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Sicherheitsvorrichtung für ein spurgeführtes, gleisfreies
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Fahrzeug und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (Zusatz zu P 30
15 954.7 - R. 6274) Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung nach der
Gattung des Hauptanspruches.
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Zur Durchführung verschiedenartiger Aufgaben, beispielsweise Transportaufgaben
in Lagern und Bergwerken sowie im Nahverkehr ist es bekannt, Fahrzeuge entlang eines
entsprechend der gewünschten Fahrbahn verlegten Leitdrahtes gleisfrei zu führen.
Bei diesen Fahrzeugen ist üblicherweise an der Vorderseite des Fahrzeuges in Fahrzeugmitte
ein Spulenpaar, bestehend aus einer senkrecht und einer waagerecht angeordneten
Spule befestigt, die als Antennenanordnung wirken und in die Spannungen von einem
magnetischen Wechselfeld induziert werden, das sich um den von einem Wechselstrom
durchflossenen Leitdraht aufbaut. Es ist bekannt, in einer Fremdkraft-Lenkanlage
aus dem Betrag und der Phasenlage der in die Spulen induzierten Spannungen ein Maß
für die transversale Abweichung der Spulen vom Leitdraht zu bestimmen und diese
Größe für die Einstellung der Lenkung des Fahrzeuges heranzuziehen.
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Beim Betrieb eines spurgeführten gleisfreier fahrzeuges kann - wenn
nicht geeignete Maßnahmen ergriffen werden -der Fall eintreten, daß durch Ausfall
einer Systemkomponente das Fahrzeug in einen gefährlichen Zustand gerät. Ein solcher
Zustand kann beispielsweise eine unzulässig große Abweichung ("Entgleisen") von
der Sollspur sein. Es sind daher besondere Maßnahmen erforderlich, um die Funktion
der Fremdkraft-Lenkanlage des Fahrzeuges fortfflaufend überwachen.
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So ist beispielsweise bekannt, fahrbahnseitig den Leitdraht mehradrig
auszuführen, den Abschlußwiderstand als Parallelschaltung mehrerer Einzelwiderstände
auszubilden sowie statt eines Generators mehrere Generatoren mit einer Puffer-Stromversorgung
vorzusehen.
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Diese bekannten Sicherheitsvorkehrungen wirken jedoch lediglich auf
das Leitkabel bzw. seine Versorgungsanlage und nicht auf das Fahrzeug.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsvorrichtung
zu schaffen, welche bei einem gegenüber dem Hauptpatent (Hauptanmeldung P 30 15
954.7) vereinfachten Aufbau eine wirksame Überwachung der auf dem Fahrzeug angeordneten
elektrischen und elektronischen Bauelemente erlaubt und sicherstellt, daß beim Auftreten
eines Fehlers dieser sofort erkannt werden kann. Hierzu sind bei einer Sicherheitsvorrichtung
erfindungsgemäß die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen vorgesehen. Die Lage
der Diagnose-Sendespule kann zwar im Prinzip mit beliebiger Neigung zu den Antennenspulen
gewählt werden.
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Die Auswertung der vom Diagnose-Magnetfeld in den beiden
Antennenspulen
erzeugten Spannung kann wesentlich vereinfacht werden, wenn nach einem weiteren
Vorschlag die Diagnose-Sendespule mit ihrer Wicklungsachse senkrecht zu der Wicklungsachse
einer der beiden Antennenspulen, vorzugsweise senkrecht zu der vertikal gerichteten
Achse einer der beiden Antennenspulen verläuft.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten,
gleislosen Fahrzeuges und einer zum Betrieb dieses Fahrzeuges dienenden Sicherheitseinrichtung,
die in den Figuren 1 und 2 teilweise schematisch wiedergegebenen sind, sowie mehrerer
in den Figuren 3 bis 9 angedeuteter Verfahren zur Auswertung der von der Sicherheitseinrichtung
gelieferten Größen näher beschrieben.
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In Figur 1 ist das gleislose Fahrzeug bei F schematisch angedeutet.
Es hat zwei lenkbare Räder 11 und 12 und eine auf diese Räder einwirkende Lenkeinrichtung
10, die als Fremdkraft-Lenkanlage ausgebildet ist und eine Antennenanordnung 13,
eine Elektronikeinheit 14 und eine Hydraulikeinheit 15 umfaßt. Die Antennenanordnung
besteht aus einer mit ihrer Achse vertikal gerichteten Antennenspule 13s und einer
mit ihrer Achse waagerecht verlaufenden, die andere Antennenspule senkrecht kreuzenden
Antennenspule 13w.
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Mit dieser Antennenanordnung wird das durch konzentrische, unterbrochene
Kreislinien angedeutete Magnetfeld abgetastet, das sich um den in Figur 1 bei L
angedeuteten Leitdraht aufbaut, wenn dieser von einem zur Fahrzeugführung verwendeten,
tonfrequenten Wechselstrom durchflossen wird. Das von der Antennenanordnung 13 empfangene
Signal wird in der Elektronikeinheit nach Figur 2 derart verarbeitet, daß entsprechend
dem ermittelten Abstand y der Fahrzeuglängsmittelebene
E vom Leitdraht
L ein Lenksollwinkel-S1gr.s' aebildet und dieses der Hydraulikeinheit 15 zugeführt
wird.
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Diese stellt dann die lenkbaren Räder 11 und 12 des Fahrzeugs F so
ein, daß der Abstand y ein Vtd nimum wirl Weiterhin ist eine Steuereinheit 16 vorgesehen,
die ringags signale vom Ausgang der Elektronikeinheit 14 und der Rydrau likeinheit
15 empfängt. Außerdem ist die Steuereinheit 16 an einen Diagnosesender 17 angeschlossen,
der weiterhin aueine Sendeantenne 18 einwirkt. Schließlich ist ein alosgar.C der
Steuereinheit 16 auf ein Anzeigeelement 19 sowie e ne Ausgangsklemme 20 geführt.
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Die Funktion der dargestellten SicherheitsvorricllAullg ist wie folgt:
Durch den Diagnosesender 17 und die Sendeantenne 18 wird in der Antennenanordnung
13 dem Leitkabelfeld ein Diagnosefeld vorbestimmter Amplitude und Frequenz überlagert.
Das aufgrund des Diagnosefeldes von der Antennenanordnung 13 empfangene Signal wird
wie das Leitkabelsignal zur Elektronikeinheit 14 übertragen. In der Elektronikeinheit
14 wird, wie erwähnt, aus dem Leitkabelsignal ein Lenksollwinkel gebildet und analoger
Weise aus dem Diagnosesignal ein Diagnose-Sollwinkel. Dieser Diagnose-Sollwinkel
wird in der Steuereinheit 16 mit einem vorgegebenen Referenzwert verglichen. Zeigt
sich dabei, daß der Diagnose-Sollwinkel um einen vorbestimmten Betrag vom Referenzwert
abweicht, wird in der Steuereinheit 16 ein Fehler erkannt und im Anzeigeelement
19 angezeigt bzw. über die Ausgangsklemme 20 an in der Figur nicht dargestellte
Alarmschaltmittel, beispielsweise zur Einleitung einer Bremsung,
~¢-ewtergeleitet.
In der Steuereinheit 16 wird weiterhin cr von der Elektronikeinheit 14 gebildete
Lenk-Sollwinkel mit dem von der Hydraulikeinheit 15 eingestellten Istlenkwinkel
verglichen. Zeigt sich bei diesem Vergleich, daß der Istwinkel vom Sollwinkel um
mehr als einen vorbestimmten Betrag abweicht, wird ebenfalls Alarm angezeigt bzw.
ausgelöst.
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ts versteht sich von selbst, daß die vorstehend beschriebene Sicherheitsvorrichtung
auch in solchen spurgeführten rleisfreien Fahrzeugen verwendet werden kann, bei
denen die Fremdraft-Lenanlage redundant d.h. mehrfach ausgeführt ist.
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Im folgenden sind mehrere Verfahren zum Betrieb der Sicherheitsvorrichtung
beschrieben: Beim ersten Verfahren nach Figur 3 fließt im Leitkabel ein Strom mit
einer definierten Frequenz von z.B. 7kHz. In räumlicher Nähe der aus den-beiden
Antennenspulen 13s-und 13w bestehenden Empfangsantenne befindet sich die Diagnosesendespule
18. Diese wird mit einer Wechselspannung mit einer anderen Frequenz, z.B. 8kHz erregt.
In den Empfangsspulen entstehen dadurch anordnungsbedingt gleichgroße Wechselspannungen
Uw und Us bei 8kHz und Wechselspannungen, deren Amplitude vom seitlichen Abstand
y zum Leitkabel L abhängt und eine Frequenz von 7kHz haben. Die Teilspannungen von
Uw werden durch Filter getrennt. Man erhält Referenz-Spannungen für beide Frequenzen.
Ihre Amplituden sind ein Maß für die empfangenen Pegel, welche von der Größe des
Leitkabelstroms und der Stärke der Ansteuerung der Diagnose-Sendespule 18 abhängen.
Diese Amplituden müssen innerhalb erlaubter Toleranzen vorgegebenen
Sollwerten
entsprechen. Damit kann der Signalw-g von Uw bis zum Filter ebenso überprüft werden
wie die Filter selbst.
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Die von der waagerechten Antennen-Spule 13w erzeugten S-.S.-nale Uw-und
die von der senkrechten Antennenspule 13s aufgenommenen Signale Us werden über je
einen getrennten Verstärker 24 in einen fremdgesteuerten Gleichrichter " Quotientenbildner
gegeben. Gesteuert wird diese Schalvur.g von einer Referenz-Spannung aus einem der
Filter 2 28, denen in dem in Figur 3 dargestellten Beispiel die verstärkten Spannungen
Uw zugeführt werden. Man erhält am Ausgang der Dividierschaltung'29 eine Gleichspannung
Ug, die nach Amplitude und Vorzeichen die Abweichung für 7kHz und eine "Diagnose-Abveichung"
yd für 8kHz. Diese Gleichspannung wird in einem AD-Wandler 31 (Analog-Digital-Wandler)
digitalisiert und einem Mikrocomputer 32 zugeführt.
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Da es für die elektronische Spurführung genügt, die Abweichung y in
Zeitintervallen von 10 bis 15 ms zu messen, kann durch Zeitmultiplex jeweils zwischen
zwei y-Messungen eine yd-Messung eingeschoben werden. Die Umschalteinrichtung für
die Referenzspannung ist bei 30 symbolhaft angedeutet und wird.gesteuert vom Mikrocomputer
32. Durch dieses Zeitmultiplex-Verfahren ist die gesamte Signalverarbeitung vom
elektromagnetischen Feld M bis zur Bildung eines binären Wortes im Mikroprozessor
32 prüfbar.
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In der für die Darstellung des nachstehend beschriebenen zweiten Verfahrens
dienenden Figur 4 sind gleiche, auch beim Verfahren nach Figur 3 verwendete Bauteile
mit gleichen Bezugszeichen wie dort versehen.
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zur @m Verfahren nach Figur 4 ist vorgeschen, daß im Leitkabel @ gleichzeitig
zwei gleichgroße Ströme fließen, die sich jedoch in ihrer Frequenz unterscheiden,
z.B. ein Strom mit 7kHz und ein zweiter Strom mit 10 kHz. Auf die beiden Antennenspulen
13s und 13w wirkt wie bei dem vorher beschriebenen Verfahren ein Diagnosegenerator
17 mit einer dritten Frequenz von z.B. 8 kHz über die Diagnosespule 18 ein. Die
Spannungen Uw und Us Werden mit einer berlagerungsfrequenz von z.B. 8,75 kHz gemischt.
Es entstehen dann drei Zwischenfrequenzen, bei den genannten Frequen2beisvielen
eine erste Zwischenfrequenz mit 750 Hz eine zweite wischenfrequenz mit 1250 Hz und
eine dritte Zwischenfrequcnz mit 1750 Hz. Diese Zwischenfrequenzen werden in entsprechenden
Filtern 391 bis 393 selektiert, welche jeweils auf eine dieser Zwischenfrequenzen
abgestimmt sind. Die senkrechten Spulen spannungen Us ergeben am Ausgang dieser
Filter eine Diagnosespannung Usd, eine Spannung UslO und Us7. In gleicher Weise
entstehen an den Filtern 394, 395 und 396, die ebenfalls auf 750 Hz bzw. 1250 Hz
bzw. 1750 Hz abgestimmt sind, die aus der waagerechten Spule 13w stammenden Zwischenfrequenzspannungen
Uwd und Uw10 bzw. Uw7. Die Ampituden dieser sechs Filterausgangsspannungen werden
im Zeitmultiplexer 40 und dem AD-Wandler 31 digitalisert. Der nachgeschaltete Vikrocomputer
32 bildet durch Division der Signalpaare die Abweichungswerte y(7) Y(10) und Yd.
Die Diagnoseabweichung yd muß ihrem Sollwert entsprechen. Dadurch wird die Antenne
13, die Signalverarbeitung bis zu den Filtern 391 bis 396 einschließlich einer korrekten
Überlagerungsfrequenz und der AD-Wandler 31 geprüft.
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Aus der gewählten Anordnung ergibt sich, daß dle eß-'ere.
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für y(7) und Y(10) gleich sein müssen. Es is neshe~~ weiteres möglich
die Filter für 7kHz und 1OkHz und den Multiplexer 40 zu überprüfen, s9 daß die gesandte
S ra:-verarbeitung vom elektrischen Feld M bis ru dem im @ikr@-prozessor gebildeten
binären Wort prüfbar sind.
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Bei dem in Figur 5 skizzierten dritten Verfahren ist vcgesehen, daß
wie beim vorher erläuterten zweiten Veraren L gleichzeitig zwei gleich große Wechsel
ströme -tessen, die wie in Figur 4/7 kHz und 10 kHz haben.
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Empfangsseitig arbeitet der Diagnose-Generator 25 auf einer der beiden
Frequenzen, die auch vom Leitka-bel L empfangen werden kann, z.B. auf 7kHz. Er wird
ein Filter 33 mit hoher Selektion phasenstarr synchronisiert (z.B. durch PLL = phasengesteuerter
Oszillator). Seine Amplitude wird durch einen AmplitudenbegrenzerRunabhängig von
der Amplitude des entsprechenden Leitkabelstromes gehalten. In den Empfangsspulen
13s und 13w addieren sich bei 7 kHz phasenrichtig die aus dem Diagnose-Generator
und dem Leitkabel induzierten Spannungsanteile. Würde man die Spannungen Uw und
Us zusammen mit einer 7 kHz-Referenzspannung wie beim oben beschriebenen ersten
Verfahren in eine Dividierschaltung einspeisen, so entstünde eine Abweichung y,
die zur wahren Abweichung einen seitlichen Versatz aufweisen würde. Dieser wäre
nicht konstant, sondern würde vom Pegelverhältnis Diagnose/Leitkabel abhängen.
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Um dies zu vermeiden wird der über das Feld M addierte, von dem Diagnose-Generator
33/25 gelieferte Betrag in jeweils einem der beiden Differenzverstärker 41 wieder
subtrahiert. Zur besseren Kontrolle wird die gesamte Diagnose
periodisch
(z.B. mit 16 Hz) zu- und abgeschaltet. Die AM-weichung y(7) muß in beiden Schaltzuständen
gleich bleIben.
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Als Vergleichsgröße wird ferner eine zweite Abweichung aus der zweiten
Leitkabelfrequenz gebildet, die von den Maßnahmen der Diagnose unbeeinflußt bleibt.
Im Mikrocomputer 32 werden die beiden Abweichungen Y(7) und y (10)" auf Gleichheit
geprüft.
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Bei dem in Figur 6 skizzierten vierten Verfahren ist vorgesehen, daß
im Leitkabel T. nur ein einziger Wechselstrom fließt, der beispielsweise eine Frequenz
von 7 kHz hat.
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Ein Teil der von der waagerechten Empfangsspule 13w empfangenen Spannung
wird in die Diagnose-Sendespule 18 zurückgespeist. Dadurch entsteht bei passender
Phasenlage eine breitbandige Gegenkopplung. Diese Gegenkopplung wird vom Mikrocomputer
32 mit dem Schalter 30 periodisch zu- und abgeschaltet. Die empfangenen Spannungen
werden durch Überlagerung in den Mischern 36 und 37 in die Zwischenfrequenzebene
umgesetzt.
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Ist die Amplitude der empfangenen Spannung U =U -U.
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w w dia und wird über die Diagnose-Sendespule Udia abgestrahlt Udia
= k (Uw - Udia) k = Gegenkopplungsfaktor so gilt auch für U w Uw' = Uw . 1 1 + k
Berücksichtigt
man in der Zwischenfrequenz-@@ens das @@nschwingverhalten der schmalbandigen Filter
mit F @@@, @@ gilt für die Amplitude in der Zwischenf@@@@@@@ebe@@ U ?? = U 1 F (t)
w w 1+k Im AD-Wandler werden die Amplitude von " und der Wert F (t) digitalisiert
und dem Rechner zugeführt. Dieser mittelt die Amplitude von U nach der Beziehung
w Uw = Uw" . (1+k) . 1 F(t) und ebenso die Amplitude von U nach der Beziehung 5
Us = (Us" + k . Uw") 1 F(t) und errechnet anschließend die Abweichung y aus U 5
y = a . us, wobei a = Maßstabsfaktcr.
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w Bei dem fünften, in Figur 7 skizzierten, erfindungsgemäßen Verfahren
fließen im Leitkabel L zwei gleich große Wechselströme wie bei den Verfahren nach
den Figuren 4 und 5. Diese Wechselströme haben beim dargestellten Ausführungsbeispiel
die Frequenzen 8 kHz und 10 kHz. Die beiden Empfangssignale U und U aus der senkrechten
Spule 13s bzw. waages w rechten Spule 13w werden durch Überlagerung mit der vom
Oszillator 38 gelieferten Frequenz von 8,75 kHz in den beiden Mischern 36 und 37
in die Zwischenfrequenzen von 750 Hz bzw. 1250 Hz umgesetzt. Durch Filter 391 und
392, die den gleichnamigen Filtern nach Figur 4 entsprechen, werden die Referenzspannungen
für zwei Dividierschaltungen 291
@zw. 292 gewonnen, in welchen
Jeweils der Quotient U w gebildet wird. Die Dividierschaltung 291 liefert frequenzselektiv
ein Abweichungssignal Y(8) für die Leitkabelfrecuenz 8kHz und ein Abweichungssignal
Y(10) für die Leitkabelfrequenz 1rjkiIz. In Mikrocomputer 32 werden diese beiden
AbWeicXungssignale auf Gleichheit geprüft. Damit werden gleichzeitig die Filter
391 und 392 sowie die Dividierschaltungen 291 und 292 auf Betriebsfähigkeit geprüft.
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Bei diesem Verfahren wird gleichzeitig ein Teil der Überlagerungs-Spannung
von 8,75 kHz über die Diagnose-Sendespule 18 ausgestrahlt. Aus diesen Spannungsanteilen
in den induzierten Spannungen U und U entstehen bei der Mischung w s in den Mischern
36, 37 Gleichspannungen U/s und U/w. Sie werden na-ch Filterung in den Tiefpässen
41 und 42 im Analog-Digital-Wandler 31 umgesetzt und im Mikrocomputer 32 auf Sollwert
geprüft. Auf diese Weise ist es möglich, die Signalwege vom Feld M bis hinter die
Mischer 36 und 37 einschließlich dem Überlagerungsoszillator 38 zu überwachen.
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Die in den Figuren 5 und 6 skizzierten Verfahren 3 und 4 arbeiten
mit einer Einkopplung eines Anteils der Leitkabelsignale in die beiden waagerecht
und senkrecht angedneen Spulen 13w und 13s. Hierbei können sich Schwierigkei'en
dadurch ergeben, daß die Kopplung der Diagnosespule 18 zu den Empfangsspulen 13w
und 13s unbekannt oder nsicher ist. Es ist zwar ein Abgleich denkbar, jedoch sind
eperatureinflüsse und Feldverzerrungen schwierig zu be-.errschen und beeinträchtigen
die Meßgenauigkeit.
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:;achstehend sind zwei weitere Verfahren angegebenen, bei welchen
der Nullpunkt der Abweichung y durch die Diagnose nicht verfälscht wird.
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Für aas Verfahren nach Figur 8 wird die Diagn@sespule @@ @@ eingestellt,
daß ihre Längsachse parallel zur Wicklungsachse der senkrechten Antennenspule 13s
verläuft und senkrecht zur waagerechten Antennenspule 13w Ziegt. Dieses Verfahren
kann vorteilhaft breitbarldig oder nI:! t diskreter Frequenz angewendet werden.
Ein Teil der in der waagerechten Antennenspule 13w induzierten Spannung U wird mit
wechselnden Vorzeichen (infolge des Umkehrw verstärkers 25) und fester Frequenz
fT sowie symmetrischer Tastverhältnis der Diagnosespule 18 zugeführt. Da diese senkrecht
angeordnet ist, koppelt sie nur in die senkrechte Antennenspule 13s ein. Die Taktfrequenz
fT kann beispielsweise 40 Hz betragen. Die Wirkung dieser Anordnung der Daignosespule
ist die, daß die gemessene Abweichung y mit dieser Taktfrequenz moduliert wird,
d.h.
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das Leitkabel L springt scheinbar mit dieser Frequenz um seine wirkliche
Lage.
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Mit der beschriebenen Anordnung können sämtliche Fmpfangseinrichtungen,
nämlich die Spulen, die Filter und der zur Gleichrichtung und Division dienende
Quotientenbildner 42 überprüft werden, wobei die Modulation der seitlichen Abweichung
y in erster Näherung eine Funktion folgender Form ist: #y = #y .#os #t.
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Die Amplitude dy ist proportional zum Empfangs-Pegel, da sie aus der
waagerechten Spannung der waagerechten Antennenspule 13w abgeleitet wird.
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Wenn die Modulation mit einer Taktfrequenz erzeugt wird, welche hoch
ist gegenüber allen in der Lenkregelung interessierenden Frequenzen, so kann sie
auf einfache Weise
@@gef@ltert eraten, nachdem ihre Amplitude as
vorhanden und richtig erkannt wurde.
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Bei dem vorher beschriebenen Verfahren kann die Schwierig-@@@@ auftreten,
daß bei Ausfall des @mschalters 30 ein konstanter, seitlicher Versatz #y gemessen
wird. Dies kann zwar bei fehlender Modulation im Rechner korrigiert werden, s ezz
aber voraus, daß vorher festgestellt werden kann, i@ welcher Fehlerlage der Schalter
fälschlicherweise hängt. Hierzu m'aßte der Schalter überwacht werden.
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Dies ist beim siebten, in Figur 9 skizzierten Verfahren nicht nötig,
da hier in jeder Stellung des Schalters 30 die seitliche Abweichung y = 0 richtig
gemessen wird, d.h.
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es ändert sich nur die Verstärkung.
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Demzufolge kann das exakte Arbeiten des gesamten Kanals auch nur dann
erkannt werden, wenn y # 0 ist, weil dann eine modulierte Abweichung vorliegt. Die
Prüfung der Filter ist dann durch Modulation des Pegels möglich.
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@m die senkrechte Antennenspule 13s zu überwachen, muß bei diesem
Verfahren über einen redundanten Kanal und einen Uberwachungsrechner ein y-Vergleich
erfolgen, so c:ß auch eine Unterbrechung im Leitungszug der senkrechten Spule sofort
erkannt werden kann.