DE4001657A1 - Vorrichtung zur positionsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist grundsätzlich bereits aus der EP-PS 00 59 770 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung weist vier achssymmetrisch angeordnete Abgriffspulen (Empfangsspulen) und eine Erregerspule auf. Der Spulen­ körper besteht aus einem hochfesten, nicht magnetischen Kunststoff und ist kardanisch gelagert. Ein in dieser Weise gelagertes Element reagiert relativ träge, ist rei­ bungsbehaftet und weist darüber hinaus eine bestimmte Ei­ genfrequenz auf. Sobald das Element in Eigenfrequenz er­ regt wird, ist eine aussagekräftige Messung nicht mehr möglich.

Aus der DE-AS 17 73 303 ist eine andere Vorrichtung be­ kannt, bei der der Kern von einer gleichmäßig um diesen gewickelten Erregerspule umgeben ist, welche mittels ei­ ner periodischen Spannung bzw. eines periodischen Stroms derart angesteuert wird, daß der Kern weit genug in den Sättigungsbereich gesteuert wird. Die vier Empfangsspu­ len sind über den Umfang um jeweils 90 Grad versetzt an­ geordnet, wobei die einander diametral gegenüberliegen­ den Empfangsspulen gegeneinandergeschaltet sind. Durch Differenzbildung in den Empfangsspulenpaaren hebt sich in diesen grundsätzlich die transformierte Spannung auf. Ein externes Magnetfeld, insbesondere die Horizontal­ komponente des Erdmagnetfeldes, bewirkt jedoch eine Ver­ schiebung des Arbeitspunktes auf der Magnetisierungskenn­ linie. Daraus resultiert eine Phasenverschiebung, die ei­ nen sich nicht aufhebenden Spannungsanteil verursacht. Dieser besteht im wesentlichen aus Harmonischen gerader Ordnung der Erregerfrequenz, wobei deren Amplituden dem externen Magnetfeld proportional sind. In der mit dem Empfangsspulen verbundenen Auswerteschaltung wird zweck­ mäßigerweise die zweite Harmonische ausgewertet, um ein der Richtung des externen Magnetfeldes entsprechendes Si­ gnal zu erzeugen. Diese Vorrichtung ist infolge von Inho­ mogenitäten und Unsymmetrien im Kern und in den Spulen für exaktere Messungen nicht geeignet. Sie weist außer­ dem eine Vielzahl von Bauelementen auf und ist daher recht aufwendig.

Aus der DE-OS 30 12 241 ist eine weitere Vorrichtung zur Messung eines Magnetfeldes bekannt, bei der ein flüssig­ keitsgelagerter Schwimmer zur Anwendung kommt, der über einen in einer horizontalen Ebene liegenden Lagerzapfen schwenkbar ist. Der Lagerzapfen ruht in einer umlaufen­ den Führungsnut, so daß der Schwimmer auch eine Drehbewe­ gung ausführen kann. Eine feste Zuordnung des Schwimmers zu einer bestimmten Ausrichtung des Gehäuses ist damit nicht gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei mög­ lichst geringem Aufwand eine Messung von großer Zuverläs­ sigkeit und Genauigkeit liefert.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Vorrichtung zur Messung des Magnetfeldes,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verknüpfung der einzelnen Teile der Vorrichtung untereinan­ der.

Der in Fig. 1 in der Draufsicht dargestellte, nach außen hermetisch abgeschlossene Toroid 10 wird in einem nicht dargestellten Fernglas so angeordnet, daß er mit seiner Hauptebene in etwa waagerecht liegt und ist in seinem In­ neren teilweise mit einer möglichst niederviskosen Flüs­ sigkeit 11 gefüllt. Die Füllung entspricht vorzugsweise dem halben Toroid-Volumen. Durch die geringe Viskosität der Flüssigkeit wird eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit und eine geringe Neigung zur Blasenbildung gewährlei­ stet. Auf der Flüssigkeit schwimmt ein ringförmiges Ele­ ment 12 aus hochpermeablem Material, das auch mit einem Kunststoffmantel umgeben sein kann. Da der Toroid stets in einer im wesentlichen horizontalen Ebene gehalten wird und die Oberfläche der Flüssigkeit 11 sich selbst­ tätig horizontal ausrichtet, ist eine waagerechte Lage des ringförmigen Elements 12 sichergestellt. Dies ist Voraussetzung dafür, daß tatsächlich die horizontale Komponente des Erd-Magnetfeldes gemessen wird. Erreger­ spulen 13, 14, 15 und 16 umgeben den Querschnitt des To­ roids 10. Sie sind jeweils um 90 Grad gegeneinander ver­ setzt gleichmäßig über den Umfang des Toroids 10 ver­ teilt angeordnet und elektrisch so hintereinandergeschal­ tet, daß sie im ringförmigen Element 12 ein in sich ge­ schlossenes magnetisches Feld einheitlicher Richtung (beispielsweise im Uhrzeigersinn) erzeugen. Diesem so er­ zeugtem magnetischen Feld überlagert sich das externe ma­ gnetische Feld, das Erd-Magnetfeld, beispielsweise in Richtung des Pfeils 17 mit der Folge, daß im linken Teil des Toroids 10, d. h. im von der Erregerspule 15 umfaßten Querschnitt, sich erregtes Magnetfeld und Erd-Magnetfeld subtrahieren und im rechten Teil, d. h. im von der Erre­ gerspule 13 umfaßten Querschnitt, sich erregtes Magnet­ feld und Erd-Magnetfeld addieren. Daraus resultieren ent­ sprechende transformierte Spannungen und Ströme in den Empfangsspulen 18 und 19, die den Toroid 10 diamentral umfassen.

Die Aussteuerung der Erregerspulen 13 bis 16 erfolgt bis in den Bereich der Sättigung. Durch Differenzbildung in den Empfangsspulen 18, 19 hebt sich die in diesen indu­ zierte Spannung grundsätzlich auf. Das externe Magnet­ feld, also in diesem Fall das Erd-Magnetfeld in Richtung des Pfeiles 17, bewirkt jedoch eine Verschiebung des Ar­ beitspunktes auf der Magnetisierungskennlinie. Dies wie­ derum hat eine Phasenverschiebung zur Folge, aus der sich ein nicht kompensierter Spannungsanteil ergibt mit im wesentlichen Harmonischen gerader Ordnung der Eigen­ frequenz. Die Amplituden sind dem externen Magnetfeld, also dem Erd-Magnetfeld proportional.

Zur Auswertung wird vorzugsweise die zweite Harmonische herangezogen, um ein der Richtung des externen Magnetfel­ des entsprechendes Signal zu erzeugen.

Die Versatzwinkel der Erregerspulen 13 bis 16 und der Empfangsspulen 18 und 19 untereinander betragen bei der in den Figuren dargestellten Anzahl von vier Erregerspu­ len 13 bis 16 und zwei Empfangsspulen 18 und 19 unterein­ ander jeweils 90 Grad. Die Spulen der einen Art sind ge­ genüber den Spulen der anderen Art um 45 Grad gegeneinan­ der versetzt.

Bei abweichender Anzahl von Spulen ändern sich verständ­ licherweise auch die Winkel.

Das ringförmige Element 12 aus hochpermeablem Material wird bei Bedarf mit einem Kunststoffmantel umgeben, um die Schwimmfähigkeit des ringförmigen Elements 12 zu ge­ währleisten und das Gleiten auf der lnnenwandung des To­ roids 10 zu verbessern.

Bei einem Verdrehen des ringförmigen Elements 12 im Uhr­ zeiger- oder im Gegenuhrzeigersinn könnten Inhomogenitä­ ten zu Verfälschungen des Meßergebnisses führen. Aus die­ sem Grunde wird das ringförmige Element 12 bei Bedarf ge­ gen Verdrehung gesichert. Dies erfolgt über eine Füh­ rungsnut in der Ummantelung des ringförmigen Elements 12 und einen entsprechenden Vorsprung im Toroid 10 oder um­ gekehrt.

Die Meßergebnisse werden einer Auswerteeinrichtung zuge­ führt. Dies kann ein Mikroprozessor sein, der eine Viel­ zahl von Messungen in schneller zeitlicher Folge er­ laubt. Dabei kann es sich entweder um eine Vielzahl von Messungen mit unterschiedlicher Zielrichtung des Ferngla­ ses oder aber auch um eine Vielzahl von Messungen mit gleicher Zielrichtung des Fernglases handeln. Bei Posi­ tionsmessungen vom schwankenden Objekt aus, beispielswei­ se von einen Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug (z. B. bei Wellengang), kann dann mit Hilfe des Mikroprozessors aus der Vielzahl der Einzelmessungen ein Mittelwert - mit naturgemäß höherer Genauigkeit - gebildet und abgespei­ chert werden.

Die abgespeicherten Einzelmeßwerte oder gemittelten Meß­ werte können zu gegebener Zeit aus ihren Speicherplätzen abgerufen und auf einem Display angezeigt werden. Damit entfällt die Notwendigkeit umständlicher handschriftli­ cher Notizen während der Positionsmessungen unter mögli­ cherweise ungünstigen Wind- und Wetterverhältnissen.

Die gesamte Elektronik kann auf einer relativ kleinen Platine untergebracht werden, die oberhalb des üblichen Fernglasaufbaus angeordnet wird.

Konventionelle Peilferngläser benötigen beträchtliche Ausschwingzeiten bevor eine Messung durchgeführt werden kann. Mit der oben beschriebenen Vorrichtung verkürzen sich diese Zeiten ganz erheblich.

Für die Peilung wird das Fernglas mit einer an sich be­ kannten Strichplatte versehen.

Deklinationsfehler werden durch entsprechende Program­ mierung softwaremäßig kompensiert, und zwar durch Einga­ be eines dem jeweiligen Standpunkt auf der Erde entspre­ chenden Korrekturwerts, der einschlägigen Karten entnom­ men werden kann.

Zum Setzen der Deklination wird eine Taste gedrückt. Bei beispielsweise 10 Grad östlicher Deklination dreht sich der Peilende bei gedrückter Taste so weit nach rechts bis er die Anzeige 10 abliest. Bei zum Beispiel 20 Grad westlicher Deklination dreht er sich bei gedrückter Taste so weit nach links bis die Anzeige 340 Grad (360-20 Grad) erscheint. Anschließend gibt er die Taste wie­ der frei. Der jeweils abgespeicherte Deklinationswert wird auf einem speziellen Speicherplatz abgespeichert und kann als solcher auf Wunsch angezeigt werden.

Zum Ausgleich der Inklinationsfehler werden bisher unter­ schiedlich ausbalancierte Fluidkapseln verwendet. Für den Anwender bedeutet dies, daß er zur Benutzung des Fernglases in einer anderen Zone der Erde auch eine ande­ re Fluidkapsel benötigt. Diesen Austausch kann normaler­ weise nur der Hersteller durchführen. Im zuvor beschrie­ benen elektronischen System treten Inklinationsfehler nicht auf.

Das Peilfernglas wird mit handelsüblichen Batterien be­ trieben. Um die Energiequellen nicht unnötig in Anspruch zu nehmen, schaltet sich das Gerät nach einer vorgegebe­ nen Zeit der Nichtbenutzung selbsttätig aus.

Etwaige Fehler im System und unzureichender Ladezustand der Batterien können jeweils während der Einschaltphase angezeigt werden.

Die gemessenen bzw. abgespeicherten und abgerufenen Wer­ te werden bei Bedarf über ein LED-Display 23 (Fig. 3) an­ gezeigt und in den Strahlengang des Fernglases eingespie­ gelt. Ggfs. kann das LED-Display auch direkt im Strahlen­ gang des Fernglases eingebaut werden. Die Leuchtstärke kann nach der Helligkeit der Umgebung, d. h. nach dem durch das Objektiv einfallenden Licht, gesteuert werden, um unerwünschte Blendeffekte in der Nacht bzw. in der Dämmerung zu vermeiden.

In Fig. 3 werden die funktionellen Verknüpfungen der einzelnen Teile der Vorrichtung schematisch dargestellt. Vom Magnetfeldsensor 21 werden die gemessenen Werte an einen Mikrocomputer 22 weitergeleitet und verarbeitet sowie ggfs. korrigiert (Kompensation von Deklinations- und Inklinations-Fehlern u. ä.). Die unkorrigierten bzw. korrigierten Werte sowie die etwaigen Vorgaben im Rech­ nerprogramm können auf dem erwähnten LED-Display 23 an­ gezeigt werden. Diese Anzeige wird in den Strahlengang des Fernglases eingespiegelt, sofern das LED-Display 23 nicht direkt im Strahlengang des Fernglases angeordnet ist. Die jeweils gewünschten Funktionen des Mikrocom­ puters werden von einem Tastenfeld 25 aus gesteuert.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Ermittlung der jeweiligen Position auf der Erde über die Messung des Erdmagnetfeldes, beste­ hend aus einer Magnetfeldsonde mit einem in einer horizontalen Ebene gehaltenen ringförmigen Element aus hochpermeablem Material, Erregerspulen und zugehörigen Empfängerspulen sowie einer Meß- und einer Auswerteein­ richtung, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element (12) aus hochpermeablem Material schwimmend, aber gegen Verdrehung gesichert in einem etwa zur Hälfte mit einer Flüssigkeit gefüllten und hermetisch abge­ schlossenen Toroid (10) angeordnet ist, daß die Erreger­ spulen (13 bis 16) um jeweils einen ersten Winkel gege­ neinander versetzt gleichmäßig über den Umfang des Toro­ ids (10) verteilt sind und den Querschnitt des Toroids (10) umfassen und die Empfängerspulen (18, 19) um je­ weils einen zweiten Winkel gegeneinander versetzt gleich­ mäßig über den Umfang des Toroids (10) verteilt sind und den Toroid (10) diametral umfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulen (13 bis 16) jeweils um einen er­ sten Winkel von 90 Grad gegeneinander versetzt gleichmä­ ßig über den Umfang des Toroids (10) verteilt angeordnet sind und den Querschnitt des Toroids (10) umgreifen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Empfängerspulen (18, 19) jeweils um einen zweiten Winkel von 90 Grad gegeneinan­ der versetzt den gesamten Toroid (10) diametral umgrei­ fen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Flüssigkeit (11) im Toroid (10) um eine niederviskose Flüssigkeit handelt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element aus hochper­ meablem Material mit einem Kunststoffmantel umgeben ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffmantel mit einer Führungsnut zur Siche­ rung des ringförmigen Elements (12) gegen Verdrehung ver­ sehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Erregerspulen (13 bis 16) und Empfän­ gerspulen (18, 19) zueinander versetzt angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerspulen (18, 19) mit ei­ ner Meß- und einer Auswerteschaltung verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung mit einem Meßwerte-Speicher verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung mit einem Zusatz zur Kompensa­ tion von Deklinations- und Inklinationsfehlern versehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung mit ei­ nem Zusatz zur Mittelwert-Bildung aus einer Vielzahl in kurzer zeitlicher Folge erfaßter Meßwerte versehen ist.