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Erdinduktorkompaß zur Fernsteuerung beweglicher Körper Die Erfindung
betrifft eine Verbesserung an elektromagnetischen Erdinduktionskompassen, durch
welche der Bau eines Induktionskompasses mit Fernsteuerung und Fernanzeigeeinrichtung
ermöglicht werden soll, welcher mit Ausnahme des Zeigers und beweglicher Kontaktglieder
in allen seinen Teilen schiffsfest ist.
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Die Erfindung geht aus von einem bekannten Erdinduktork ompaß, der
aus zwei offenen, schiffsfest und zueinander senkrecht stehenden Magnetkreisen und
einem .damit ver-: bundenen geschlossenen Magnetkreis, der einen von dem Erregerwechselstrom
,durchflossenen Spulensatz - trägt, besteht, während die offenen Magnetkreise einen
zweiten Spulensatz tragen, jeder eine oder mehrere Wicklungen umfaßt, in welchem
nur durch den Fluß des erdmagnetischen Feldes Ströme erzeugt werden.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse ,des
zweiten Spulensatzes unmittelbar mit einem mit zwei Gleitkontakten versehenen Potentiometer
verbunden sind, .dessen eines bewegliches Kontaktglied mit der Mittelanzapfung eines
vorzugsweise mit ,der doppelten Frequenz des Erregerstromes gespeisten Widerstandes
oder Transformators verbunden ist, während mit dem anderen beweglichen Kontaktglied°undden
Enden dieses Widerstandes (Transformators) der Stromanzeiger so in Verbindung steht,
daß er eine Nullanzeige gibt, wenn das System der Magnetkreise zu dem magnetischen
Erdfeld in einer der Stellung der Gleitkontakte des Potenbiönieters entsprechenden
Trage sich befindet.
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Die Verbindung von Erdinduktorspulen mit einem mit Gleitkontakten
versehenen Potentiometer und die Anordnung eines Stromanzeigers in Brückenschaltung
mit -den Zweigen des Potentiometers, so @daß eine Nullanzeige entsteht, wenn das
System der Magnetkreise zu dem erdmagnetischen Feld in einer ;der Stellung der Gleitkontakte
des Potentiometers entsprechenden Lage sich befindet,
ist zwar an
sich bekannt, jedoch haben diese bekannten Geräte den Nachteil, mit umlaufenden
Spulen zu arbeiten. Andererseits hat der Erfindungsgegenstand gegenüber der Anordnung
nach dem Gattungsbegriff den Vorteil, daß er die Fernsteuerung und Fernanzeige ermöglicht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
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Abb. i zeigt in schematischer Darstellung und als Beispiel die allgemeine
Anordnung eines vollständigen Gerätes, wobei A den elektromagnetischen Komplex oder
das empfindliche Organ des Kompasses darstellt, B die Potentiometereinrichtung zeigt,
welche di'e Kurssteuerung,darstellt, während C das Anzeigeinstrument gier Kursabweichungen
ist.
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In Abb. a sind .durch Diagramme von a bis g verschiedene beim
Betrieb des Instruments erzeugte Stromformen gezeigt.
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Abb. 3 zeigt einen ringförmigen Träger mit profiliertem Rand zur Herstellung
des Widerstandes des Potentiometers entsprechend einer bestimmten Funktion.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, besteht das Organ A aus zwei
zueinander unter rechtem Winkel angeordneten Paaren von Eisenstäben i, 3 und 2,
4 aus einer Eisen-N IN ickellegierung ZD von hoher magnetischer Leitfähigkeit, die
derart zusammengebaut sind, daß sie teilweise einen viereckigen geschlossenen Magnetkreis
5, 6, 7, 8 bilden, der an den Ecken mit nach außen gerichteten Verlängerungen versehen
ist, welche unter der Wirkung des erdmagnetischen Feldes stehen, und ,die an -den
Enden der betreffenden Stabstrekken offene Magnetkreise bilden. Der geschlossene
magnetische Kreis ist mit Wicklungen 9, g'; i o, i o'; i i, i1'; 1.2, 12' versehen,
,die in der Zeichnung durch dünne Linien angegeben sind und welche, unter sich in
Serie geschaltet, von einem Wechselstrom oder einem beliebigen veränderlichen, vom
Speisestromkreis 13, 14 gelieferten Strom durchflossen und so angeordnet sind, daß
sie in dem geschlossenen magnetischen Kreis einen geschlossenen Fluß erzeugen, welcher
z. B. in einem gegebenen Augenblick die Richtung 5-6-7-8-5 hat. Da dieser Fluß in
Abhängigkeit von dem vom Speisestromkreis 13, 14 gelieferten Strom veränderlich
ist, wird er in den einzelnen Abschnitten 5-6, 6-7, 7-8, 8-5 Veränderungen der Leitfähigkeit
erzeugen. Demzufolge wird man eine Veränderung des magnetischen Widerstandes dieser
Strecken erhalten, .die für .alle Abschnitte gleich ist, da diese im magnetischen
Kreis in Serie angeordnet sind und daher von demselben veränderlichen Fluß durchströmt
wenden.
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Im mittleren Abschnitt eines jeden Stabes ist zwischen den mit .dünnen
Linien gezeichn eten Induktionswindungen eine unabhängige Wicklung 15, 15;
16, 16' angeordnet, welche in Reihe oder parallel mit den entsprechenden
Wicklungen auf dem parallelen Stab geschaltet sind. Man erhält auf diese Weise zwei
Stromkreise a, b- und c, d, in welchem der Fluf@, der von den vom Stromkreis
13, 14 gespeisten Windurigen erzeugt wird, keinen Strom induziert, <da .die Lage
der Wicklungen 15, 15'; 16, i (Y zu den anderen symmetrisch .ist und ihre
paarweise Verbindung dem von den dünn gezeichneten Windungen erzeugten Fluß entgegengesetzt
ist, der für jedes Paar paralleler Stäbe im einen Stab die entgegengesetzte Richtung
hat wie im andern Stab.
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Betrachtet man jedoch den ganzen vom Fluh $ des erdmagnetischen Feldes
umgebenen Komplex A, so werden sich infolge der Änderungen des magnetischen Widerstandes
der Strecken 5-6; 6-7; 7-8; 8-5 Änderungen des genannten Flusses in diesen Abschnitten
ergeben, und da dieser als ein für den Komplex von außen her kommender Fluß in den
parallelen Stabpaaren dieselbe Richtung und gleichen Sinn hat, so werden sich in
den Wicklungspaaren 15, 15' und 16, 16' induzierte Ströme von doppelter Frequenz
ergeben, welche sich nicht aufheben, und demzufolge an den Enden der Stromkreise
a, b und c, d induzierte Ströme, welche ausschließlich den Veränderungen
zuzuschreiben sind, welche dem die Stäbe durchziehenden Fluß vom erdmagnetischen
Felde aufgezwungen werden. Man wird daher an den Enden der Stromkreise a,
b und c, d nur dann Ströme erhalten, wenn der Komplex von Stäben und
Wicklungen in ein äußeres magnetisches Feld gelangt, während die Wirkung des von
den dünn gezeichneten Wicklungen erzeugten Flusses nur darin besteht, jene periodischen
Änderungen des magnetischen Widerstandes des Magnetkreises zu erzeugen, welche notwendig
sind, um analoge Änderungen in der Intensität des von außen her kommenden (äußeren')
Flusses zu erzeugen, welcher die Stäbe durchfließt.
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:Ulan beachte, .daß die in den Wicklungen 1 5, 15'; 16,
16' induzierten Ströme auch auftreten, wenn diese Wicklungen symmetrisch auf die
Abschnitte der Stäbe i, 2, 3, 4 verteilt werden, welche außerhalb des geschlossenen
Kreises 5-6-7-8 liegen, da sie von den Änderungen des äußeren Flusses $, der die
offenen von den vier Stäben gebildeten Magnetkreise durchfließt, erzeugt werden,
.durch die Wirkung der Änderungen des magnetischen Widerstand-es der Abschnitte
innerhalb des geschlossenen magnetischen Kreises.
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Das Verhältnis zwischen den Amplituden der von den Stromkreisen. a.,
b und c, d gelieferten Ströme ist eine Sinusfunktion des
Verhältnisses
zwischen den jeweiligen Winkeln, welche die beiden parallelen Stabpaare mit der
Richturig des Flusses 0 bilden, weshalb man aus dem Verhältnis zwischen den Amplituden
dieser beiden Ströme sofort auf die Richtung des empfindlichen Komplexes im erdmagnetischen
Feld schließen kann, und deshalb auch auf ,die Richtung des Fahrzeuges, auf dem
dieser Komplex eingebaut ist.
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Abb. 2 erläutert den Verlauf der verschiedenen Vorgänge und zeigt
Form und Amplitude der einzelnen Ströme in einigen Fällen. Angenommen, der Stromkreis
-13, 14 werde mit sinusförmigem Wechselstrom der in Abb. 2 a dargestellten Form
gespeist. Wenn der Komplex A . im erdmagnetischen Feld so eingestellt ist, da-ß
dessen Richtung z. B. parallel der Diagonale 17-18 des Vierecks 5-6-7-8 verläuft,
so werden die in den Wicklungspaaren 15, 15' und 16, 16' induzierten Ströme dieselbe
relative Amplitude haben, wie -dies in Abb. 2,b und 2,c dargestellt ist,
aber sie werden die doppelte Frequenz des oben beschriebenen, im Stromkreis 13,
i ¢ fließenden Stroms aufweisen. Richtet man dagegen .dem Komplex e derart, daß
die Stäbe 2 und q. zur Richtung des Flusses $ parallel werden, so wird man in den
Wicklungen 16, 16' einen Strom von höchster Amplitude erhalten (Abb.zd) und einen
Nullstrom in den Wicklungen 15, 15' (Abb.2e), da die entsprechenden Stäbe in--,diesem
Fall senkrecht zur Flußrichtung verlaufen. Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn die
Stäbe z und 3 in der Richtung des Flusses des erdmagnetischen Feldes eingestellt
sind (Abb. 2 f und 2 g) . -Es versteht sich, @daß die Richtungseinstellung,des Fahrzeugs,
auf dem dieser Komplex in unveränderlicher Lage eingebaut ist, im Raum ermittelt
wird. Die Steuerung dieser Richtungseinstellung des Komplexes und somit die Steuerung
des Fahrzeugs wird unter Benutzung der Methode des Nullzeigers aus beliebiger Entfernung
von dem Komplex mit Hilfe eines Potentiometer-Stromkreises erreicht, welcher es
gestattet, aus der Entfernung die entsprechenden Winkel zu bestimmen, welche die
Stäbe mit der Flußrichtung des erdmagnetischen Feldes bilden müssen, um in Aden
Stromkreisen ca, b und c, d Ströme zu erzeugen, welche sich in der Potentiometereinrichtung
ausgleichen und somit nicht auf den Nullzeiger einwirken.
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Die Potenfiiometersteuerung, welche die Kurssteuerung darstellt, ist
so eingerichtet, daß eine große Richtgenauigkeit erreicht und die Möglichkeit gegeben
ist, auch sehr kleine Winkel zu werten oder vorauszubestimmen, wobei sowohl,die
Abmessungen des Potentiometers als auch die des Kursanzeigers gering gehalten sind.
Wie beispielsweise in Abb. r gezeigt ist, umfaßt der Potentiometer B zwei Ohmsche
Widerstände in kreisförmiger Anordnung, von denen jeder nicht ganz geschlossen,
sondern auf einer kurzen Strecke 22, 23 beziehungsweise 22, 23' unterbrochen ist,
und die übereinanderliegen, so daß zwei parallele und gleichachsig angebrachte Drehkontakte
24 und 24' auf .den beiden Widerständen gleiten können, derart, daß jeder Stellung
eines der beiden Gleitkontakte auf seinem Widerstand eine sowohl geometrisch als
auch elektrisch genau gleiche Stellung des andern Gleitkontakts auf dem andern Widerstand
entspricht.
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Die Enden 2a und 23 des Widerstandes 21 sind mit :den kreuzweise entsprechenden
Enden 23 bzw. 22' des Widerstandes 21' oder umgekehrt verbunden, so @daß im selben
Sinne fortschreitend jeder Widerstand virtuell eine Verlängerung des andern ohne
Unterbrechung der elektrischen Kontinuität darstellt. Sie sind z. B. beide in gleiche
Weise mit den Enden a. und b der Wicklungen 16, i6' des Komplexes A verbunden, während
der elektrische und geometrische Mittelpunkt 25 bzw. 25' jedes Widerstandes mit
einem der Enden c und d der Wicklungen 15 und 15' verbunden ist.
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Mit der Achse 26 der beiden Gleitkontakte 2.4 und 24.' ist der Kursscheibenkranz
27 fest verbunden, und das ganze System kann zwecks Voreinstellung des Kurses durch
die Steuez, rung 28 und das Kegelräderpaar 29, 29' ge= .dreht werden. Der Kursscheibenkranz
ist auf seinem ganzen Umfang mit einer Gradeinteilung versehen, ausgenommen auf
einer kurzen Strecke, deren Lage und Winkelmaß einem der beiden Abschnitte 22, 23
oder 22', 23' der Unterbrechung der Widerstände entspricht. Die beschriebene Anordnung
dieser Widerstände gibt die Möglichkeit, die gesamten 36o° auf zwei je i8o"umfass.ende,
übereinander angeordnete Skalen zu verteilen, von (denen jede den gesamten Umfang
des Kursscheibenkranzes 27, vermindert um die genannten kurzen Strecken, ausfüllt,
und die so angeordnet sind, -daß beim Fortschreiten in derselben Richtung,die eine
die Fortsetzung der andern darstellt. Das Ablesen jeder Skala erfolgt mittels des
Zeigerstrichs 35, der in der Mitte eines kleinen Fensters des Rahmens 31 angebracht
ist, wobei der obere und der untere Rand des Rahmens so breit gehalten sind, daß
man durch Verschieben :des Rahmens in den Führungen 32 und 32' nur eine der beiden
Skalen durch das Fenster sichtbar machen, die andere aber verdecken kann. Dieser
Skalenwechsel kann durch eine Steuerung 36 bewirkt werden, welche einen Nocken 33
bewegt, auf dem ein Vorsprung 34 des unteren
Randes des Rahmens
31 aufruht. Die Steuerung 36 kann die beiden Lagen 37 und 37' einnehmen, von denen
jede einer Skala entspricht, und gleichzeitig kann sie durch den Hebel 38 einen
elektrischen Umschalter 39 betätigen. Dieser kehrt den jeweiligen Sinn .des Wechselstroms,
welcher im Stromkreis der beiden auf den Widerständen 25 und 25' gleitenden Kontakte
24 und 2d.' zirkuliert, um, so daß dem Ablesen einer bestimmten Skala auf dem Kursscheibenkranz
27 jeweils ein bestimmter Stromsinn im genannten Stromkreis entspricht. Dieser letztere
speist über die Leitungen .1o und 4, die vom Unischalter 39 herkommen, den Kursanzeiger
C, welcher ein Gleichstrominstrument mit mittlerer Nullage ist, und zwar geschieht
dies über eine Einrichtung, welche den im Stromkreis zirkulierenden Strom einsinnig
macht und es dein Instrument C ermöglicht, auch den Bewegungssinn des empfindlichen
Organs _1 im erdmagnetischen Feld anzuzeigen. Dies wird mit den beiden statischen
Gleichrichtern .I3 und :I3' für beide Halbwellen, die von dein Speisestrom des Stromkreises
13, 1d. erzeugt werden, bewirkt, und zwar über einen Widerstand 42 (oder Transformator)
mit zentraler Anzapfung.
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Da der Stromkreis der Gleitkontakte 24 und 24 von dein Strom
.durchflossen wird, der von den Induktionswicklungen des empfindlichen Organs A
kommt, in welchen, wie gesagt, ein ,Strom von der doppelten Frequenz des Speisestroms
13, 1d induziert wird, ist es für die Erzielung höchster Empfindlichkeit
der Anzeigung zweckmäßig, wenn auch nicht notwendig, zwischen den Stromkreis 13-1d.
und den Widerstand ..12 einen die Frequenz verdoppelnden Transformator 4.i einzuschalten,
welcher .dem Erregerstrom -der Gleichrichter 43 und .13' dieselbe Frequenz erteilt,
die der von 24 und 2q' kommende Strom besitzt.
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Die Wirkungsweise der ganzen Einrichtung, welche den Kompaß bildet,
ist ohne weiteres zu verstehen. jeder Lage, welche innerhalb einer Winkelverstellung
von 18o° (las Organ A im Rahmen einnehmen kann, entspricht eine analoge Lage der
Gleitkontakte 24 und 24' auf den Potentiometerwiderstäii-den 2i und 2z', welche
im Stromkreis .1o und 40' die Wirkung der in den Widerständen kreisenden Ströme,
die von denn Wicklungspaaren a., b und e, c! kommen, aufhebt. Der Strom im
Kreise 40 und .Io' wird daher gleich Null, wenn das Verhiiltnis zwischen den Winkeln,
welche bei einer gegebenen Lage rlie Stäbe 1, a und z, 4. oder umgekehrt mit dem
Fluß $ des erdmagnetischen Feldes bilden, gleich dein Verhältnis ist, das zwischen
den beiden Widerstandsabschnitten besteht, die zwischen den Gleitkontakten, den
zentralen Punkten 25, 2s und den Enden 23, 23 oder 22, 22' liegen. Die Umkehrung
des empfindlichen Organs A um 18o° gegenüber wird ebenfalls im Stromkreis q.0, 4o'
bei gleichbleibender Lage .der Gleitkontakte auf den Widerständen einen Nullstrom
ergeben, da das Verhältnis zwischen den entsprechenden Winkeln zwischen den parallelen
Kernpaaren und ,dem Fluß ,das gleiche bleibt. Für diesen Sinn der Winkelbewegung
des empfindlichen Organs A gegenüber dem Fluß (P werden jedoch die entsprechenden
Zunahmen und Abnahmen der in den beiden Wicklungspaaren der Stäbe induzierten Ströme
vertauscht, weshalb ein Phasenwechsel zwischen dem Strom des Kreises der Gleitkontakte
24,24' und denn Speisestrom der Kupplung q2 eintritt. In diesem Fall würde sich
der Zeiger des Instruments C entgegengesetzt zum wirklichen Sinn der Bewegung des
Elements A drehen, und man würde gleichzeitig auf der im Fenster des Rahmens 31
sichtbaren Skala einen gegenüber dein wahren Kurs uni i 8o' verdrehten Kurs ablesen.
Die Betätigung der Steuerung 36, die den Strom im Kreis 40, .z umschaltet und die
Skalen wechselt, gibt jedoch der Ablesung ihren richtigen Wert.
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Da, wie gesagt, das Verhältnis zwischen den Strömen in :den Stromkreisen
a, b und c, d eine Sinusfunktion des Verhältnisses zwischen den entsprechenden
Winkeln ist, welche die parallelen Stabpaare mit der Richtung des Flusses 0 bilden,
so dürfen die Widerstände 21 und 2i' nicht linear sein, sondern müssen sinusförmigen
Verlauf haben, damit die Skalen des Kursscheibenkranzes a; geradlinig verlaufen
können.
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Das kann beispielsweise in der in Abb.3 dargestellten Weise erreicht
werden, d. h. indem man dem Auflager eines jeden der beiden Widerstände die Form
eines Zylinders oder eines Ringes 4 gibt, dessen den Widerstand tragenden Rand .l5
man ein geeignetes sinusförrniges Profil gibt.
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Die hier beschriebene Potentiometereinrichtung ermöglicht die Erreichung
höchster Kursgenauigkeit bei geringsten Abmessungen und bietet den Vorteil, @daß
die Umkehr des Kurses durch alleinige Betätigung der Steuerung 36 ermöglicht wird.