DE3030176A1

DE3030176A1 - Einrichtung zum messen von komponenten des erdmagnetfeldes

Info

Publication number: DE3030176A1
Application number: DE19803030176
Authority: DE
Inventors: Seymour Levine; Michael Francis Lynch
Original assignee: Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1979-08-10
Filing date: 1980-08-08
Publication date: 1981-02-26
Also published as: GB2056686B; US4262427A; FR2463418B1; GB2056686A; FR2463418A1

Description

Patentanwälte Di ρ I.-1 ng. CurrWaTläbR

Dipl.-Ing. Günther Koch

_- Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

~ "* " Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 8. August I98O

Unser Zeichen: l6 971 - Pk/Nu

Anmelder: Sperry Corporation

New York, N.Y. / USA

Titel: Einrichtung zum Messen von

Komponenten des Erdmagnetfeldes

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen von Komponenten des Erdmagnetfeldes und insbesondere auf das Magnetfeld messende Kompasse, die magnetische Azimut- oder Magnetfeldsonden-Abgriffe verwenden, bei denen die gemessenen zueinander senkrechten Komponenten des Erdmagnetfeldes durch die in geschlossener Schleife erfolgende Rückführung von Null-Eückführungsströmen in jeweilige Paare von Magnetfeldsonden-Meßwicklungen zu Null gemacht werden.

Ein bekannter, auf das Erdmagnetfeld ansprechender Magnetfeldsonden-Kursabgriff ist eine Anordnung, die einen geschichteten Y-förmigen Kern, dessen Schenkel unter gleichen Winkelabständen angeordnet sind, und eine damit zusammenwirkende Erregungswicklung und Meßwicklungen aufweist, die jeden der drei Schenkel des Kerns umgeben und mit diesem gekoppelt sind. Eine derartige Anordnung ist ausführlich in der technischen Literatur beschrieben, beispielsweise auch in der britischen Patentschrift 638 972 und der DE-OS 1 233 153- Derartige Magnetfeldsonden sind normalerweise so befestigt, daß die Ebene des Kerns horizontal angeordnet ist, so daß sie das horizontale Gesamt-Erdmagnetfeld messen, wenn sie in geeigneter Weise gegen Fehlereffekte kompensiert sind, die durch Streumagnetfelder der Struktur des Fahrzeuges hervorgerufen werden, in dem die Magnetfeldsonde befestigt ist. Derartige Magnetfeldsonden sind direkt zur Verwendung in in offener Schleife betriebenen Dreidraht-Selsyn-Datenübertragungssystemen geeignet, entweder zur Nachführung eines Kurskreises oder zur Lieferung einer direkten

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Analogdarstellung oder -anzeige des Winkels der Fahrzeuglängsachse gegenüber der magnetischen Nordrichtung an einer Empfangseinrichtung. Derartige in offener Schleife betriebene Systeme weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. Beispielsweise ist das Ausgangssignal der Y-förmigen Magnetfeldsonde reich an Harmonischen, so daS eine genaue Demodulation schwierig ist, insbesondere bei niedrigen Signalpegeln. Schwingungen des Fahrzeugs rufen ebenfalls Magnetfeldsonden-Störausgangssignale hervor. Eine Umwandlung der Wechselströme von der Magnetfeldsonde in einseitig gerichtete Sinus- und Cosinussignale mit ausreichender Genauigkeit, wie sie in vielen Fällen für Navigationsausrüstungen erforderlich ist, ist schwierig.

Daher wurden in geschlossener Schleife betriebene Kompaßsysteme entwickelt, um einige der vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten zu beseitigen. Derartige Kompaßsysteme sind beispielsweise in den deutschen Offenlegungsschriften 1 964 569 und 2 554 190 beschrieben. Bei diesen bekannten Systemen wird das Ausgangssignal der dreischenkligen Magnetfeldsonde in Gleichstromsignale umgewandelt, die die Komponenten des gemessenen Erdfeldvektors darstellen. Diese Ströme liefern die Nutζ-Kompaßausgangssignale und werden außerdem in einer derartigen Richtung an die Schenkel der Magnetfeldsonde zurückgespeist, daß der Erdmagnetfeldvektor im wesentlichen zu Null gemacht wird. Daher arbeitet der Kompaß in einem Null-Zustand in einer geschlossenen Schleife, wodurch sich eine verbesserte Kursgenauigkeit ergibt, wie dies insbesondere in der DE-OS 1 964 569 beschrieben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wenig

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aufwendige Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine verbesserte Linearität und eine höhere Genauigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung vereinigt die Vorteile des Servobetriebs mit einer verbesserten Linearität um einen Fehlerausgleichszustand herum und ermöglicht die Schaffung eines wenig aufwendigen kompakten Kompaßsystems, das mit einer miniaturisierten Magnetfeldsonde mit einer ebenen kreisringförmigen Form zusammenwirkt. Die verwendete Magnetfeldsonde kann mit zwei zusammenwirkenden Paaren von Abgriffwicklungen versehen sein, so daß das Erdmagnetfeld ohne weiteres in die Komponenten parallel und senkrecht zur Magnetfeldsonden-Kursbezugsachse aufgelöst werden kann, wobei die beiden Sätze von Abgriff wicklungen orthogonal und diametral auf dem kreisringförmigen Magnetfeldsondenkern angeordnet sind. Die Uicklungsanordnung ermöglicht eine automatische Aufhebung von Vorspanneffekten, bei deren Vorhandensein unerwünschte Ein- und Zweiperioden-Fehler erzeugt wurden. Sowohl die parallelen als auch die hierzu senkrechten Komponenten des Erdmagnetfeldes werden in der gleichen Magnetfeldsonde gemessen und werden auf Zeitteilungsbasis in dem gleichen Kompaßkanal bearbeitet, so daß Zweikanal-Verstärkungsfehler beseitigt sind. Weiterhin werden die parallelen und senkrechten Komponenten des Erdmagnet-

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feldes ohne mechanische Bewegung oder Drehung der Magnetfeldsonde ermittelt, so daß "bei vergrößerter Zuverlässigkeit die Größe, die Kosten und der Leistungsbedarf verringert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Zweikomponenten-Magnetfeldsonden-Meßfühlers ,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Kompaß-Signalverarbeitungssystems, das mit einem der beiden Paare von Meßfühlerwicklungen der Magnetfeldsonde nach Fig. 1 zusammenwirkt, wobei die elektrischen Bauteile und ihre Verbindungen miteinander gezeigt sind,

Fig. 3 ein Schaltbild, das eine Anwendung der Einrichtung in einem Zeitteilungs-System zur Messung der orthogonalen Komponenten des Erdmagnetfeldes und zur Berechnung genauer magnetischer Steuerkursdaten zeigt, wobei bestimmte Fehler aufgrund der Eigenart des Systems bei dem Rechenvorgang beseitigt werden.

Die miniaturisierte Magnetfeldsonde, die in dem

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Kompaßsystem verwendet wird, verwendet im Gegensatz zu der Magnetfeldsonde mit einem X-förmigen Kern einen kreisringförmigen Aufbau gemäß Fig. 1. Der Kern 1 der Magnetfeldsonde 15 bestellt aus einer einzigen dünnen, mit einer Öffnung versehenen Scheibe, die aus einer eine hohe Permeabilität und eine geringe Hysterese aufweisenden Eisen-Nickel-Legierung hergestellt ist, beispielsweise aus der Legierung, die von der Firma Magnetics, Inc., in Butler, Pennsylvania, USA, unter dem Warenzeichen Supermalloy vertrieben wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist der Kern 1 einen Außendurchmesser von ungefähr 74- mm und einen Innendurchmesser von ungefähr 69 mm sowie eine Stärke von ungefähr 4- mm auf. Eine innere Erregungswicklung 2 mit beispielsweise 700 Windungen und Anschlüssen 3 ist kontinuierlich um den Kern 1 herumgewickelt. Ein Schutz- oder Isolierband oder ein anderes Material kann in der bei 8 gezeigten Weise verwendet werden, um die eine Vielzahl von Windungen aufweisende Erregungswicklung 2 abzudecken. Der Kern 1 wird vorzugsweise dadurch gespeist, daß ein Wechselstrom durch die Wicklung 2 derart geleitet wird, daß der Kern 1 pro Periode zweimal magnetisch gesättigt wird. Bezüglich der durch den Pfeil 9 angedeuteten Bezugsrichtung sind zwei zusammenwirkende gleiche rechtwinklige Abgriffwicklungen 5, 7 in zueinander diametraler Beziehung unter rechten Winkeln zum Kern 1 und in der Ebene des Pfeils 9 angeordnet. Ein zweites Paar von zusammenwirkenden Abgriffwicklungen 4, ist senkrecht zu dem Kern 1 und zur Bezugsrichtung des Pfeils 9 angeordnet. Die Wicklungen 4, 6 sind ebenso wie die Wicklungen 5, 7 gleich und weisen alle die gleiche Anzahl von Windungen (beispielsweise 100) auf. Entsprechend sind die in den Wicklungen M- und 6 durch einen sich

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periodisch ändernden Erregungsfluß, der durch die Erregungswicklung 2 erzeugt wird, induzierten Spannungen "bei Fehlen des Erdmagnetfeldes oder eines anderen Magnetfeldes in ihrer Größe gleich. Die Wicklungen 4 und 6 sind in der in Fig. 1 gezeigten Weise entgegengesetzt in Serie geschaltet, so daß die resultierende Spannung zwischen der gemeinsamen Leitung 12 und der 90°-Ausgangsleitung 10 bei Fehlen aller äußeren Magnetfelder, wie beispielsweise des Erdmagnetfeldes, gleich Null ist. In allgemein gleicher Weise sind die Wicklungen 5 und 7 ebenfalls entgegengesetzt in Serie geschaltet, so daß die resultierende Spannung zwischen der gemeinsamen Leitung 12 und der O°-Ausgangsleitung 11 ebenfalls bei Fehlen eines äußeren Magnetfeldes gleich Null ist.

Wenn ein einseitig gerichtetes Magnetfeld mit einer Komponente in Richtung der Bezugsrichtung 9 vorhanden ist, weisen Differenzspannungen, die in den Wicklungen 4, 6 erzeugt werden, eine Frequenz auf, die gleich der doppelten Frequenz des Erregungsflusses ist, und sie weisen eine Phase auf, die der Richtung des angelegten Feldes entlang der Richtung des Pfeiles 9 entspricht. Dies heißt mit anderen Worten, daß die in Serie geschalteten Wicklungen 4, 6 eine Spannung an den Anschlüssen 10, 12 erzeugen, die sich in ihrer Amplitude sinusförmig als Funktion des Winkels zwischen der Richtung des anliegenden einseitig gerichteten Magnetfeldes und der Ausrichtung der Ebene der Wicklungen 4, 6 ändert. Das Ausgangssignal an den Leitungen 11, 12 der zusammenwirkenden Wicklungen 5, 7 ist ähnlich, jedoch gegenüber dem O°-Ausgangssignal der Wicklungen 5, 7 um 90 verschoben. Es ist gut bekannt, daß Magnetfeldsonden der in Fig. 1 gezeigten Art

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Vorteile bieten, weil sie nicht in unerwünschter Weise zufällig magnetisiert werden und sehr dünn sind, wie dies allgemein in der britischen Patentschrift 621 486 beschrieben ist.

Das von der Wicklung 2 erzeugte Erregungsfeld treibt den Kern 1 einmal pro Periode des Erregungsstromes sicher in die positive und dann in die negative Sättigung. Wenn das einseitig gerichtete Erdmagnetfeld vorhanden ist, so wird sich dieses Feld zu dem Feld aufgrund der wechselnden Erregung hinzufügen, so daß der Kern 1 entsprechend der Polarität des Erdmagnetfeldes früher oder später in die Sättigung gelangt, als dies bei Fehlen des Erdmagnetfeldes der Fall sein würde. Im Ergebnis ruft dieser Vorgang eine Zeitverschiebung der Spannungen in den Paaren der Abgriffwicklungen hervor, so daß sich diese Spannungen nicht mehr gegenseitig aufheben, wenn das Erdmagnetfeld vorhanden ist, so daß schließlich eine resultierende, einseitig gerichtete Spannung erzeugt wird, die direkt proportional zum Erdmagnetfeld ist.

Zur Erzielung der gewünschten Umwandlung wird die Einrichtung nach Fig. 2 verwendet. Die Verwendung dieser Einrichtung ist hier in Verbindung mit einer Magnetfeldsonde 15 mit zwei diametral zusammenwirkenden gegenüberliegenden Abgriffwicklungen 4-, 6 gezeigt. Die weiteren Spulen 5₅ 7 können in gleicher Weise auf einer Zeitteilungsbasis an den Anschlüssen 70, 71 betrieben werden, wie dies weiter unten anhand der Fig. 3 beschrieben wird.

Wie dies aus Fig. 2 zu erkennen ist, ist ein stabiler

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Oszillator 96 vorgesehen, der als Synchronisierer für das System dient und beispielsweise "bei 4 kHz arbeitet. Der Oszillator 96 liefert Signale über eine Zweigleitung 97 an einen Teiler 74 und einen Demodulator 51. Wenn zunächst der Strompfad betrachtet wird, der den Frequenzteiler 7^ einschließt, so ist zu erkennen, daß dieser Frequenzteiler ein Signal von beispielsweise 2 kHz an den Eingang eines üblichen Treiberverstärkers 75 liefert, dessen Ausgangssignal über eine Leitung 76 einer üblichen Zerhackerschaltung 94 zugeführt wird. Mit einem Anschluß 58 ist eine (nicht gezeigte) Spannungsquelle verbunden, die über einen Bezugsspannungsgenerator 56 einen im wesentlichen konstanten Gleichstrompegel an einen (mit der Zerhackerschaltung 94 verbundenen) Verbindungspunkt 59 liefert. Dieser im wesentlichen konstante Gleichstrompegel wird zur Stabilisierung der Amplitude des Ausgangssignals der Zerhackerschaltung 94 verwendet, wobei dieser Pegel mit der Frequenz des Ausgangs 76 des Treiberverstärkers 75 zerhackt wird. Ein zwischen der Zerhackerschaltung 94 und einem integrierenden Verstärker 92 eingefügter Abblockkondensator 93 liefert dem integrierenden Verstärker 92 die bipolare Impulsfolge 93a· Die Wirkung des integrierenden Verstärkers 92 und eines Koppelkondensators 91 besteht darin, die gleichförmige bipolare Dreieckschwingung 91a zu liefern. Diese bipolare Dreieckschwingung wird über einen üblichen Spannungs-/Strom-Wandler 90 und einen Widerstand 89 der Erregungswicklung 2 der Magnetfeldsonde 15 zugeführt, wobei die bipolare Dreieckschwingungsform am Wandlerausgang beibehalten wird.

Zur Erzielung eines Nutz-Kompaßausgangssignals am

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Anschluß 37 und zur Aufhebung der Erdmagnetfeldwirkung in der Magnetfeldsonde 15 durch Rückführungswirkung wird die Einrichtung im oberen Teil der Fig. 2 verwendet. Zu diesem Zweck wird die die doppelte Frequenz aufweisende Spannung, die längs der zusammenwirkenden Wicklungen 4, 6 bei Vorhandensein des Erdmagnetfeldes anliegt, über Verbindungspunkte 70, 71 und Verbindungspunkte 36, 37» 73 an einen Eingangswxderstand 72 und dann über einen Abblockkondensator 38 dem Eingang eines Wechselspannungsverstärkers 39 zugeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 39 wird über einen Abblockkondensator 50 einem Demodulator 51 zugeführt. Dieses Eingangssignal an den Demodulator 51 weist die Form eines frequenzverdoppelten (4- kHz) Fehlersignals auf, so daß das Ausgangssignal des Synchronisieroszillators 96 direkt über die Leitung 97 zugeführt wird, um die Demodulationsfunktion des Demodulators 51 zu ermöglichen. Das demodulierte Gleichstrom-Fehlersignal wird dann einem integrierenden Verstärker 53 zugeführt, der schnell an den Leitungen 30 und 55 und am Ausgangsanschluß 57 einen asymptotischen Konstantspannungspegel 5¹?³· erzeugt, der den Winkel zwischen der EOrdrichtung und der Bezugsrichtung 9 der Magnetfeldsonde darstellt.

Das integrierte Signal 55s- ist im dargestellten Fall der Cosinus der Erdmagnetfeldrichtung und kann über die Leitung 30 und den Widerstand 29 einem Eingang eines Spannungs-/Strom-Wandlers 31 zugeführt werden, dessen zweiter Eingang über einen Widerstand 32 mit Erde und weiterhin mit den Verbindungspunkten 36 und 70 verbunden ist. Ein Leistungsteiler-Widerstandsnetzwerk 34-, 35 verbindet das Ausgangssignal des Wandlers 31 über den Widerstand 34- und die Leitung 30 mit dem ersten Eingang des Wandlers 31

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liefert weiterhin das Ausgangssignal des Wandlers 31 über den Widerstand 35 an den Verbindungspunkt 36. Der Anschluß 36 ist weiterhin über die Leitung 33 und den Widerstand 32 mit Erde verbunden. Auf diese allgemeine Weise wird das Integral des Gleichstromfehlersignals am Ausgang des integrierenden Verstärkers 53 über die zusammenwirkenden Abgriffwicklungen 4, 6 in einer derartigen Weise zurückgeführt, daß im wesentlichen die Wirkung des Erdmagnetfeldflusses in der Magnetfeldsonde 15 aufgehoben wird. Das Ausgangssignal des integrierenden Verstärkers 53 kann weiterhin als Richtungsanzeige-Nutzsignal mit einem üblichen Spannungs-/Frequenz-Wandler 80 verbunden werden, der ebenfalls die Bezugsspannung vom Bezugsspannungsgenerator 56 am Verbindungspunkt 59 für Maßstabs-Stabilisierungszwecke verwendet. Das Ausgangssignal des Wandlers 80 kann dann für Navigations- oder Flugsteuerzwecke verwendet werden, wie beispielsweise in einem üblichen digitalen Verarbeitungssystem 81. Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß, bevor die Schaltung zum erstenmal in Betrieb gesetzt wird, der integrierende Verstärker 53 dadurch in seinen Ausgangszustand gebracht wird, daß der Schalter 52 leitend gemacht wird, beispielsweise durch Anlegen eines geeigneten Betätigungssignals an den Schalter-Steueranschluß 52a oder durch Erden eines geeigneten Anschlusses des Verstärkers 53 ₅ wie dies allgemein üblich ist.

Die Einrichtung nach Fig. 2 kann in vorteilhafter Weise mit allen vier Abgriffwicklungen 4, 6 und 5> 7 nach Fig. 1 verwendet werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, in der diese vier Abgriffwicklungen gezeigt sind, obwohl die Magnetfeldsonden-Erregungswicklung 2 und der Kern 1 aus

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Vereinfachungsgründen in dieser Zeichnung nicht gezeigt sind. Der Zweck der Fig. 3 "besteht weiterhin darin, einen Vorzug der Einrichtung zu zeigen, aufgrund dessen sie in einer neuartigen Navigationsausrüstung verwendet werden kann, die "bisher eine mechanische Bewegung der Magnetfeldsonde erforderte, um "bestimmte Vorspannungseffekte aufzuheben. Bei derartigen Einrichtungen erfolgen "bestimmte Messungen und Berechnungen zeitlich seriell. Beispielsweise führen bekannte Systeme eine Magnetfeldmessung aus, worauf die Magnetfeldsonde dann mechanisch um 90° in Azimutrichtung gedreht wird, bevor eine zweite Messung durchgeführt wird. Bei der hier beschriebenen Einrichtung ermöglicht die nichtmechanische Umkehrung der Wicklungsanschlüsse schließlich eine Aufhebung von elektronischen Vorspanneffekten mit entsprechender Einsparung an Leistungsverbrauch, und sowohl die parallelen als auch die senkrechten Komponenten des Erdmagnetfeldes werden ohne Drehung der Magnetfeldsonde schnell festgestellt.

Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, verwendet die Einrichtung eine Anordnung von Schaltern, die lediglich zu Erläuterungszwecken als manuell drehbare mechanische Schalter 103, 106, 107, 125 dargestellt sind und alle zueinander synchronisiert über ein mechanisches oder anderes Verbindungsglied 126 betätigt werden. Es ist für den Fachmann leicht erkennbar, daß elektronische Schalter, wie beispielsweise Halbleiterschalter, an dieser Stelle eingesetzt werden können und daß sie entsprechend einem vorgegebenen Zeitplan manuell betätigt oder automatisch eingestellt werden. Der Drehschalter 103 bestimmt den Zustand des zur Einstellung des Anfangszustandes verwendeten Schalters 52 der Verarbeitungseinrichtung 40 nach Fig. 2

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■und schließt diesen Schalter 52, wenn der Schleifarm des Schalters 103 in der vertikal nach oben gerichteten Stellung gemäß der Zeichnung steht. Pur alle anderen Positionen des Schleifarms des Schalters 103 wird eine positive Spannung von einer (nicht gezeigten) Quelle, die am Anschluß 100 angeschaltet ist, über eine Sammelleitung 102 weitergeleitet, um den Schalter 52 nichtleitend zu machen.

Die Drehschalter 106 und 107 bestimmen den Zustand von Umschaltern 111, 112 und 113 in koordinierter Weise. In den ersten (vertikal nach oben), zweiten und vierten Positionen des Drehschalters 106 verbindet das Erdpotential über die Sammelleitung 101 und die Leitungen 108 und 109 mit den Schaltern 111 und 113, während die dritten und fünften Positionen des Drehschalters 106 ein positives Potential von der positiven Sammelschiene 102 an die Schalter 111, 113 anlegen, so daß diese ihren Schaltzustand ändern. Der Drehschalter 107 arbeitet lediglich mit dem Umschalter 112 über eine Leitung 110 zusammen. Die Schaltereingangsleitung 110 ist für die erste (senkrecht nach oben), zweite und dritte Position des Drehschalters 107 geerdet, während eine positive Vorspannung für die letzten beiden Positionen des Schalters 107 geliefert wird.

Der Schalter 111 weist einen mit dem Verbindungspunkt 70 der Verarbeitungseinrichtung 40 verbundenen Eingang auf. Der Schalter 111 weist zwei auswählbare Ausgänge 114 und 115 auf. Der Ausgang 114 liefert den Eingang an den Schalter 112 und die damit verbundene Zweigleitung 116 liefert einen Eingang an den zwei Eingänge aufweisenden

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Schalter 113· Der Schalter 112 weist zwei mögliche Ausgänge auf. Ein Ausgang ist das in Serie geschaltete Paar von Abgriffwicklungen 4, 6, während der andere Ausgang das in Serie geschaltete Paar von Abgriffwicklungen 5* 7 ist. Auf der dem Umschalter 112 gegenüberliegenden Seite sind die Wicklungspaare beide mit einer Leitung 115 von dein Schalter 111 und mit dem zweiten Eingang des zwei Eingänge aufweisenden Schalters 113 verbunden. Der einzige Ausgang des zwei Eingänge aufweisenden Schalters 113 ist mit dem Verbindungspunkt 71 der Verarbeitungseinrichtung 40 nach Fig. 2 verbunden.

Der gerade beschriebene Satz von Schaltern ermöglicht die Auswahl von Paaren der Abgriffwicklungen und ihre effektive Umkehrung gemäß ihrer Anschaltung an die Verbindungspunkte 70, 71 der Verarbeitungseinrichtung 40 in fünf aufeinanderfolgenden zyklischen Schritten. Im ersten Schritt befinden sich die Eingänge der Schalter 52, 111, 112, 113 alle auf Erdpotential. Dies ist eine Betriebsbereitschaftsbetriebsart, in der das wesentliche Ereignis darin besteht, daß der den Magnetfeldsondenfehler integrierende Verstärker 53 in seinem Null-Ausgangszustand gehalten wird.

Im Schritt 2 wird lediglich der O°-Satz von in Serie geschalteten Abgriffwicklungen 4, 6 mit den Verbindungspunkten 70, 71 über den Schalter 111, die Leitung 114, den Schalter 112, die Wicklungen 4 und 6, die Leitung 115 und den Schalter 113 verbunden. Dieser Zustand ergibt sich, wenn die Drehschalter 103, 106, 107 "und 125 um einen Schritt aus der ersten vertikal nach oben gerichteten Position bewegt x^exdeix und der Schalt arm jedes

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Schalters an dem zweiten Kontaktanschluß anliegt. Nach einem kurzen Zeitintervall, beispielsweise nach ungefähr ^Λ Sekunde, und nach dem Einschwingen der Rückführungsschleife über den Widerstand 29 und den Wandler 31 steht eine Tastprobe des Magnetfeldsondenausgangs am Ausgangsverbindungspunkt 57 der Verarbeitungseinrichtung 40 zur Verfügung»

Diese Abtastprobe wird dann einer üblichen Abtast- und Halteschaltung 127 zugeführt, wobei sich der Drehschalter 125 um einen Schritt bewegt hat, um die Weiterleitung dieser Abtastprobe zu ermöglichen« Es sind vier derartige Abtast- und Halteschaltungen 127, 128₉ 129, 130 vorgesehen, die jeweils mit einem der letzten vier Anschlüsse des Drehschalters 125 verbunden sind_o Die Ausgänge der Abtast- und Halteschaltungen 127, 128 sind mit der dargestellten Polarität mit entgegengesetzten Eingängen eines Summiergliedes 1*4-0 verbunden, dessen Ausgang über eine Leitung 142 mit einem Eingang eines Tangens-Funktionsgenerators 14-3 verbunden ist« In gleicher Weise sind die Ausgänge der Abtast- und Halteschaltungen 129, 130 mit der dargestellten Polarität mit entgegengesetzten Eingängen eines zweiten Summiergliedes 141 verbunden, dessen Ausgang über eine Leitung 144 mit einem zweiten Eingang des Tangens-Funktionsgenerators 143 verbunden ist. Der Ausgang des Funktionsgenerators 143 ist über eine Leitung 145 ^mit einem üblichen Arcustangens-Generator 146 verbunden, so daß ein Winkel, wie beispielsweise der rechtweisende Steuerkurswinkel ■', auf einer üblichen Ziffernanzeigeeinrichtung 148 angezeigt werden kann. Es ist zu erkennen, daß, wenn die Ausgangssignale der Abtast- und Halteschaltungen 127₃ 128₉ 129, 130 alle vorhanden sind,

.- ü 0 ü 9 / 0 9 1 1

sie gleichzeitig an die Jeweiligen Summierglieder 140, 141 übertragen werden, und zwar mit Hilfe gut bekannter Einrichtungen, wie beispielsweise durch die Erzeugung eines Übertragungssignals, wenn der gekuppelte Schalter 124 in die Position des Kontaktes 122 gebracht wird, der mit einer geeigneten (nicht gezeigten) Leistungsquelle am Anschluß 123 verbunden ist.

Es ist verständlich, daß die in der Abtast- und Halteschaltung 127 gespeicherten Daten die folgende Größe darstellen:

Y₁ = A sin 3 ■+ B (1)

worin ϋ der gewünschte Wert des Winkels zwischen der magnetischen ETordrichtung und der Bezugsrichtung 9 der Magnetfeldsonde,

A ein Maßstabsfaktor, der von der elektronischen Verstärkung in dem System abhängt, und

B ein unerwünschter Vorspannungsausdruck ist, der von Schaltungsanomalien abhängt.

Im Schritt 3 werden die Drehschalter 103, 106, 107, 125 alle in ihre horizontalen Positionen gedreht. Während das Steuereingangssignal, das an den Schalter 112 angelegt wird, das gleiche bleibt, ändern sich die Eingänge über die Leitungen 108, 109 an die Schalter 111 und 113, so daß der Stromfluß durch die Serienwicklungen 4, 6 umgekehrt wird. Daher wird die Polarität des O°-Satzes von Abgriffwicklungen elektrisch hinsichtlich der Verbindung mit den Anschlüssen 70, 71 der Verarbeitungseinrichtung

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40 umgekehrt. Nach dem gleichen kurzen Intervall (eine Sekunde), in dem die Rückführungsschleife 29, 31 eingeschwungen ist, wird das neue Ausgangssignal am Verbindungspunkt 57 in die zweite Abtast- und Halteschaltung 128 eingeführt. Diese neue Größe kann wie folgt dargestellt werden:

Y₂ = -A sin ΰ + B (2)

worin die Symbole allgemein die gleichen sind wie in der Gleichung (1). Die beiden Größen Y_x, und Yp können dann für eine algebraische Subtraktion an das Summierglied angelegt x-ierden, so daß sich folgender Ausdruck ergibt;

Y_$ = 2A sin β (3)

Dieser Ausdruck ist unabhängig von der Anomalie B₉ die bei ihrem Vorhandensein einen unerwünschten Einperioden-Fehler hervorrufen würde»

Im Schritt 4 ist lediglich der 90°-Satz von in Serie geschalteten Wicklungen 5? 7 in den Serienkreis über den Schalter 111, die Leitung 114, den Schalter 112, die Wicklungen 5, 7, die Leitung 115 und den Schalter 113 eingeschaltet. Dieser Zustand ergibt sich, wenn die Drehschalter 103, 106, 107 und 125 von der dritten zur vierten oder vorletzten Schalterposition bewegt werden» Nach dem Einschwingen der Rückführungsschleife ist eine dritte Abtastprobe des Magnetfeldsonden=Ausgangssignals am Ausgangsverbindungspunkt 57 der Verarbeitungseinrichtung vorhanden. Diese Abtastprobe kann dann zur dritten Abtast- und Halteschaltung 129 geleitet werden, wobei der

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Drehschalter 125 i¹¹ die vierte Stellung bewegt wurde. Die Daten in der Abtast- und Halteschaltung 129 stellen dann den folgenden Ausdruck dar:

Y₄ = A cos 'S + B (4)

Im Schritt 5 werden die Drehschalter 103, 106, 107, 125 alle in ihre letzte oder fünfte Position bewegt, in der die Schaltarme alle nach unten in der Fig. 3 gerichtet sind. Das Eingangssignal an den zwei Ausgänge aufweisenden Schalter 112 bleibt positiv, während die Eingänge an die Schalter über die Leitungen 108, 109 nunmehr ebenfalls positiv sind, so daß der Stromfluß durch die Serienwicklungen 5» 7 umgekehrt wird. Entsprechend wird die Polarität des 9O°-Satzes von Abgriffwicklungen 5, 7 bezüglich der Anschaltung an die Anschlüsse 70, 71 der Verarbeitungseinrichtung 40 elektrisch umgekehrt. Nach dem geeigneten Einschwingintervall wird das neue Ausgangssignal am Verbindungspunkt 57 der vierten Abtast- und Halteschaltung 130 zugeführt. Diese neue Größe kann durch den folgenden Ausdruck dargestellt werden:

Y₅ = -A cos i) + B (5)

Nach der Subtraktion der durch die Gleichung (4) und die Gleichung (5) dargestellten Größen in dem algebraischen Summierglied 141 ist die Größe B beseitigt und es ergibt sich an der Leitung 144 die Größe:

Y₆ = 2A cos ΰ (6)

Der Tangensgenerator 143 ist vom üblichen Teiler-Typ, so

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daß in diesem Generator eine Division der Größen Y₅, und Y._r durchgeführt werden kann, was zu dem folgenden Ausdruck führt:

Y₇ = tan d (7)

Der Wert von ϋ in der Gleichung (7) wird in einfacher Weise mit Hilfe eines üblichen Arcustangens-Generators 14-6 ermittelt, so daß der Wert von Ci in der vorstehend erläuterten Weise bestimmt werden kann.

Es ist aus einer Betrachtung der Gleichungen (1) bis (7) zu erkennen, daß die Lösungen dieser Gleichungen mit Hilfe irgendwelcher verschiedener Arten von gerätemäßigen Ausführungen erreicht werden können, unter Einschluß der Verwendung einer zusammenwirkenden Anordnung von bekannten Analog- oder Digital-Datenverarbeitungs- oder -Rechenschaltungen. Beispielsweise bedingen die verschiedenen Gleichungen einfache arithmetische Operationen, wie beispielsweise Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division und die Erzeugung von trigonometrischen Funktionen. Es ist eine Vielzahl von sowohl Analog- als auch Digit al-Rechenelementen zur Durchführung dieser Rechenvorgänge bekannt. Weiterhin können Hybrid-Rechnerlösungen verwendet werden. Es ist weiterhin zu erkennen, daß ein üblicher Allzxveck-Digital- oder -Analog-Rechner für diesen Zweck verwendet werden kann. Es liegt im Rahmen der Kenntnisse üblicher Programmierer für Digitalrechner, die oben erläuterten Gleichungen zu verarbeiten, Ablaufdiagramme zu schaffen und diese in Rechnerroutinen und Subroutinen zu übersetzen, um eine Lösung dieser Gleichungen zu erzielen, wobei gleichzeitig ohne weiteres eine

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kompatible Rechnersprache zur Verarbeitung von Eingangsdaten und Befehlen geschaffen werden kann, um Ausgänge zu erzeugen, die direkt für eine übliche Anzeige brauchbar sind.

Entsprechend ist zu erkennen, daß die bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung ein vielseitiges, eine geringe Leistung benötigendes, kompaktes, leichtes Magnetfeldsonden-Kompaßsystem unter Verwendung einer kreisringförmigen Magnetfeldsonde mit zwei zusammenwirkenden Paaren von Abgriffen ergibt, die so angeordnet sind, daß aufgelöste orthogonale Komponenten des Erdmagnetfeldes leicht abgeleitet werden können. Hierbei ergibt sich eine automatische Aufhebung und Beseitigung von Ein- oder Zweiperioden-Fehlern. Zweikanal-Fehler werden durch den Zeitteilungsbetrieb eines gemeinsamen Kompaßkanals beseitigt. Es ist keine mechanische Bewegung der Magnetfeldsonden-Meßfühler erforderlich, um in zuverlässiger Weise präzise Kompaßausgangsdaten zu erzielen. Die Servo-Aufhebung des Erdmagnetfeldvektors ergibt einen Betrieb mit vergrößerter Linearität.

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Claims

ν ι / s/

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Patentansprüche

Einrichtung zum Messen von Komponenten des Erdmagnetfeldes, gekennzeichnet durch Magnetfelddetektoreinrichtungen mit kreisringförmigen Kernteilen (1), die Erregungswicklungselemente (2) und zumindest erste diametral entgegengesetzt angeordnete Abgriffelemente (5, 7) aufweisen, die entgegengesetzt zueinander in Serie geschaltet sind und ein erstes Impedanzelement bilden, Dreieckschwingungsgeneratoreinrichtungen (56, 92, 9^), die mit den Erregungswicklungselementen (2) gekoppelt sind und die Kernteile (1) pro Periode der Rechteckschwingung zweimal in die Sättigung treiben, Demodulatoreinrichtungen (51), die auf den Unsymmetrie-Ausgang des ersten Impedanzelementes bei Vorhandensein einer ersten vorgegebenen Komponente des Erdmagnetfeldes ansprechen, ersfce Integratoreinrichtungen (53)» die auf die Demodulatoreinrichtungen (51) ansprechen und ein integriertes Ausgangssignal erzeugen, Netzwerkeinrichtungen (31 j 34-1 35)» die auf die Integrator einrichtungen (53) ansprechen und den integrierten Ausgang an das

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erste Impedanzelement zurückführen, um die vorgegebene Komponente des Erdmagnetfeldes aufzuheben, und zusätzliche Nutζeinrichtungen (81), die direkt auf den integrierten Ausgang ansprechen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dreieckschwingungsgeneratoreinrichtungen stabilisierte Bezugsspannungsgenerator einrichtungen (56)» Schaltungseinrichtungen (94·) zum Zerhacken der stabilen Bezugsspannung und zweite Integratoreinrichtungen (92) einschließen, die auf die Schaltungseinrichtungen ansprechen und die Dreieckschwingung erzeugen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Spannungs-./Strom-Wandlereinrichtungen (90), die auf die zweiten Integratoreinrichtungen (92) ansprechen und die Erregungswicklungselemente ansteuern.

4-, Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Oszillatoreinrichtungen (96) und Frequenzteilereinrichtungen (74-)., die auf die Oszillatoreinrichtungen (96) ansprechen und die Betriebsfrequenz der Schaltungseinrichtungen steuern, wobei die Demodulatoreinrichtungen (51) zusätzlich auf die Frequenzteilereinrichtungen (74-) ansprechen.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet , daß die

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Netzwerkeinrichtungen Spannungs-ZStrom-Wandlereinrichtungen (31) einschließen.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzwerkeinrichtungen Spannungs-ZStrora-Wandlereinrichtungen (31) mit einem Ausgang und Eingängen, die über erste Widerstandselemente (29) zum Empfang des integrierten Ausgangssignals angeschaltet sind, und Spannungsteilerelemente (34-» 35) mit zweiten Widerstandselementen einschließen, die zwischen den ersten Widerstandselementen (29) und den Eingängen sowie dem Ausgang eingeschaltet sind, und daß die Spannungsteilerelemente zusätzlich dritte Widerstandselemente (72) einschließen, die den Ausgang in Serie mit den beiden Abgriffwicklungselementen schalten.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die entgegengesetzten AbgriffWicklungselemente (5, 7) ein erstes Paar von diametral entgegengesetzten Abgriffwicklungselementen bilden, und daß die Magnetfeiddetektoreinrichtungen ein zweites Paar von diametral entgegengesetzten Abgriffwicklungselementen (4-, 6) einschließen, die entgegengesetzt in Serie geschaltet sind und auf den Ringkernteilen (1) unter rechten Winkeln zum ersten Paar von diametral entgegengesetzten Abgriffwicklungselementen (5, 7) angeordnet sind und ein zweites Impedanzelement bilden.

8. Einrichtung nach Anspruch 7» gekenn-

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zeichnet durch Schaltmatrixeinrichtungen zum selektiven Anschalten des ersten Impedanzelementes in ersten oder zweiten Zuständen direkt oder in umgekehrter Verbindung an die Demodulatoreinrichtungen (51)5 derart, daß im ersten Zustand das integrierte Ausgangssignal gleich

Y₁ = A sin ϋ + B

ist, während im zweiten Zustand das integrierte Ausgangssignal gleich

Y₂ = -A sin 3 + B

ist, worin υ der gewünschte Wert des Winkels zwischen der magnetischen Nordrichtung und der Bezugsrichtung der Magnetfeldsonde, A ein Maßstabsfaktor und B ein unerwünschter Schaltungsvorspannungs-Ausdruck ist.

Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltmatrixeinrichtungen weiterhin ein selektives Anschalten des zweiten Impedanzelementes in dritten oder vierten jeweiligen Zuständen direkt oder in umgekehrter Verbindung an die Demodulatoreinrichtungen (51) derart ermöglichen, daß im dritten Zustand das integrierte Ausgangssignal gleich

Y₄ = A cos d + B
ist, während im vierten Zustand das integrierte

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Ausgangssignal gleich

Y₁- = -A cos ύ + B

ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß erste, zweite, dritte und vierte Abtast- und Halteschaltungen (127 bis 130) vorgesehen sind und daß die Schaltmatrixeinrichtungen weiterhin selektiv und aufeinanderfolgend die integrierten Ausgangssignale aus den ersten, zweiten, dritten und vierten Zuständen zur Speicherung in den jeweiligen Abtast- und Halteschaltungen auskoppeln.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß erste Summiereinrichtungen

(140) vorgesehen sind, die auf die Ausgangssignale der ersten und zweiten Abtast- und Halteeinrichtungen (127, 128) bei Vorhandensein dieser Ausgangssignale ansprechen, um eine algebraische Summierung zu bilden, die durch die Gleichung

Y₇, = 2A sin θ
definiert ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß zweite Summiereinrichtungen

(141) vorgesehen sind, die auf die Ausgangssignale der dritten und vierten Abtast- und Halteeinrichtungen

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(129, 130) "bei Vorhandensein dieser Signale ansprechen, um die algebraische Summierung hiervon zu bilden, die durch die Gleichung

Y₆ = 2A cos \)
definiert ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Dividiersehaltungseinrichtungen, die auf die ersten und zweiten Summiereinrichtungen ansprechen, um den Wert

Y₇ = tan ΰ

zu bilden, wodurch Yr₇ unabhängig von den Größen A und B ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Arcustangens-Generatoreinrichtungen (146) zur Berechnung von υ aus tan Ü.

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