in Reihe geschaltet sind. Im Spalt 6 ist eine Feldplatte 8 angeordnet. Mit FelmJaUen werden üblicherweise Magnetfeldmeßwandler bezeichnet, die einen magnetfeldabhängigen Widersland aufweisen, der sich mit der durchdringenden Feldstärke quadratisch ändert

Die beiden Magnetkernanordnungen 3 und 4 sind parallel zu einer Bestimmungsebene in dieser Ebene rechtwinklig zueinander angeordnet und legen somit in dieser Bestimmungsebene ein rechtwinkliges Koordinatensystem fest

Die elektrischen Komponenten des Sensorkopfes, also die Spulen 7 und die Feldplatten 8 sind über im Tragrohr 2 verlegte Kabel an die in F i g. 3 dargestellte elektronische Schaltung angeschlossen. In F i g. 3 sind auch die Magnetkernanordnungen 3 und 4 in ihrer zueinander rechtwinkligen Lage schematisch dargestellt

Wie aus F i g. 3 ersichtlich, werden die beiden Spulen 7 von Stromgeneratoren 10 getrieben, die wiederum von einem Signalgenerator 11 angesteuert werden. Dieser liefert an seinen beiden Ausgängen, die in der Zeichnung der Einfachheit halber mit sin und cos bezeichnet sind, identische Wech Jspannungssignale symmetrischer Kurvenform, die in ihrer Grundwelle um 90° phasenverschoben sind. Bei einem Sinussignal liefern die beiden Ausgänge also ein Sinus- und ein Cosinussignal. In den zueinander senkrecht stehenden MagnfUkernanordnungen 3 und 4 werden folglich Magnetwechselfelder erzeugt, die die rechtwinkligen Komponenten eines rotierenden Magnetfeldes bilden.

In den Kernen 5 und somit auch in deren Spalt 6 überlagern sich die erzeugten Magnet^echselfelder mit den in den Kernen vorliegenden rechtwinkligen Komponenten des am Ort des Sensorkopfes herrschenden, mit dem Kompaß zu bestimmenden Gleichfeldes. Jede Feldplatte 8 wird folglich von einem resultierenden Magnetfeld durchströmt, das sich als Summe der jeweiligen Gleichfeld- und Wechselfeldkomponente ergibt.

Die Feldplatten sind, wie F i g. 3 zeigt, in Serie geschaltet und werden, wie die Figur zei^t, mit Gleichstrom beaufschlagt, so daß an ihnen jeweils eine Wechselspannung auftritt, die proportional zum Quadrat des durchströmenden Magnetfeldes ist. Aufgrund der Serienschaltung der beiden Feldplatten tritt somit zwischen den Punkten 12 und 13 eine Wechselspannung auf, die der Summe der Quadrate der die einzelnen Feldplatten durchströmenden Magnetleider proportional ist. Diese Spannung U, die der einleitend genannten Formel

U=a(H\ sin ωΐ+ /-/sin φ)² + (Η\ cos ωί+ f/cos φ)²
entspricht und gemäß der Umformung

υ=αΗ,2+Η2 + 2Η_ι Hcos(£0/-g>)

eine Wechselspannung der Phasenlage cos(ojf-qp) enthält, gelangt an die Eingänge eines Differenzverstärkers 14 und wird von diesem einem Resonan;»verstärker 15 zugeführt. Der Resonanzverstärker hat die Aufgabe, alle Frequenzen außerhalb seiner Resonanzstelle zu unterdrücken. Der Resonanzverstärker ist auf die Grundfrequenz ω der im Signalgenerator 11 erzeugten Wechselspannung abgestimmt, so daß an seinem Ausgang ein von Oberwellen befreites Signal vorliegt. Der Ausgang des Resonators 15 ist an einen Eingang eines Phasendetektors 16 angeschlossen, an dessen anderem Ausgang das Signal coscof des Signalgenerators 11 anliegt.

Die in dem Phasendetektor 16 ermittelte Phasendifferenz entSDricht eemäß den einleitend eemachten

Ausführungen dem Richtungswinkel φ des zu ermittelnden Gleichfeldes. Das diesem im Phasendetektor 16 ermittelten Winkel entsprechende Ausgangssignal des Detektors wird über nicht dargestellte weitere Schaltungsmittel zur Anzeige gebracht bzw. einer Weiterverarbeitungsschaltung zugeführt.

In Fig. 4a ist die Kennlinie einer Feldplatte dargestellt. Es ist daraus ersichtlich, daß die Feldplatte eine Ausgangsspannung U ergibt, die proportional zum Quadrat der die Feldplatte durchströmenden Feldstärke Wist. In Fig.4b ist die stark idealisierte Abhängigkeit der im Kern 5 erzeugten Feldstärke H von dem die Spule 7 durchfließenden Strom /dargestellt. Aus dieser Abbildung ist insbesondere das Sättigungsverhalten des Kernmaterials ersichtlich. F i g. 4c zeigt die aus den Abhängigkeiten gemäß den Fig. 4a und b sich ergebende Abhängigkeit der Ausgangsspannung LJ einer Feldplatte von dem die Spule durchströmenden Strom i. Der die Spulen 7 durchströmende Strom /folgt bei entsprechender Ausbildung der Stromgeneratoren iO Gierig eiern Steuersignal an dem jeweiligen Ausgang des Signalgenerators 11.

Bei den bekannten elektronischen Magnetkompassen der geschilderten Art werden Steuersignale erzeugt, die Stromamplituden unterhalb der zur Sättigungsaussteuerung des Magnetkernmaterials erforderlichen Amplitude ergeben.

Üblicherweise wird aus Gründen der elektronischen ■Schaltungsvercinfachung mit Rechteckimpulsen gemäß Fig. 4d gearbeitet. Dort ist die zeitliche Abhängigkeit des Stromes /dargestellt. Der Vergleich mit F i g. 4c zeigt, daß die Kernaussteuerung in einem derart niedrigen Bereich erfolgt, daß die Übertragung Uli nur durch die quadratische Kennlinie der "Feldplatte (F ig. 4a) bestimmt ist.

Hriindungsgemäß sollen die Rernanenzfehler der Kerne durch wechselnde Sättigungsaussteuening mit jeder Halbwelle des Wechselfeldes beseitigt werden. Der einfachste Weg. Rechtecksignale gemäß F i g. 4d in ihrer Amplitude zu vergrößern (Fig.4e), ist nicht gangbar. Der nutzbare Bereich der Übertragungskurve Uli, der in Fig.4c zwischen den gestrichelten Begrenzungslinien liegt, wird bei einem Signal gemäß Fig.4e an steilen Impulsflanken schnell durchfahren, während die Impulsdächer im Sättigungsbereich (schraffiert) liegen, also außerhalb des quadratischen

ίο Teils der Kurve gemäß Fig.4c. Außerhalb des nutzbaren Bereiches der Kurve 4c erfolgt nicht mehr die erforderliche Quadrierung des im Kern herrschenden Feldes, so daß die zuvor erwähnte Formel nicht mehr gilt.

Γι Erfindungsgemäß werden Signalformen gemäß den F i g. 4f — h verwendet. Wie diese Figuren zeigen, wird in jeder Halbwelle die Kernsättigung (schraffiert) zumindest kurzzeitig erreicht, !n den dazwischenliegenden Kurventeilen liegt das Signal über lungere Zeil

2π innerhalb des nutzbaren Bereiches in der Übertragungskurve gemäU H ι g. 4c. so dall der Kompaß ordnungsgemäß arbeiten kann.

Die Dreiecksignalform gemäß Fig. 4f ist für die vorliegenden Zwecke besonders geeignet, da sie in den

r> Dreieckspitzen nur kurzzeitig die Kernsättigung (schraffiert) bewirkt, in den dazwischenliegenden Abschnitten aber relativ lange im nutzbaren Übertragungsbereich bleibt. Ein Dreiecksignal eignet sich außerdem gut zur Ansteuerung von Stromschaltungen

jii wie dt.- Stromgeneratoren 10 gemäß F i g. J. Ebenso sind dreieckähnliche Signale mit z. B. abgerundeter Spitze geeignet.

Es ist jedoch auch ein Sinus gemäß F i g. 4g verwendbar oder ein aus Rechtecksignalen zusammen-

ij gesetztes Stufensignal gemäß Fig. 4h mit einer längeren Stufe niedriger Amplitude und einer kurzen Stufe hoher, den Kern sättigender Amplitude.

Hierzu 3 Blatt Zeichnuneen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   1, Elektronischer Magnetkompaß mit zwei in der Bestimmungsebene unter 90° angeordneten Kernen, in denen das in seiner Richtung zu bestimmende Gleichfeld mit gegeneinander um 90° phasenverschobenen identischen und symmetrischen Wechselfeldern überlagert wird, wobei sich die Richtung des Gleichfeldes als Phasendifferenz zwischen einem der Wechselfelder und einer Ausgangsspannung ergibt, die über zwei in Spalten der Kerne angeordneten, elektrisch in Reihe geschalteten magnetfeldabhängigen Widerständen mit quadratischer Kennlinie (Feldplatten) abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselfelder eine Halbwellenform mit wenigstens einem kurzen Teil einer das Kernmaterial sättigenden Amplitude und längeren Teilen geringerer, nicht sättigender Amplitude aufweisen (F i g. 4g, h).
2. 2. Kompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dcß die Wechselfelder Dreieckform aufweisen (Fig. 4f).

   In den Kernen sind Schlitze vorgesehen, in denen je eine Feldplatte angeordnet ist, die aufgrund ihrer quadratischen Kennlinie ein Ausgangssignal erzeugen, das dem Quadrat der im Kern herrschenden Feldstärke entspricht Die Feldplatten sind in Serie geschaltet, so daß über dieser Serienschaltung eine Ausgangsspannung U auftritt, die mit einem konstanten Faktor a der folgenden Formel entspricht:

   U=a(H\ sin mt+ H sin
   bzw. nach Umformung