DE3615291A1 - ELECTROMAGNETIC CONVERTER AND DEVICE FOR DETERMINING A RELATIVE SPEED AND / OR A FORM USING SUCH A CONVERTER - Google Patents
ELECTROMAGNETIC CONVERTER AND DEVICE FOR DETERMINING A RELATIVE SPEED AND / OR A FORM USING SUCH A CONVERTERInfo
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Description
PATENTAN WALTSBURO SCHUMANNSTR. 97 D-4OOO DÜSSELDORF 1 Telefon: (0211) 683346 · Telefax: (0211) 6790871 ■ Telex: 8586513 cop d PATENTAN WALTSBURO SCHUMANNSTR. 97 D-4OOO DÜSSELDORF 1 Telephone: (0211) 683346 · Fax: (0211) 6790871 ■ Telex: 8586513 cop d
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Western Drive, 46123Western Drive, 46123
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Elektromagnetischer Wandler sowie Einrichtung zur Bestimmung einer RelativgeschwindigElectromagnetic converter and device for determining a relative speed
keit und/oder einer Form unter Verwendung eines derartigen Wandlersability and / or a shape using such a transducer
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Wandler sowie eine Einrichtung zur Bestimmung eines Relativgeschwindigkeit und/oder einer Form unter Verwendung eines derartigen Wandlers. Die Erfindung kann bei der Erfassung einer Drehbewegung und/oder zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Körpers Anwendung finden. DieThe present invention relates to an electromagnetic converter and a device for determining a relative speed and / or a shape using such a transducer. The invention can be used in the detection a rotary movement and / or to determine the position and / or orientation of a body. the
Erfindung bezieht sich ferner auf eine Fernsteuervorrichtung und auf Vorrichtungen, die mit fernsteuerbaren mobilen Elementen versehen sind, beispielsweise Vorrichtungen zum Durchörtern des Bodens bzw. sog. "Maulwürfe".The invention further relates to a remote control device and to devices with remotely controllable mobile elements are provided, for example devices for penetrating the ground or so-called "moles".
Allgemein gesagt wird erfindungsgemäß eine Rotation eines Wandlers hervorgerufen, um ein sich synchron änderndes Magnetfeld zu erzeugen. Dieses Feld wird in einer oder mehreren Winkellagen erfaßt. Die Achse des Feldes bildet vorzugsweiseGenerally speaking, according to the invention, a rotation of a Converter caused to a synchronously changing magnetic field to create. This field is recorded in one or more angular positions. The axis of the field preferably forms
einen schiefen Winkel mit der Drehachse, so daß das Feld eine Kreisbewegung um die Achse ausführt.an oblique angle with the axis of rotation, so that the field performs a circular motion around the axis.
Das Feld ändert sich vorzugsweise mit der Zeit, d.h. es wird durch einen Wechselstron induziert, wobei das sich ändernde Feld induktiv über einen Detektor erfaßt wird. Der Grad der induktiven Kopplung zwischen dem Detektor und dem Feld ist von der Winkellage des Wandlers relativ zum Detektor abhängig.The field preferably changes with time, i.e. it is induced by an alternating current, whereby the changing field is detected inductively via a detector. The degree of inductive coupling between the detector and the field is dependent on the angular position of the transducer relative to the detector.
Bei einer Ausführungsform ist ein drehbarer Körper drehfest mit einem Wandler verbunden, der ein längliches ferromagnetisches Element umfaßt, das sich unter einem Winkel zur Drehachse erstreckt. Eine Erregerspule kann so angeordnet sein, daß ihre Achse mindestens eine koaxial zur Drehachse verlaufende Komponente besitzt, so daß das ferromagnetische Element induziert und in Längsrichtung magnetisiert werden kann. Die Achse des dann von dem magnetisierten Element aufgebauten Feldes ist zu dem Element ausgerichtet, verläuft jedoch unter einem Winkel zur Drehachse. Dieses Feld führt daher eine Kreisbewegung um die Drehachse synchron zur Drehung aus. Das rotierende Feld kann erfaßt werden. Eine Ausführungsform eines entsprechenden Detektors oder Empfängers umfaßt eine Detektorspule, die einen ferromagnetischen Kern aufweisen kann. Eine solche Detektorspule ist vorzugsweise so zu der Erregerspule angeordnet, daß im wesentlichen keine direkte induktive Kopplung zwischen ihnen vorhanden ist (in Abwesenheit des ferromagnetischen Elementes). Der Detektor ist vorzugsweise so angeordnet, daß der Grad der Kopplung mit dem Feld des Wandlers während der Rotation zwischen nahezu 0 und einem Maximalwert schwankt. Diese Erregerspule wird vorzugsweise mit Wechselstrom beaufschlagt, so daß sich das induzierte Feld des ferromagnetischen Elementes verändert, und der entstehende,In one embodiment, a rotatable body is rotatably connected to a transducer, which is an elongated ferromagnetic Comprises member extending at an angle to the axis of rotation. An excitation coil can be arranged be that its axis has at least one coaxial to the axis of rotation component, so that the ferromagnetic Element can be induced and magnetized in the longitudinal direction. The axis of the then magnetized by the Element built up field is aligned to the element, but runs at an angle to the axis of rotation. This Field therefore performs a circular movement around the axis of rotation, synchronized with the rotation. The rotating field can be detected. An embodiment of a corresponding detector or receiver comprises a detector coil which is a ferromagnetic May have core. Such a detector coil is preferably arranged to the excitation coil that in there is essentially no direct inductive coupling between them (in the absence of the ferromagnetic Element). The detector is preferably arranged so that the degree of coupling with the field of the transducer during the rotation fluctuates between almost 0 and a maximum value. This excitation coil is preferably operated with alternating current applied so that the induced field of the ferromagnetic element changes, and the resulting,
sich ändernde Fluß wird erfaßt.changing flow is captured.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Drehung einer Welle mit Hilfe eines ferromagnetischen Elementes, das fest mit der Welle verbunden ist, einer magnetisch mit dem Element gekoppelten Erregerspule und einer Detektorspule erfaßt. Die Erregerspule verläuft vorzugsweise koaxial zur Welle. Sie ist vorzugsweise stationär angeordnet (alternativ dazu kann die Erregerspule sich auch zusammen mit der Welle drehen, d.h. um das ferromagnetische Element gewickelt sein. Sie kann dann über Schleifringe erregt werden). Die Achse der Detektorspule verläuft vorzugsweise parallel zu einer Tangente auf die Erregerspule und im wesentlichen in einer radialen Ebene derselben. Der Detektor kann auch symmetrisch um die Rotationsachse angeordnet sein, wobei sich seine eigene Achse parallel zur Ebene der Erregerspule erstreckt. Die Achsen des ferromagnetischen Elementes, der Welle und der Erregerspule schneiden sich vorzugsweise etwa an einem Punkt. Vorzugsweise ist die Welle nicht magnetisch und nicht leitend, und zwar zumindest in der Nachbarschaft der Erregerspule und des ferromagnetischen Elementes.In a preferred embodiment, the rotation of a shaft with the help of a ferromagnetic element, which is fixed is connected to the shaft, detected an excitation coil magnetically coupled to the element and a detector coil. The excitation coil preferably runs coaxially to the shaft. It is preferably arranged in a stationary manner (alternatively the excitation coil can also rotate together with the shaft, i.e. wound around the ferromagnetic element be. It can then be excited via slip rings). The axis of the detector coil preferably runs parallel to a tangent to the excitation coil and essentially in a radial plane thereof. The detector can also be arranged symmetrically about the axis of rotation, with its own axis parallel to the plane the excitation coil extends. The axes of the ferromagnetic element, the shaft and the excitation coil intersect preferably at about one point. Preferably, the shaft is non-magnetic and non-conductive, at least in the vicinity of the excitation coil and the ferromagnetic element.
Wenn bei einer derartigen bevorzugten Ausführungsform die Erregerspule mit Wechselstrom beaufschlagt wird und die Welle rotiert, erzeugt das fluktuierende induzierte Feld des ferromagnetischen Elementes einen sich ändernden Magnetfluß innerhalb der Detektorspule, dessen mittlere Amplitude während einer einzigen Umdrehung der Wedle ein erstes Maximum, ein Minimum (im wesentlichen 0), ein zweites Maximum (einer unterschiedlichen Phase gegenüber der Erregung beim ersten Maximum) und ein zweites Minimum durchläuft. Die Detektorspule kann somit ein aufWhen in such a preferred embodiment alternating current is applied to the excitation coil and As the shaft rotates, the fluctuating induced field of the ferromagnetic element creates a changing one Magnetic flux within the detector coil, its mean amplitude during a single rotation of the frond a first maximum, a minimum (essentially 0), a second maximum (opposite a different phase excitation at the first maximum) and a second minimum. The detector coil can thus be on
die Drehung der Welle bezogenes Ausgangssignal zur Verfügung stellen. Eine Vielzahl von Detektorspulen, die in Winkelabständen um die Welle herum verteilt sind, können ein Mehrphasenausgangssignal zur Verfügung stellen, aus dem Informationen über die Winkellage der Welle abgeleitet werden können. In der Tat kann eine Vielzahl von Detektoren Daten über die Lage und Orientierung der Welle zur Verfügung stellen. Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Körper mit einer Wandlereinheit versehen, die eine drehbare Welle aufweist. Die Verwendung der vorstehend beschriebenen Detektoren macht es möglich, die Lage und Orientierung des Körpers festzustellen.provide the output signal related to the rotation of the shaft. A variety of detector coils used in Angular distances spaced around the shaft can provide a polyphase output signal from which information about the angular position of the shaft can be derived. In fact it can use a variety of detectors Provide data on the position and orientation of the shaft. In another embodiment, a Body provided with a transducer unit, which is a rotatable Having shaft. The use of the detectors described above makes it possible to determine the location and Determine the orientation of the body.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown in FIG Connection with the drawing explained in detail. Show it:
Figur 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung;FIG. 1 shows a side view of a device designed according to the invention;
Figur 2 eine Vorderansicht dieser Vorrichtung;Figure 2 is a front view of this device;
Figurencharacters
3a bis 3d Ansichten ähnlich Figur 1 zur Erläuterung3a to 3d views similar to FIG. 1 for explanation
Figur 4Figure 4
der Funktionsweise;the functioning;
ein Diagramm des Detektorausgangssignales;a diagram of the detector output signal;
Figuren
5 und 6characters
5 and 6
Ansichten ähnlich Figur 1, die andere Ausführungsformen zeigen;Views similar to Figure 1 showing other embodiments;
Figur 7a eine Ansicht ähnlich Figur 2, die einen Detektor in Form eines Toroids zeigt;Figure 7a is a view similar to Figure 2 showing a detector in the form of a toroid;
Figur 7b eine Seitenansicht der Vorrichtung der Figur 7a, wobei der Detektor im Schnitt dargestellt ist;FIG. 7b shows a side view of the device of FIG. 7a, with the detector in section is shown;
Figuren
8a und 8bcharacters
8a and 8b
Ansichten ähnlich den Figuren 7a und 7b, die eine weitere Ausführungsform zeigen;Views similar to Figures 7a and 7b showing a further embodiment;
Figur 9 ein Diagramm zur Erläuterung derFigure 9 is a diagram to explain the
Funktionsweise der Ausführungsform der Figur 8;Operation of the embodiment of Figure 8;
Figur 10Figure 10
Figur 11Figure 11
Figuren 12aund 12bFigures 12a and 12b
einen Vertikalschnitt durch eine Durchörterungsvorrichtung (Maulwurf) gemäß der Erfindung;a vertical section through a penetration device (Mole) according to the invention;
eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Durchörterungsvorrichtung; a perspective view of a second embodiment of one according to the invention trained piercing device;
Ansichten eines toroidischen Wandlers oder Aerials von der Seite und im Axialschnitt;Side and inside views of a toroidal transducer or aerial Axial section;
Figur 13 einen Axialschnitt durch den toroidischen Wandler der Figur 12, der desweiteren mit einer Längsspule ausgestattet ist;FIG. 13 shows an axial section through the toroidal transducer of FIG a longitudinal coil is equipped;
Figur 14 eine Ansicht ähnlich Figur 13, die eine modifizierte Ausführungsform zeigt;Figure 14 is a view similar to Figure 13 showing a modified embodiment;
Figur 15 einen Axialschnitt durch eine praktische Ausführungsform einer Sendeeinheit fürFIG. 15 shows an axial section through a practical embodiment of a transmission unit for
eine Durchörterungsvorrichtung; unda piercing device; and
Figur 16 ein Detail der Ausführungsform der FigurFigure 16 shows a detail of the embodiment of the figure
15 in anderer Orientierung. 515 in a different orientation. 5
Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Welle 10, deren Drehung untersucht werden soll und die zumindest in dem dargestellten Abschnitt nicht magnetisch und als elektrischer Isolator ausgebildet ist. Eine Bohrung 12 erstreckt sich durch die Drehachse unter einem spitzen Winkel. Ein ferromagnetisches Element 14 (das in geeigneter Weise aus Ferrit besteht) ist symmetrisch in der Bohrung befestigt, so daß es um gleiche Strecken auf jeder Seite aus dieser vorsteht und somit das Gleichgewicht der Welle 10 nicht stört.Eine stationäre Erregerspule 16 ist koaxial zur Welle 10 angeordnet und so um diese montiert, daß ihre mittlere Radialebene die Schnittebene der Achsen der Welle 10 und des Elementes 14 enthält. Die mittlere öffnung 18 der Spule 16 ist groß genug, um eine freie Drehung der Welle 10 und des Elementes 14 zu gestatten. Leitungen 20 führen zu einer Wechselstromquelle. Ein Detektor 22 besitzt eine längliche Spule 24, die um einen Ferritkern in der Formeines zylindrischen Stabes 26 gewickelt ist. Ihre Achse verläuft parallel zu einer Tangente auf die Erregerspule 16 oder die Welle 10 und befindet sich in der Mittelebene der Erregerspule 16.Figures 1 to 3 show a shaft 10, the rotation of which is to be examined and at least in the one shown Section is not magnetic and designed as an electrical insulator. A bore 12 extends through the axis of rotation at an acute angle. A ferromagnetic element 14 (which is suitably made of ferrite) is mounted symmetrically in the bore so that there are equal distances on each side protrudes from this and thus does not disturb the equilibrium of the shaft 10. A stationary excitation coil 16 is arranged coaxially to the shaft 10 and mounted around this in such a way that its central radial plane is the plane of intersection of the axes the shaft 10 and the element 14 contains. The central opening 18 of the coil 16 is large enough to be free Allow rotation of the shaft 10 and member 14. Lines 20 lead to an alternating current source. A Detector 22 has an elongated coil 24 wound around a ferrite core in the form of a cylindrical rod 26 is. Its axis runs parallel to a tangent to the excitation coil 16 or the shaft 10 and is located in the center plane of the excitation coil 16.
Im Betrieb wird ein Wechselstrom (vorzugsweise mit einer Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 150 kHz) an die Erregerspule 16 gelegt. Während eines Halbzyklus bewirkt der Strom eine Induktion des Ferritelementes 14, so daß dieses zu einem Stabmagneten mit einem Nordpol und einem Südpol an gegenüberliegenden Enden wird. Naturgemäß werden im nächsten Halbzyklus die Pole umgekehrt.In operation, an alternating current (preferably with a frequency in the range from 1 kHz to 150 kHz) is applied to the Excitation coil 16 placed. During a half cycle, the current induces the ferrite element 14 so that this becomes a bar magnet with a north pole and a south pole at opposite ends. Naturally the poles are reversed in the next half cycle.
Das Element 14 wird somit zu einem kontinuierlich umschaltenden Stabmagneten . Das vom Element 14 aufgebaute Magnetfeld besitzt eine Achse, die zur Drehachse der Welle 10 ausgerichtet ist, sich jedoch unter einem Winkel zu dieser erstreckt, so daß das Feld eine Kreisbewegung um die Welle 10 mit deren Drehgeschwindigkeit ausführt. Dieses Feld ist mit dem Detektor 22 gekoppelt, wobei der Grad der Kopplung von der Winkellage abhängt (man kann den induzierten Stabmagneten auch relativ zur Welle 10 in eine Axial- und eine Radialkomponente aufteilen). Die Radialkomponente bildet ein fluktuierendes Magnetfeld, das sich zusammen mit der Welle 10 dreht und mit dem Detektor 22 gekoppelt ist (wobei der Grad der Kopplung von der Winkellage abhängt). Wie man aus Figur 3 entnehmen kann, besitzt die Kopplung ein Maximum, wenn sich das Element 14 in einer Ebene parallel zum Detektor 22 befindet (Figuren 3a und 3c), und ist im wesentlichen gleich Null in um 90° dazu versetzten Positionen (Figuren 3b und 3d). Die von der Detektorspüle 24 induzierten Signale besitzen eine entgegengesetzte Phase (in Relation zum Erregersignal in der Erregerspule 16) in den Positionen der Figuren 3a und 3c. Das Erregersignal 29 und das Ausgangssignal der Spule 24 sind in Figur 4 dargestellt. Die durchgezogene Linie 30 und die gestrichelte Linie 32 zeigen die Signalmodulationsumhüllenden für eine Umdrehung. Dieser Abschnitt der Umhüllenden besitzt zwei Ausbauchungen B, B1 und einen Knoten N. Bei der ersten Ausbauchung B ist der Signalstrom 31 im Detektor phasengleich mit dem Erregersignal 29, während er in der zweiten Ausbauchung B' eine entgegengesetzte Phase besitzt. Diese Phasenbeziehung kann erfaßt und dazu verwendet werden, um ein eine Phaseninformation tragendesThe element 14 thus becomes a continuously switching bar magnet. The magnetic field built up by the element 14 has an axis which is aligned with the axis of rotation of the shaft 10, but extends at an angle to this, so that the field executes a circular movement around the shaft 10 at its rotational speed. This field is coupled to the detector 22, the degree of coupling depending on the angular position (the induced bar magnet can also be divided into an axial and a radial component relative to the shaft 10). The radial component forms a fluctuating magnetic field which rotates together with the shaft 10 and is coupled to the detector 22 (the degree of coupling depending on the angular position). As can be seen from Figure 3, the coupling has a maximum when the element 14 is in a plane parallel to the detector 22 (Figures 3a and 3c), and is essentially zero in positions offset by 90 ° (Figures 3b and 3d). The signals induced by the detector coil 24 have an opposite phase (in relation to the excitation signal in the excitation coil 16) in the positions of FIGS. 3a and 3c. The excitation signal 29 and the output signal of the coil 24 are shown in FIG. The solid line 30 and the dashed line 32 show the signal modulation envelopes for one revolution. This section of the envelope has two bulges B, B 1 and a node N. In the first bulge B, the signal current 31 in the detector is in phase with the excitation signal 29, while it has an opposite phase in the second bulge B '. This phase relationship can be detected and used to carry a phase information
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Ausgangssignal zu erzeugen, d.h. das durch die Linie 30 dargestellt ist. Dieses Signal ist quasi-sinusförmig, wobei die tatsächliche Form vom Winkel abhängt, den das Element 14 relativ zur Welle 10 einnimmt. Die Modulationsfrequenz ist in einfacher Weise auf die Drehgeschwindigkeit der Welle 10 bezogen. Das Ausgangssignal eines einzigen Detektors 22 kann somit ein Eingangssignal für einen entfernt angeordneten Tachometer 39 zur Verfügung stellen, der eine die Drehgeschwindigkeit wiedergebende Anzeige erzeugt.Output signal, i.e. that represented by line 30 is. This signal is quasi-sinusoidal, the actual shape depending on the angle that the element 14 relative to the shaft 10 assumes. The modulation frequency is based in a simple manner on the speed of rotation of the shaft 10 related. The output of a single detector 22 can thus be an input for a remote one Provide tachometer 39 available, which generates a display showing the speed of rotation.
Wenn weitere Detektoren 40a, b (Figur 2) in entsprechender Weise wie der Detektor 22 unter Intervallen von 120° angeordnet sind, bildet die Modulation der in den drei Detektoren induzierten Signale ein Dreiphasenmuster, aus dem die Winkellage der Welle über die vollen 360° genau errechnet werden kann. Zwei Detektoren mit einem Abstand von 90° führen in entsprechender Weise zu einem Zweiphasenergebnis. Naturgemäß können auch andere Mehrphasensysterne in entsprechender Weise erzeugt werden.If further detectors 40a, b (FIG. 2) are arranged in a manner corresponding to the detector 22 at intervals of 120 ° are, the modulation of the signals induced in the three detectors forms a three-phase pattern from which the The angular position of the shaft can be calculated precisely over the full 360 °. Two detectors 90 ° apart lead in a corresponding manner to a two-phase result. Of course, other multiphase systems can also be used in can be generated in a corresponding manner.
Vorzugsweise ist die oder jede Detektorspule 24 tangential zur Welle 10 und in der Ebene der Erregerspule 16 angeordnet, wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt. Hierdurch wird das Ausgangssignal vereinfacht, da eine direkte Kopplung mit der Erregerspule 16 vermieden wird. Es können jedoch auch andere Positionen Anwendung finden. Beispielsweise zeigt Figur 5 einen Detektor 40c, dessen Mittelpunkt noch in der Ebene der Erregerspule 16 liegt, dessen Achse jedoch parallel zu der Achse der Welle 10 verläuft. Dies führt zu einem Ausgangssignal, dessen Größe veränderlich ist, dessen Phase jedoch nicht veränderlich ist, wobei das Maximum der 0-Position der Figur 3b entspricht. Figur 6 zeigt einen Detektor 4Od, dessen Mittelpunkt auf der Achse der Welle 10 liegt und dessenThe or each detector coil 24 is preferably arranged tangentially to the shaft 10 and in the plane of the excitation coil 16, as shown in Figures 1 to 3. This simplifies the output signal, since it is a direct one Coupling with the excitation coil 16 is avoided. However, other positions can also be used. For example FIG. 5 shows a detector 40c, the center of which is still in the plane of the excitation coil 16, however, its axis runs parallel to the axis of the shaft 10. This leads to an output signal whose size is variable, the phase of which, however, is not variable, the maximum being the 0 position of FIG. 3b is equivalent to. Figure 6 shows a detector 40d, the center of which is on the axis of the shaft 10 and its
Achse normal zu dieser verläuft. Dies führt zu einem Ausgangssignal, bei dem sowohl die Phase als auch die Größe veränderlich sind.Axis runs normal to this. This leads to an output signal where both phase and size are variable.
Wie vorstehend erläutert, kann ein einziger Detektor zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit der Welle 10 verwendet werden, und eine Vielzahl von Detektoren kann benutzt werden, um Daten über deren Winkellage zu liefern. Ferner oder alternativ dazu kann eine Vielzahl von Detektoren eingesetzt werden, um die Orientierung der Welle relativ zu den Detektoren zu berechnen, falls diese veränderlich sein sollte. Daher kann ein Körper mit einer Wandlereinheit versehen werden, die eine drehbare Welle 10, ein ferromagnetisches Element 14 und eine Erregerspule 16 in der vorstehend beschriebenen Weise aufweist.As explained above, a single detector can be used to determine the speed of rotation of the shaft 10, and a variety of detectors can be used can be used to provide data on their angular position. Furthermore or alternatively, a plurality of Detectors are used to calculate the orientation of the shaft relative to the detectors, if any should be changeable. Therefore, a body can be provided with a transducer unit having a rotatable shaft 10, a ferromagnetic element 14 and an excitation coil 16 in the manner described above.
Das auf diese Weise erzeugte, eine Kreisbewegung ausführende Feld kann an vorgegebenen Stellen durch einen oder mehrere entfernt angeordnete Detektoren erfaßt werden. Die Kreisbe-. wegung des Feldes bedeutet, daß die Modulationstiefe und die Phaseneigenschaften eines erfaßten Signales die Orientierung des Detektors relativ zur Wandlereinheit anzeigen. Wenn diese Einheit einen festen Detektor (wie in Figur 6 angeordnet und in geeigneter Weise an einem Gehäuse der Welle 10 montiert) besitzt, kann durch einen Vergleich der Phase des Ausgangssignales dieses Detektors mit der eines entfernt angeordneten Detektors in einfacher Weise deren relative Orientierung bestimmt werden. Winkelunterschiede um die Drehachse (der Welle) entsprechen Phasenverschiebungen.The field, which is generated in this way and executes a circular movement, can be passed through one or more remotely located detectors are detected. The district. movement of the field means that the modulation depth and the phase properties of a detected signal the orientation of the detector relative to the transducer unit Show. If this unit has a fixed detector (as arranged in Figure 6 and suitably attached to a Housing of the shaft 10 mounted), can by comparing the phase of the output signal of this detector with that of a remotely located detector, their relative orientation can be determined in a simple manner. Angular differences around the axis of rotation (the shaft) correspond to phase shifts.
Durch die Verwendung eines Wechselstromes einer hohen Frequenz kann in einem Detektor ein hoher Variationsgrad des Flusses erzeugt werden, so daß eine Erfassung By using an alternating current of a high frequency, a high degree of variation of the flow can be generated in a detector, so that detection
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36T529136T5291
vom Stillstand an bis zu hohen Geschwindigkeiten und darüberhinaus über beträchtliche Entfernungen möglich ist. Darüberhinaus wird durch die Schräglage des induzierten Magneten das eine Kreisbewegung ausführende Feld erzeugt, dessen Eigenschaften weitere Bestimmungsarten möglich machen.from standstill to high speeds and beyond is possible over considerable distances. In addition, the inclined position of the induced Magnets that generate a circular motion field, the properties of which allow other types of determination do.
Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Vorrichtung, die im wesentlichen der der vorhergehenden Figuren entspricht, jedoch eine andere Ausführungsform eines Detektors besitzt. Anstelle der stabförmigen Detektorelemente 26, 40 etc. findet ein Detektor 41 in der Form eines Toroides, d.h. ein ringförmig ausgebildeter Detektor, Verwendung. Wie Figur 7 zeigt, wird ein toroidischer ferromagnetischer Kern 43 vollständig durch eine kontinuieriche, gleiche Abstände aufweisende Wicklung 44 besetzt. Die mit Pfeilen versehene strichpunktierte Linie L zeigt an, wie sich der im Stab 14 induzierte Fluß in zwei parallele Bahnen durch den Toroidkern aufteilt, so daß elektromotorische Kräfte erzeugt werden, die eine maximale Spannung an diametral gegenüberliegenden Abgriffsstellen x, x1 in Ausrichtung mit dem Stab 14 hervorrufen. Durch eine Drehung der Welle 10 wird die Spannung an diesen Abgriffsstellen nach einer Bewegung um 90° auf 0 reduziert. Eine weitere Drehung erhöht die Spannung, jedoch mit entgegengesetzter Phase relativ zur Frequenz des an die Erregerspule 16 angelegten Wechselstromes. Die Amplitude der Spannung durchläuft eine sinusförmige Bahn relativ zum Drehwinkel (genauer als bei den vorhergehenden Ausführungsformen). Drei Abgriffsstellen x, y, z, die unter Abständen von 120° angeordnet sind, erzeugen zwischen ihnen drei Phasen (Delta)Spannungen.FIGS. 7 and 8 show a device which essentially corresponds to that of the preceding figures, but has a different embodiment of a detector. Instead of the rod-shaped detector elements 26, 40 etc., a detector 41 in the form of a toroid, that is to say an annular detector, is used. As FIG. 7 shows, a toroidal ferromagnetic core 43 is completely occupied by a continuous, equally spaced winding 44. The dash-dotted line L with arrows indicates how the flux induced in the rod 14 is divided into two parallel paths through the toroidal core, so that electromotive forces are generated which generate a maximum voltage at diametrically opposite taps x, x 1 in alignment with the Create rod 14. By rotating the shaft 10, the voltage at these tapping points is reduced to 0 after a movement of 90 °. A further rotation increases the voltage, but with the opposite phase relative to the frequency of the alternating current applied to the excitation coil 16. The amplitude of the voltage follows a sinusoidal path relative to the angle of rotation (more precisely than in the previous embodiments). Three taps x, y, z, which are arranged at intervals of 120 °, generate three phase (delta) voltages between them.
Wenn vier Abgriffsstellen unter Abständen von 90° beiIf four tapping points at intervals of 90 ° at
x, y, χ1 und y1 der Wicklung 45 angeordnet sind, wie in Figur 8a gezeigt, durchlaufen die Signalspannungen, die an den diametral gegenüberliegenden Abgriffsstellen x, x1 und y, y' gemessen werden, sinusförmige Kurven, die um 90° gegeneinander verschoben sind. Obwohl die gemessenen Signale die Wechselstromträgerfrequenz in der Spule 16 umfassen, die durch die Stabdrehung in der in Figur 4 dargestellten Art und Weise moduliert wird, ist es bequemer, diese Signale nach einer Demodulation über herkömmliche elektronische Techniken (über Signalverarbeitungseinrichtungen 48) zu zeigen, so daß Gleichstrompegel erzeugt werdenderen Größe sich mit der Amplitude der Modulation ändert und deren Polarität sich mit der relativen Phase des modulierten Signales zur Versorgungsfrequenz ändert. Dieses Ergebnis ist in Figur 9 für die Konstruktion der Figur 8 dargestellt. Es ist augenscheinlich, daß die beiden Kurven dem Sinus und Cosinus des Drehwinkels entsprechen. Es können herkömmliche elektronische Techniken (über Signalverarbeitungseinrichtungen 48) Anwendung finden, um Analog- oder Digitaldaten herzuleiten, die die absolute Winkellage der Welle wiedergeben.x, y, χ 1 and y 1 of the winding 45 are arranged, as shown in Figure 8a, the signal voltages, which are measured at the diametrically opposite tapping points x, x 1 and y, y ', run through sinusoidal curves, which by 90 ° are shifted against each other. Although the measured signals include the AC carrier frequency in coil 16 which is modulated by rod rotation in the manner illustrated in Figure 4, it is more convenient to show these signals after demodulation via conventional electronic techniques (via signal processing means 48), see above that direct current levels are generated whose size changes with the amplitude of the modulation and whose polarity changes with the relative phase of the modulated signal to the supply frequency. This result is shown in FIG. 9 for the construction of FIG. It is evident that the two curves correspond to the sine and cosine of the angle of rotation. Conventional electronic techniques (via signal processing devices 48) can be used to derive analog or digital data representative of the absolute angular position of the shaft.
Die Vorrichtung weist daher das gleiche Verhalten auf wie ein herkömmlich ausgebildeter bürstenloser Drehmelder, jedoch mit einer viel einfacheren Konstruktion. Der herkömmlich ausgebildete Drehmelder besitzt einen gewickelten Zweiphasen-Stator und einen gewickelten Einphasen-Rotor und weist desweiteren einen Drehumformer auf, um die erforderliche Rotorerregung zur Verfügung zu stellen. Dies macht eine hohe Genauigkeit bei der Konstruktion und Wicklung erforderlich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht nur in der Herstellung einfacher und billiger, sondern eignet sich auch besser zu einer Miniaturisierung, da sie nur eine einzige Statoreinheit mit einem toroidischenThe device therefore has the same behavior as a conventionally designed brushless resolver, however with a much simpler construction. The conventionally designed resolver has a wound two-phase stator and a wound single-phase rotor and further comprises a rotary converter to the required To provide rotor excitation. This makes a high level of accuracy in the design and Winding required. The device according to the invention is not only simpler and cheaper to manufacture, but is also better suited to miniaturization, since it only has a single stator unit with a toroidal one
gewickelten Kern und einer inneren Erregerspule sowie einen nicht gewickelten Rotor aus einem Ferritstab oder einer äquivalenten laminierten Stahlkonstruktion aufweist. Die Ausführungsform der Figur 7 kann einen bürstenlosen Dreiphasen-Drehmelder ersetzen.wound core and an inner excitation coil as well as a non-wound rotor made of a ferrite rod or an equivalent laminated steel structure. The embodiment of Figure 7 can be a Replace three-phase brushless resolver.
Eine Vorrichtung zur elektromagnetischen überwachung, Anordnung und Spurführung von beweglichen Gegenständen außerhalb der Sichtweite wird nunmehr in Verbindung mit den Figuren 10 und 11 beschrieben.A device for electromagnetic monitoring, Arrangement and tracking of moving objects out of sight is now in connection with FIGS. 10 and 11 are described.
Es wurde bereits auf die Möglichkeit der Verwendung der Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Orientierung der Drehwelle und eines entfernt angeordneten Detektors hingewiesen. Ein spezielles Anwendungsbeispiel hierfür ist die elektromagnetische Vermessung von Positionen und Orientierungen, die nicht durch optische oder entsprechende Einrichtungen durchgeführt werden kann, d.h. wenn sich das zu vermessende Objekt untertage befindet.The possibility of using the device to determine the relative orientation of the Rotating shaft and a remotely located detector pointed out. A special application example for this is the electromagnetic measurement of positions and orientations that are not optical or equivalent Facilities can be carried out, i.e. if the object to be measured is underground.
Wenn ein Sender, der den rotierenden Wandler und die Erregerspule der Figur 1 enthält, an einem bekannten Punkt mit einer bekannten Orientierung angeordnet wird, wird in einem Empfänger, der typischerweise einen gewickelten Ferritstab umfaßt, der an dem zu ortenden oder zu führenden Objekt befestigt ist, ein Signal mit der an die Erregerspule angelegten Frequenz (Bezugsfrequenz) induziert, die jedoch je nach dem Grad der Drehung moduliert wird.. Die Modulationstiefe relativ zum Bezugsfrequenzsignal und die Amplitude ändern sich mit der Orientierung der Drehachse des Senders und der Stabachse des Empfängers in einer Weise, die eine mathematische Analyse und Berechnung möglich macht. Ein zweiter Sender, der an einer anderen bekannten StelleIf a transmitter, which includes the rotating transducer and the excitation coil of Figure 1, on a known Point with a known orientation is placed in a receiver, which is typically a coiled Ferrite rod includes, which is attached to the object to be located or guided, with a signal the frequency applied to the excitation coil (reference frequency) induced, however, depending on the degree of Rotation is modulated. The modulation depth relative to the reference frequency signal and the amplitude change with the orientation of the axis of rotation of the transmitter and the rod axis of the receiver in a way that is a makes mathematical analysis and calculation possible. A second transmitter in a different known location
_ -I Q __ -I Q _
angeordnet wird, macht in entsprechender Weise eine Berechnung der relativen Orientierung des Empfängers zum Sender möglich, so daß die beiden Ergebnisse eine Herleitung der tatsächlichen Position des Empfängers über eine Triangulierung ermöglichen. Falls eine gleichzeitige Berechnung durchgeführt werden soll, können unterschiedliche Bezugsfrequenzen für jeden Sender zusammen mit einer geeigneten Filterung der Empfängersignale verwendet werden. Es können natürlich auch mehr als zwei Sender Anwendung finden, um das Vertrauensniveau des Rechenergebnisses zu erhöhen. Eine entsprechende Anwendung ist in Figur 10 in Verbindung mit der einfachen überwachung der geradlinigen Bewegung eines Erddurchbohrungswerkzeuges und in Figur 11 in Verbindung mit der Führung einer lenkbaren Version eines solchen Werkzeuges dargestellt. is arranged, makes a calculation of the relative orientation of the receiver in a corresponding manner Transmitter possible so that the two results provide a derivation of the actual position of the receiver via enable triangulation. If a simultaneous calculation is to be carried out, different Reference frequencies are used for each transmitter along with suitable filtering of the receiver signals will. Of course, more than two transmitters can also be used to increase the trust level of the Increase calculation result. A corresponding application is shown in FIG. 10 in connection with the simple one monitoring of the rectilinear movement of an earth drilling tool and shown in Figure 11 in connection with the guidance of a steerable version of such a tool.
Wie man Figur 10 entnehmen kann, ist ein Durchbohrungswerkzeug ("Maulwurf") 50 so ausgebildet, daß es eine geradlinige Bahn durchläuft, die durch den dargestellten Pfeil angedeutet ist. Das Werkzeug wird über einen Schlauch 55 mit Hilfe eines Strömungsmittels angetrieben. Beispielsweise kann es sich hierbei um die Verlegung eines Rohres oder eines Kabels durch den Untergrund einer Straße handeln, ohne daß die Straßenoberfläche bzw. der darauf fließende Verkehr in Mitleidenschaft gezogen werden soll. Das Werkzeug kann jedoch aufgrund von Schwankungen in der Bodenkonsistenz oder infolge eines Auftreffens auf unerwartete Hindernisse von der geradlinigen Bahn abweichen, was zu unerwünschten Folgen führt, falls eine derartige Abweichung unentdeckt bleibt.As can be seen in Figure 10, there is a piercing tool ("Mole") 50 formed so that it traverses a rectilinear path through the illustrated Arrow is indicated. The tool is driven via a hose 55 with the aid of a fluid. For example, it can be the laying of a pipe or a cable through the ground act on a road without affecting the road surface or the traffic flowing on it should be drawn. However, the tool may be due to variations in soil consistency or deviate from the rectilinear path as a result of encountering unexpected obstacles, resulting in undesirable Consequences if such a deviation remains undetected.
Wenn an dem "Maulwurf" ein Empfänger 51 befestigt ist und sich die in einem Ausgangsschacht montierte Sendeeinheit 52 mit ihrer Welle in genauer Ausrichtung zu dem zu bohrenden Loch befindet, sollte das Signal, das vom Empfänger erfaßt und über das Kabel 60 entlang der Zuführung des pneumatischen oder hydraulischen Arbeitsmittels für das Werkzeug zurückgeführt wird, nur die Bezugsfrequenz enthalten und eine mit zunehmender Entfernung abnehmende Amplitude aufweisen, jedoch eine Null-Modulation besitzen, solange wie das Werkzeug und die Empfängerachse zusammenfallen. Wenn das Werkzeug von dieser geradlinigen Bahn um einen Divergenzwinkel d abweicht, wird das Signal vom Empfänger 51 mit der Rotationsfreqnanz moduliert. Die Modulationstiefe steigt mit d an. Die Phase dieser Modulation.schwankt mit dem Winkel p, bei dem es sich um die Abweichung relativ zu der erforderlichen Bohrungsachse handelt. Wenn der Sender mit einer Detektorbezugsspule 53 einer bekannten Orientierung um die Rotationsachse versehen ist, kann durch einen Vergleich der Phase des Signales 51 mit der Phase des Signales 53 (über Signalverarbeitungseinrichtungen 62) der Winkel ρ bestimmt werden. Dieses System ist daher in der Lage, auf einen über eine vorgegebene Grenze hinausgehenden Divergenzgrad aufmerksam zu machen und darüberhinaus die Richtung dieser Divergenz anzuzeigen.When a receiver 51 is attached to the "mole" and the transmission unit 52 mounted in an output shaft with its shaft in precise alignment with the The hole to be drilled should be the signal that should be detected by the receiver and transmitted over the cable 60 along the feeder of the pneumatic or hydraulic working medium for the tool is returned, only the Contain reference frequency and have a decreasing amplitude with increasing distance, but one Have zero modulation as long as the tool and the receiver axis coincide. When the tool deviates from this straight path by a divergence angle d, the signal from the receiver 51 with the Modulated rotation frequency. The modulation depth increases with d. The phase of this modulation varies with the Angle p, which is the deviation relative to the required hole axis. If the The transmitter is provided with a detector reference coil 53 of a known orientation about the axis of rotation by comparing the phase of the signal 51 with the phase of the signal 53 (via signal processing devices 62) the angle ρ can be determined. This system is therefore able to respond to a predetermined one To draw attention to the degree of divergence going beyond the limit and, moreover, the direction of this divergence to display.
Wie Figur 11 zeigt, ist das Durchörterungswerkzeug so ausgebildet, daß es ferngesteuert werden kann. Es besitzt zwei stabförmige Empfänger 51, 54. Bei diesen Empfängern handelt es sich um längliche Spulen auf ferromagnetischen Kernen. Zur Erleichterung der Berechnung sind sie vorzugsweise senkrecht zueinander angeordnet, wobei einAs Figure 11 shows, the penetration tool is designed so that it can be controlled remotely. It has two rod-shaped receivers 51, 54. These receivers are elongated coils on ferromagnetic cores. They are preferred for ease of calculation arranged perpendicular to each other, with a
Kern 51 genau zum Körper des Werkzeuges ausgerichtet ist. Es kann eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten Sendern vorgesehen sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel finden drei Sender (T-, T2 und T3) Anwendung. Jeder Sender besitzt eine bekannte Position, Neigung und Orientierung, die über normale Vermessungstechniken festgelegt worden sind. Der längliche Empfänger 51 empfängt von jedem Sender ein entsprechendes Signal, das eine auf die Relativlage und Orientierung eines entsprechenden Senders bezogene Modulation trägt. Durch eine Analyse der beiden Signale (über einen Computer 70) können dann die Vektoren V., V2 und V3, die die Position relativ zu den entsprechenden Sendern verkörpern, berechnet werden. Somit kann die genaue Lage des Werkzeuges berechnet und mit der erforderlichen Bahn verglichen werden, und es kann ein Korrektursignal an das Fernsteuersystem 64 abgegeben werden, falls dies notwendig sein sollte (die Sender können hintereinander eingeschaltet werden oder gleichzeitig, wenn sie unterschiedliche Frequenzen und/ oder Rotationswerte benutzen).Core 51 is precisely aligned with the body of the tool. A plurality of spaced apart transmitters can be provided. In the illustrated embodiment, three transmitters (T-, T 2 and T 3 ) are used. Each transmitter has a known position, tilt, and orientation that have been established through normal surveying techniques. The elongated receiver 51 receives a corresponding signal from each transmitter which carries a modulation related to the relative position and orientation of a corresponding transmitter. By analyzing the two signals (via a computer 70), the vectors V., V 2 and V 3 , which embody the position relative to the corresponding transmitters, can then be calculated. The exact position of the tool can thus be calculated and compared with the required path, and a correction signal can be sent to the remote control system 64 if this should be necessary (the transmitters can be switched on one after the other or at the same time if they have different frequencies and / or Use rotation values).
Damit das Steuersystem richtig funktioniert,ist es jedoch von Bedeutung, irgendwelche Veränderungen der Rollachse des Werkzeuges zu kennen. Wenn das Werkzeug mit Rippen 64 versehen ist, um beispielsweise eine Lenkung nach links oder rechts zu ermöglichen, wird ein Rollen des Werkzeuges um 90° bewirken, daß diese Rippen stattdessen eine Lenkung nach oben oder unten herbeiführen.However, in order for the tax system to work properly, it is It is important to know any changes in the roll axis of the tool. If the tool is with Ribs 64 is provided, for example to enable steering to the left or right, a rolling of the Tool by 90 ° cause these ribs to steer up or down instead.
Um diese Information zu erhalten, ist ein zweiter Empfänger 54 erforderlich, dessen Achse normal zur Achse des Längselementes 51 verläuft. Wenn sich die AchseTo obtain this information, a second receiver 54 is required, the axis of which is normal to Axis of the longitudinal element 51 runs. When the axis
54 beispielsweise in der Startposition des Werkzeuges horizontal erstreckt, besitzt irgendein vom Werkzeug empfangenes moduliertes Signal einen entsprechenden Phasenbezug wie ein Signal, das von einem anderen Empfänger 56 empfangen wird, der an einer ausgewählten Stelle horizontal angeordnet ist. Wenn das Werkzeug im Verlauf seiner Traversierung einen Rollvorgang durchführt, ist die Phasendifferenz zwischen den Signalen von 54 und 66 auf den Rollwinkel bezogen, wobei das Lenksystem so eingestellt ist, daß dies über geeignete Einrichtungen korrigiert wird.54 extends horizontally, for example in the starting position of the tool, has any of the tool received modulated signal has a corresponding phase reference as a signal received by another receiver 56 is received, which is arranged horizontally at a selected location. If the tool in the course of its Traversal rolls, the phase difference between the signals from 54 and 66 to the Roll angle related, the steering system is set so that this corrects via suitable devices will.
Die nachfolgend beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele für Ortungs- und Spurführungssysterne basieren aus Zweckmäßigkeitsgründen auf dem Konzept von festen Sendern und sich'bewegenden Empfängern. Es versteht sich jedoch, daß die Bedingungen auch vertauscht werden können, d.h. der Sender am beweglichen Objekt befestigt und die Empfänger an bekannten Stellen und in bekannten Lagen installiert werden können. In diesem Fall kann eine einzige Sendefrequenz für eine gleichzeitige Berechnung der Positionsvektoren von diversen Empfängern ausreichend sein.The exemplary embodiments described and illustrated below for locating and tracking systems are based for reasons of expediency on the concept of fixed transmitters and moving receivers. It goes without saying however, that the conditions can also be reversed, i.e. the transmitter attached to the moving object and the Receiver can be installed in known locations and in known locations. In this case can be a single Transmission frequency is sufficient for a simultaneous calculation of the position vectors of various receivers be.
Derartige Durchörterungs- bzw. Durchbohrungswerkzeuge und entsprechende Gegenstände können, beispielsweise durch Druckluft, von einer entfernten Stelle aus angetrieben werden, so daß die daran befestigten elektromagnetischen Elemente so ausgebildet sein müssen, daß sich die entsprechende Leitung für das Arbeitsmittel, beispielsweise ein Strömungsmittelschlauch, durch sie erstrecken kann. In jedem Falle können Kabel vorgesehen sein, um das Arbeitsmittel und/oder die entsprechenden Daten zu über-Such penetration or piercing tools and corresponding objects can, for example, through Compressed air, driven from a remote location, so that the attached electromagnetic Elements must be designed so that the corresponding line for the work equipment, for example a fluid tube through which it may extend. In any case, cables can be provided to Work equipment and / or the corresponding data
tragen. Das bedeutet, daß normalerweise nur ein ringförmiges Volumen zur Übertragung oder zum Empfang der entsprechenden Gegebenheiten zur Verfügung steht.wear. That means that usually only a ring-shaped Volume is available for transmission or reception of the corresponding conditions.
Wenn es gewünscht wird, eine separate Information über die Lage und den Rollvorgang zur Verfügung zu stellen, sind zwei getrennte Empfangs- oder Sendekanäle erforderlich. Diese können durch zwei gewickelte Aerials zur Verfügung gestellt werden, die unter einem rechten Winkel zueinander befestigt sind, wie in Figur 11 dargestellt. Diese Ausführungsform besitzt jedoch zwei Beschränkungen:If it is desired to provide separate information about the position and the rolling process, then two separate receive or transmit channels required. These can be provided by two coiled aerials fixed at right angles to each other, as shown in FIG. This embodiment however, has two limitations:
(a) Sie ist nicht ohne weiteres für den Durchgang einer Strömungsmittelleitung etc. geeignet;(a) She is not readily eligible for the passage of one Fluid line etc. suitable;
(b) die ferromagnetischen Stäbe, die in enger Nachbarschaft zueinander angeordnet sind, beeinflussen sich in einem bestimmten Ausmaß, so daß das von dem anderen Element ertastete oder erzeugte Feld örtlich verformt wird.(b) the ferromagnetic rods that are in close proximity are arranged to each other, affect each other to a certain extent, so that that of the other element sensed or generated field is locally deformed.
In den Figuren 12-14 sind Aerial- oder Wandlereinheiten dargestellt, mit denen diese Beschränkungen ausgeschaltet werden können. Bei diesen Einheiten ist das aktive Material ringförmig angeordnet. Dabei kann im wesentlichen das gesamte gemeinsame ferromagnetische Kernmaterial innerhalb einer jeden Fühlerwicklung verwendet werden, wobei eine derartige vorstehend erwähnte örtliche Beeinflussung und Feldverformung vermieden bzw. entsprechend reduziert wird.In FIGS. 12-14, aerial or converter units are shown with which these restrictions are eliminated can be. In these units, the active material is arranged in a ring. Essentially the entire common ferromagnetic core material can be used within each sense winding, with one such above-mentioned local influencing and field deformation is avoided or correspondingly reduced.
Wenn man mit den Erfordernissen für die Roilageerfassung bzw. Sendung beginnt, zeigt Figur 12 ein Aerial 78, das wie sämtliche Funkantennen zum Senden oder zum Empfang vonIf one begins with the requirements for the roilage detection or transmission, FIG. 12 shows an aerial 78 which like all radio antennas for sending or receiving
Signalen verwendet werden kann. Es umfaßt ein Toroid aus ferromagnetischem Material 80, bei dem es sich üblicherweise um einen spiralförmig gewickelten Stahlstreifen einer geeigneten Dicke mit entsprechenden magnetischen Eigenschaften für den jeweiligen Anwendungszweck handelt, auf dem sich eine toroidische Wicklung 82 befindet, die bei a und b endet. Diese umfaßt wiederum zwei nominell gleiche Abschnitte in Reihe, die jeweils 180° abdecken (einer auf jeder Seite des Durchmessers AB in Figur 12a) und so angeordnet sind, daß sich ihre elektromotorischen Kräfte addieren, wenn sie einem äußeren wechselnden Magnetfeld in Vertikalrichtung, die durch die gestrichelte Linie 84 in Figur 12a angedeutet ist, ausgesetzt werden. Es versteht sich, daß sich dabei der entstehende Flux im Kern durch jede Hälfte des toroidischen Kernes aufteilt; eine entsprechende Wirkung entsteht, wenn dieses Element als Sender verwendet wird. Erregerklemmen a, b mit einer Wechsel- oder Gleichspannung bilden an den Punkten A und B in einer dem historischen Grammewicklungsanker entsprechenden Weise Magnetpole, so daß ein Feld einer Orientierung A-B in dem Raum erzeugt wird. Wenn bei der Erregung Wechselstrom verwendet wird, ändert sich auch das Feld. Dies kann EMK-Signale in Empfangsaerialen einer geeigneten Orientierung (nicht gezeigt) induzieren.Signals can be used. It comprises a toroid of ferromagnetic material 80, which is usually around a helically wound steel strip of suitable thickness with appropriate magnetic Properties for the respective application purpose, on which there is a toroidal winding 82 which ends at a and b. This in turn comprises two nominally equal sections in a row, each covering 180 ° (one on each side of the diameter AB in Figure 12a) and are arranged in such a way that their electromotive forces add up when they change to an external one Magnetic field in the vertical direction, which is indicated by the dashed line 84 in Figure 12a, exposed will. It goes without saying that the resulting flux in the core runs through each half of the toroidal core divides; a corresponding effect arises when this element is used as a transmitter. Excitation terminals a, b with an alternating or direct voltage form at points A and B in one of the historical gram winding anchors corresponding magnetic poles, so that a field of orientation A-B is generated in the space. If at the excitation alternating current is used, the field also changes. This can emf signals in a receiving aerial induce appropriate orientation (not shown).
Das Aerial 78 (Antenne) dient somit als Sender. Bei dieser Betriebsart sind die Punkte C und D magnetisch neutral. Es versteht sich, daß das Aerial 78 auch als Empfänger verwendet werden kann. Die Figuren 7 und 8 zeigen ein Aerial 43, 44, das diese Funktion erfüllt. Ein äußeres Feld mit horizontaler Orientierung C-D führt zu einem Ausgangssignal von 0 an den Klemmen a und b. Der Signalausgang verändert sich daher etwa sinusförmig mit der Orientierung des Elementes zum äußeren W&chselfeld, wobei ein Maximum für die A-B-Richtung und ein Minimum für die C-D-Richtung erhalten wird. Die Phase des Signalausgangs ändert sich ebenfallsThe aerial 78 (antenna) thus serves as a transmitter. In this mode of operation, points C and D are magnetically neutral. It will be understood that the aerial 78 can also be used as a receiver. Figures 7 and 8 show an aerial 43, 44, which fulfills this function. An outer field with a horizontal orientation C-D leads to an output signal from 0 to terminals a and b. The signal output therefore changes approximately sinusoidally with the orientation of the element to the outer alternating field, with a maximum for the A-B direction and a minimum for the C-D direction is obtained. The phase of the signal output also changes
relativ zur Feldquelle, da die Rotation des Elementes und des Feldes relativ zueinander bewirkt, daß der Signalausgang den Nullzustand durchläuft. Die Signalamplitude und Signalphase können daher durch geeignet ausgelegte elektronische Systeme verarbeitet werden, um eine Information über die Winkelorientierungen des Empfängers und der äußeren Feldquelle zur Verfügung zu stellen, wie bereits in Verbindung mit den Figuren 7 bis 9 beschrieben worden ist. Ein entsprechender Sender dieser Konfiguration bewirkt, daß sich die Orientierung seines äußeren Feldes mit dem Rollwinkel ändert, der dann durch geeignete entfernt angeordnete Empfängersysteme erfaßt und interpretiert werden kann.relative to the field source, since the rotation of the element and the field relative to one another causes the signal output passes through the zero state. The signal amplitude and signal phase can therefore be designed appropriately electronic systems are processed to provide information about the angular orientations of the receiver and the external field source available, as already described in connection with FIGS. 7 to 9 has been. A suitable transmitter of this configuration causes the orientation of its external field changes with the roll angle, which is then detected and interpreted by suitable remote receiver systems can be.
Zur Axialpositionserfassung oder Sendung besitzt die in Figur 13 dargestellte Ausführungsform das gleiche toroidische Element 78, das desweiteren mit einer einfachen Längsspule 86 versehen ist, die um ein geeignetes Formelement 88 gewickelt ist, das die toroidische Wicklung umgibt. Es versteht sich, daß bei der Anwendung als Empfänger ein äußeres Wechselstromfeld in horizontaler oder axialer Richtung, wie durch die gestrichelte Linie 90 angedeutet ist, in dem ferromagnetischen Kern entlang des Toroides konzentriert wird und eine elektromotorische Kraft in der axialen Wicklung 86, jedoch nicht in der toroidischen Wicklung 82 erzeugt. Die induzierte elektromotorische Kraft besitzt ein Maximum, wenn die Feldrichtung und die Spulenachse zusammen fallen. Da sich die Richtung des äußeren Feldes von dieser Achse wegbewegt, fällt die elektromotorische Kraft auf Null ab, wenn beide rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Eine weitere Relativdrehung erhöht die elektromotorische Kraft, jedoch mit entgegengesetzter Phase relativ zu der Wechselstromquelle.The embodiment shown in FIG. 13 has the same features for axial position detection or transmission toroidal element 78, which is further provided with a simple longitudinal coil 86 which is wound around a suitable shaped element 88, which is the toroidal winding surrounds. It is understood that when used as a receiver, an external alternating current field in the horizontal or in the axial direction, as indicated by the dashed line 90, along in the ferromagnetic core of the toroid is concentrated and an electromotive force in the axial winding 86, but not in the toroidal winding 82 is generated. The induced electromotive force has a maximum when the field direction and the coil axis coincide. As the direction of the external field moves away from this axis, the falls electromotive force decreases to zero when both are perpendicular to each other. Another relative rotation increases the electromotive force, but in opposite phase relative to the AC power source.
Bei der Anwendung als Sender wird durch eine Erregung der Lenkspule 86 an den Klemmen c und d ein von der Spulenachse ausgehendes und darauf orientiertes Feld erzeugt. Das Signal von diesem Feld kann über geeignete entfernt angeordnete Empfängersysteme verarbeitet werden, um' eine Positionsinformation über die Relativlage und den Abstand von Sender und Empfänger zu erhalten.When used as a transmitter, an excitation of the steering coil 86 at the terminals c and d causes one of the coil axis outgoing and oriented field generated. The signal from this field can be located via appropriate remote locations Receiver systems are processed to 'position information about the relative position and the distance between transmitter and receiver.
Obwohl das erfindungsgemäße Prinzip in Verbindung mit einem vollständigen toroidischen Kern erläutert worden ist, können die gleichen Vorteile erhalten werden, indem man den toroidischen Kern und die Wicklungen in zwei Hälften unterteilt, wie dies in Figur 14 dargestellt ist. Dieser quasi-toroidische Kern ist in zwei Hälften 80a, 80b mit entsprechenden Wicklungsabschnitten 82a, 82b unterteilt. Durch das Freiliegen der Enden der Kerne an den Stellen A und B wird die Entwicklung oder das Ertasten von äußeren Feldern in A-B-Richtung verbessert. Ferner ist der wirksamste Abschnitt der toroidischen Wicklung der mittlere Abschnitt, so daß es für die Materialverwendung und den Betrieb wirksamer sein dürfte, nur kurze mittlere Wicklungen 82a und 82b zu verwenden, die wiederum in Reihe geschaltet sind. Die Entfernung von ferromagnetischem Material an den freiliegenden Punkten A und B besitzt nur eine geringe AbSchwächungswirkung auf die Kopplung zur Längswicklung 86, jedoch wird der Gesamtquerschnitt der Struktur eher oval als kreisförmig.Although the principle of the invention in conjunction with a full toroidal core has been explained, the same advantages can be obtained by using divided the toroidal core and windings into two halves, as shown in FIG. This quasi-toroidal core is divided into two halves 80a, 80b with corresponding winding sections 82a, 82b. By exposing the ends of the nuclei at points A and B, development or palpation becomes external Fields in A-B direction improved. Furthermore, the most effective section of the toroidal winding is the middle one Section, so it should be more efficient for material use and operation, only short middle ones To use windings 82a and 82b, which in turn are connected in series. The removal of ferromagnetic Material at the exposed points A and B has only a slight weakening effect on the coupling to the Longitudinal winding 86, however, the overall cross-section of the structure becomes oval rather than circular.
Ein einfacherer und billiger Weg zur Erzeugung eines modifizierten toroidischen Kernes mit verbessertem Vermögen, als Swei-Pol-Struktur in A-B-Richtung zu wirken, besteht darin, einen einfachen rohrförmigen Kern (wie den Kern 80 in den Figuren 12 und 13) zu nehmen und zwei diametral entgegengesetzte Reihen von diametral verlaufenden Löchern 90, 92 (Figur 12b) über die Länge des Kernes zu bohrenA simpler and cheaper way to produce a modified one toroidal core with improved ability to act as a Swei-Pol structure in A-B direction in taking a simple tubular core (like core 80 in Figures 12 and 13) and two diametrically drill opposing rows of diametrically extending holes 90, 92 (Figure 12b) the length of the core
(an den Stellen A und B in Figur 12). (Natürlich sind dann keine Wicklungen 82 in den Bereichen der Löcher 90, 92 vorhanden) .(at locations A and B in Figure 12). (Of course then no windings 82 present in the areas of the holes 90, 92).
Aus dem Vorhergehenden wird deutlich, daß der gesamte ferromagnetische Inhalt des toroidischen Kernes an beide Sätze von Wicklungen gekoppelt ist, so daß auf diese Weise Probleme der gegenseitigen Beeinflussung minimal gehalten werden können, die bei getrennt gewickelten Stäben aus Ferrit oder einem anderen geeigneten Material vorhanden sind. Es wird ferner deutlich, daß darin ein freier zylindrischer Raum für den Durchgang von Rohren oder anderen Kabeln geschaffen wird.From the foregoing it is clear that the entire ferromagnetic content of the toroidal core is applied to both Sets of windings are coupled so that in this way interference problems are kept to a minimum which are present in separately wound rods made of ferrite or another suitable material are. It is also clear that therein a free cylindrical space for the passage of pipes or other Cables is created.
Die Figuren 15 und 16 zeigen eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform eines Senders 100 für ein eine Kreisbewegung ausführendös Feld, der zur überwachung einer Durchörterungsvorrichtung geeignet ist, wie sie in den Figuren 10 oder 11 dargestellt ist. Der Sender besitzt eine Wandlereinheit 102, eine nicht metallische Welle 104 und eine Einrichtung 106 zum Drehen der Welle 104.Figures 15 and 16 show a presently preferred embodiment of a transmitter 100 for a circular motion Executing field used to monitor a penetration device is suitable, as shown in Figures 10 or 11. The transmitter has a converter unit 102, a non-metallic shaft 104, and means 106 for rotating the shaft 104.
Bei der Wandlereinheit 102 handelt es sich grundsätzlich um die gleiche, wie sie in Verbindung mit den Figuren 7 bis 9 beschrieben wurde. Es wurde jedoch vorgezogen, das ferromagnetische Element 108 hierbei als laminierter Stahlkern auszubilden, da ein solcher höhere Energie übertragen kann. Aus Gründen einer einfachen Konstruktion ist das Element 108 aus zwei parallelen Abschnitten gebildet, die jeweils aus einem Stapel von rechteckigen Schichten bestehen. Zur Montage dieser Abschnitte besitzt die Welle 104 zwei winklig ausgebildete Schlitze 110 (s. Figur 16) in einem mittleren Abschnitt 112. Die beiden Abschnitte des Elementes 108 sind mittels Klemmbolzen 114, die sichThe converter unit 102 is basically the same as that used in connection with FIGS to 9 has been described. However, it was preferred to have the ferromagnetic element 108 here as a laminated steel core to train, as such can transmit higher energy. For the sake of simple construction, this is Element 108 is formed from two parallel sections, each consisting of a stack of rectangular layers. To assemble these sections, the shaft 104 has two angled slots 110 (see FIG. 16) in a central section 112. The two sections of the element 108 are by means of clamping bolts 114, which are
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durch öffnungen in den Endbereichen de's Elementes 108 erstrecken und mit Muttern in Eingriff stehen, um die Welle 104 zusammengeklemmt.through openings in the end regions of the element 108 and engaged with nuts to clamp the shaft 104 together.
Die um ein Spulenelement 118 gewickelte Erregerspule 116 ist so ausgebildet, daß sie das Element 108 eng umgibt. Es ist daher beim Zusammenbau der Vorrichtung erforderlich, das Element 108 nach der Spule 116 zu montieren. Die beiden Abschnitte können in einfacher Weise in ihre entsprechenden Schlitze 110 eingesetzt und dann über die Bolzen 114 miteinander verbunden werden. Um das Element 108 um den Rotor 104 herum auszugleichen, ist dessen Lage durch veränderliche Gestängeteile, die sich von den Bolzen 114 zur Welle 104 erstrecken, feineinstellbar. Jedes Gestängeteil besitzt eine nicht metallische Zugstange 120, die sich zwischen den Abschnitten des Elementes 108 erstreckt, und einen länglichen nicht metallischen Zapfen 122,der sich von der Zugstange 120 durch die Welle 104 in einem verstellbaren Maß erstreckt. Jeder Zapfen 122 trägt ein nicht metallisches Ausgleichsgewicht 124, um auf diese Weise die vom Element 108 erzeugten Kräfte bei der Rotation der Welle 104 auszugleichen .The excitation coil 116 wound around a coil element 118 is designed so that it surrounds the element 108 closely. It is therefore, when assembling the device, it is necessary to mount the element 108 after the coil 116. The two Sections can easily be inserted into their respective slots 110 and then over bolts 114 together get connected. In order to balance the element 108 around the rotor 104, its position is variable Linkage parts that extend from bolts 114 to shaft 104 are finely adjustable. Every linkage part has a non-metallic tie rod 120 extending between the portions of the member 108, and a elongated non-metallic pin 122, which extends from the pull rod 120 through the shaft 104 in an adjustable Measure extends. Each peg 122 carries a non-metallic counterweight 124 to thereby reduce the weight of the element 108 to balance forces generated during the rotation of the shaft 104.
Die Dreheinrichtung 106 besitzt einen Motor 126, der mit der Welle 104 gekoppelt ist. Die Welle ist in Lagern 128The rotating device 106 has a motor 126, which with the shaft 104 is coupled. The shaft is in bearings 128
gelagert, die in nicht metallischen Endplatten 130 montiert sind, zwischen denen rohrförmige Gehäuseabschnitte 132, 134 gelagert sind, die sich mit dem Spulenhalter 118 in Eingriff befinden und diesen positionieren. 30mounted, which are mounted in non-metallic end plates 130, between which tubular housing sections 132, 134 are mounted, which are in engagement with the bobbin holder 118 and position it. 30th
Die Empfänger 136 für die Erzeugung eines Bezugssignales sind als Längsspulen ausgebildet, die um Ferritstäbe gewickelt sind, und sind in radialen Hohlräumen in einer Endplatte 130 montiert.The receivers 136 for generating a reference signal are designed as longitudinal coils which are wound around ferrite rods and are mounted in radial cavities in an end plate 130.
Die elektronischen Systeme, die zum Einfangen der Daten der eine Kreisbewegung durchführenden Felder der Sender von den Empfängersignalen erforderlich sind, sind vorstehend nicht beschrieben worden, da eine Vielzahl von unterschiedlichen Techniken und Schaltungen vom Fachmann hierfür eingesetzt werden kann und in Führungssystemen einschließlich Funkübertragungen zwischen dem geführten Objekt und den Empfangs- oder SteuerStationen Verwendung findet.The electronic systems used to collect the data from the circular motion fields of the transmitters of the receiver signals have not been described above, as a large number of Different techniques and circuits can be used by a person skilled in the art for this purpose and in guidance systems including radio transmissions between the guided object and the receiving or control stations finds.
Naturgemäß können die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren (sowie Teile derselben) in unterschiedlichen Situationen Anwendung finden und für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden als sie vorstehend beschrieben wurden.Naturally, the devices and methods described above (as well as parts thereof) can be used in different Situations apply and are used for different purposes than those described above.
Claims (1)
SCHUMANNSTR. 97 D-4OOO DÜSSELDORF 1PATENT AGENCY OFFICE
SCHUMANNSTR. 97 D-4OOO DÜSSELDORF 1
Dipl.-Ing. W. COHAJSZ · Dipl.-Ing. R. KNAUF ■ Dipl.-Igg. H. B. COHAUSZ · Dipl.-Ing. D. H. WERNER · Dr. rer. nat. B. REDIESPATENT LAWYERS:
Dipl.-Ing. W. COHAJSZ Dipl.-Ing. R. KNAUF ■ Dipl.-Igg. HB COHAUSZ Dipl.-Ing. DH WERNER Dr. rer. nat. B. REDIES
107. converter / receiver unit according to one of claims 3 to 6, characterized in that it further comprises a signal processing device (39, 48, 62, 70) which is connected to at least one receiver (22, 40a, b, 44, 51, 53 , 54, 56) is coupled to receive the electrical signal therefrom and is able to derive from the signal data relating to the rotation of the shaft (10, 104) and to display this data.
10
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