-
Kursanzeigende Vorrichtung nach dem Induktionsprinzip Induktionskompasse
und ähnliche kursanzeigende Vorrichtungen nach dem Induktionsprinzip mit einem vorzugsweise
im Azimut einstellbaren System von hochpermeablen Eisenkernen, von denen der mittlere
mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit umläuft und die äußeren als Feldsammler
füi die Horizontalkomponente des erdmagnetischen Feldes dienen und außerdem durch
ein konstantes Wechselfeld erregt werden und mit mehreren Wicklungen umgeben sind,
so daß beim Umlaufen des mittleren Eisenkerns in den Wicklungen eine Wechselspannung
erzeugt wird, die nach Gleichrichtung einem Meßinstrument für Gleichstrom zugeführt
wird, sind bekannt, beispielsweise durch die amerikanische Patentschrift s 886 336.
Derartige Vorrichtungen haben jedoch den erheblichen Nachteil, daß im System auftretende,
störende Stromkomponenten, die dem für Gleichstrom vorgesehenen Meßinstrument zugeführt
werden, mehr oder weniger fehlerhafte Anzeigen verursachen.
-
Die Erfindung betrifft eine kursanzeigende Vorrichtung nach dem Induktionsprinzip,
bei welcher dieser Übelstand dadurch beseitigt ist, daß an Stelle eines Meßinstruments
für Gleichstrom ein wattmetrisches Instrument verwendet wird, und zwar ist die von
dem Gleichrichter kommende Spannung an die eine Wicklung des wattmetrischen Instruments
gelegt, dessen andere Wicklung von dem niederfrequenten Strom des konstanten Wechselfeldes
gespeist wird. Der hierdurch gebotene wesentliche Vorteil besteht darin, daß das
wattmetrische Instrument infolge seines Prinzips nur bei solchen Stromvorgängen
durch die Stromspule anzeigt, die
die gleiche Periodenzahl haben
wie das konstante Wechselfeld. Da hierdurch vermieden wird, daß andere, im System
auftretende störende Wechselstromkomponenten das Meßinstrument beeinflussen können,
erhält man nach der Erfindung äußerst stabile Anzeigen. Das wattmetrische Instrument
gibt einen Ausschlag, der u. a. von dem geographischen Winkel zwischen der Längsrichtung
der Eisenkerne des Systems und der Richtung der Horizontalkomponente des erdmagnetischen
Feldes abhängig ist. Man kann dabei entweder diesen Winkel direkt auf dem wattmetrischen
Instrument ablesen oder die Eisenkerne in an sich bekannter Weise in diejenige Richtung
nachstellen, in welcher das wattmetrische Instrument Nullanzeige gibt, wobei die
Längsrichtung der Eisenkerne im Verhältnis zu dem erdmagnetischen Feld festgelegt
ist und somit die Richtung dieses Feldes abgelesen werden kann.
-
Die Erfindung wird im Zusammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben,
in welcher Fig. i eine einfache Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 ein Diagramm
zur Erklärung der Wirkungsweise der Erfindung, Fig. 3 ein Beispiel für das Aussehen
der Skala des wattmetrischen Instruments und Fig. 4 einen Teil einer gegenüber der
Fig. i abgeänderten Ausführungsform zeigt.
-
Bei der Vorrichtung der Fig. i besteht der magnetische Kreis aus den
beiden festen Feldsammlern io und ii sowie aus dem zwischen ihnen angeordneten Kern
12 aus magnetisierbarem Stoff, der sich um eine Welle 13 dreht, die bei 14 und 15
gelagert ist. Die Kerne io und ii sind mit je einer Wicklung16 bzw. 17 umgeben,
die in Reihe geschaltet sind. Ihre freien Enden sind miteinander über einen Gleichrichter
18 und einen Widerstand zg verbunden, der für Wechselstrom höherer Frequenz- durch
einen Kondensator 2o überbrückt ist.
-
Eine Elektronenröhre 21 ist so mit dem Kreis vereinigt, daß ihre Kathode
über einen Kathodenvorspannungswiderstand 22 an der einen Klemme des Widerstandes
ig liegt, während ihr Steuergitter an die andere Klemme des Widerstandes ig angeschlossen
ist. Der Kathodenvorspannungswiderstand 22 ist in üblicher Weise für Wechselstrom
durch einen Kondensator 23 überbrückt. Der Anodenkreis der Elektronenröhre 2i geht
über die Primärwicklung 24 eines Niederfrequenztransformators, der auf die Modulationsfrequenz
mittels eines Kondensators 25 abgestimmt ist, während die Sekundärwicklung 26 mit
dem einen Spulensystem 27 eines wattmetrischen Instruments vereinigt ist, dessen
Zeiger über eine Skala 28 arbeitet. Das andere Spulensystem des Instruments ist
mit einem vorhandenen elektrischen Netz 30 für Wechselstrom von einer festen
Frequenz verbunden.
-
An das Netz 30 ist weiter eine Spule 31 angeschlossen, die
in Reihe mit einem Phasenkorrektionsfilter 32 liegt. Die Spule 31 ist in solcher
Stellung zu den Feldsammlern io, ix angeordnet, daß das von der Spule erzeugte Feld
eine polarisierende Wechselfeldwirkung erzeugt. Das phasenkorrigierende Filter 32
kann im einfachsten Fall aus einem -Ohmschen Widerstand bestehen.
-
Die oben beschriebene Vorrichtung nach Fig. i wirkt in der folgenden
Weise Es wird angenommen, daß die Welle 13 mit einer Winkelgeschwindigkeit von 2
co, umläuft, während das Netz 3o eine Kreisfrequenz von c)2 hat. Weiter wird die
Horizontalkomponente des erdmagnetischen Feldes mit HI,, der Winkel, den die Feldrichtung
mit der Längsrichtung des Magnetsystems io, ii bildet, mit a und die Amplitude der
Feldstärke des von der Spule 31 erzeugten Feldes mit Hm bezeichnet.
-
Während der Umdrehung des Rotorteils 12 entsteht infolgedessen ein
Wechselfeld 0 durch den magnetischen Kreis, dessen Größe wird 0 -- K1 (H7, cos a
+ Hm sin co2t) cos colt, (i) wo K1 eine von den Eigenschaften des Magnetsystems
bestimmte Konstante bezeichnet. Zur Bestimmung der in den Wicklungen 16, 17 induzierten
Spannung wird der Ausdruck für 0 differenziert:
Für die Erfindung ist es von besonderer Bedeutung, daß co, klein gegen col ist.
Man ist deshalb berechtigt, den letzten Summanden zu vernachlässigen. Damit ergibt
sich die Spannung in den Wicklungen 16, 17 zu e = K2 (H1, cos a -E-
Hm sin «)2t) sin Colt. (3)
In Gleichung (3) bezeichnet K2 eine von
K1, den Daten der Wicklungen und col bestimmte Konstante.
-
Es ist der Formel (3) zu entnehmen, daß es sich hier um ein normales
moduliertes Signal mit der Trägerfrequenz co, und der Modulationsfrequenz c)2 handelt.
-
Der Gleichrichter muß in dem benutzten Arbeitsbereich eine im wesentlichen
quadratische Charakteristik aufweisen. Die von ihm durchgelassenen Ströme erzeugen
an dem Widerstand ig einen Spannungsabfall, dessen hochfrequenter Anteil durch den
Kondensator 2o beseitigt wird. An dem Gitter der Verstärkerröhre 21 liegt daher
im wesentlichen eine niederfrequente Spannung, und zwar ist diese Spannung wegen
der erwähnten quadratischen Charakteristik des Gleichrichters proportional dem Quadrat
der Klammer in der Gleichung (3), nämlich Hh,2 cos la + 2 Hi, Hm cos
a sin co,t + Her, 2 sin Icozt. (4)
Von den Gliedern dieses Ausdrucks
ist, wie sich aus dem Folgenden ergibt, nur das zweite von Bedeutung für die Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Anordnung. Diesem Glied entspricht am Ausgang des Verstärkers
21 eine Spannung EL = K3 HA H", cos a sin a),t, (5)
in welcher Gleichung
K3 eine von K2 sowie von den Eigenschaften des Gleichrichters 18 und des Verstärkers
bestimmte Konstante bezeichnet.
-
Die Spannung Er wird der einen Wicklung eines wattmetrischen
Instruments zugeführt, dessen andere
Wicklung unmittelbar von den
Netzklemmen 30 mit einer Spannung E" gespeist wird. Es wird angenommen, daß
das Filter 32 richtig bemessen ist, wobei die beiden Spannungen in Phase miteinander
sein sollen. Das Drehmoment des wattmetrischen Instruments wird dann erhalten als
M, = K4 EL & = K4 HI, &t E", cos a. (6) Aus der Gleichung
(6) ist zu ersehen, daß der Ausschlag des Wattmeters direkt von dem geographischen
Winkel zwischen der Richtung des Erdfeldes und der Längsrichtung der Feldsammler
io, ii abhängig ist. Die Abhängigkeit wird in Form einer Kosinuskurve ausgedrückt,
welche bekanntlich in Polarkoordinaten das Aussehen einer Kurve nach Fig.2 hat.
Eine Untersuchung der Form der Kurve zeigt, daß der maximale Ausschlag in den beiden
Richtungen N und S erhalten wird, während der Ausschlag in den beiden geographischen
Richtungen 0 und W gleich Null wird. In der Praxis ist es selbstverständlich nicht
immer angebracht, das Instrument als direktanzeigendes Instrument zu benutzen, weil
dabei eine Mehrzahl von Unsicherheitsquellen bzw. Fehlerquellen auftritt. Als Unsicherheitsquelle
kann die Abflachung der Kurve nach Fig. 2 in der Nähe von Nord und Süd angesehen
werden, und als Fehlerquelle kann der Umstand gelten, daß der Ausschlag des Instruments
nicht nur von dem obengenannten geographischen Winkel abhängig ist, sondern auch
von der Feldstärke der Horizontalkomponente des Erdmagnetismus, vorausgesetzt, daß
das Instrument sich immer in horizontaler Lage befindet. Man kann aber mit verhältnismäßig
einfachen Mitteln sicherstellen, daß das Instrument sich immer in horizontaler Lage
befindet, wenn man in bekannter Weise das umlaufende System :[2,13 mit einem Gyroskop
vereinigt, wodurch die letzterwähnte Fehlerquelle völlig oder fast völlig beseitigt
wird. Dagegen kann man nicht in dieser Weise diejenige Fehlerquelle beseitigen,
die sich darin äußert, daß die Horizontalkomponente des Erdmagnetismus von Ort zu
Ort auf der Erde an Feldstärke veränderlich ist. Die Voraussetzung dafür, daß ein
Instrument der beschriebenen Art als direktanzeigendes Kompaßinstrument benutzt
werden kann, ist deshalb, daß man Kenntnis von der Feldstärke der Horizontalkomponente
des Erdmagnetismus an demjenigen Ort hat, wo das Instrument benutzt wird, sowie
daß die Skala des Instruments so angeordnet ist, daß man mit hinreichender Sicherheit
die Richtung bei verschiedenen Werten der genannten Feldstärke ablesen kann. Eine
solche Skala kann man leicht in Form eines Diagramms herstellen, wie dies in Fig.
3 gezeigt wird. Es liegt aber in der Natur der Sache, daß ein solches Diagramm für
den einfachen Seemann oder für diejenige Person, die an schwierigere Instrumentenablesungen
nicht gewöhnt ist, schwer ablesbar sein kann.
-
In dem Diagramm nach Fig.3 bezeichnen die verschiedenen konzentrischen
Kreise die Ableselinien für verschiedene Werte der Horizontalkomponente der Feldstärke,
während die gekrümmten radialen Linien die Ablesewerte der geographischen Richtung
bezeichnen. Es sei erwähnt, daß die Linie Ost-West in Fig. 3 den Nullwert des Instruments
bezeichnet, da, wie aus Fig. 2 ersichtlich, der Ausschlag in dieser Richtung Null
sein soll. Mit Bezug auf die beiden Richtungen 0 und W werden deshalb die radialen
Kurven linear, und die obenerwähnte Schwierigkeit bei der Ablesung liegt deshalb
in diesen beiden Richtungen nicht vor. Hiervon kann man dadurch Gebrauch machen,
daß man die Feldsammler io, ii von Hand oder selbsttätig einstellbar zusammen mit
einer linear geteilten Windrose anordnet, auf welche man dann die geographische
Richtung ablesen kann. Bei Benutzung des Instruments in der letzterwähnten Weise
hat man nur die Längsrichtung der Feldsammler io, ii so einzustellen, daß das wattmetrische
Instrument Nullanzeige macht, urid man kann danach die geographische Richtung als
denjenigen Winkel bestimmen, um den die Feldsammler io, ii gedreht worden sind,
da die Längsrichtung dieser bei Nullanzeige des wattmetrischen Instruments immer
in die magnetische Ost-West-Richtung fallen muß.
-
Es mag deshalb Anlaß dazu vorhanden sein, solche Fehlerquellen besonders
zu beobachten, die in dieser besonderen Richtung vorhanden sein können. Eine Untersuchung
zeigt dabei, daß die Fehlerquellen bei Einstellung in der Ost-West-Richtung hauptsächlich
von zwei verschiedenen Arten sein können.
-
Die erste von diesen besonderen Fehlerquellen entsteht dadurch, daß
der Modulationsgrad für das modulierte Signal nach Gleichung (3) als
gesetzt werden kann.
-
Es ist dann leicht einzusehen, daß in demselben Maße, wie cos a sich
an Null annähert, der Modulationsgrad X über alle Grenzen wächst, was zu unvollkommener
Gleichrichtung und starker Verzerrung in der Verstärkerröhre 21 führt. Um den maximalen
Wert des Modulationsgrades herabzusetzen, muß die Feldstärke Hm nach den
vorangegangenen Ausführungen sehr klein im Verhältnis zu der Feldstärke Hh sein.
Eine weitere Verbesserung ist dadurch zu erreichen, daß die Röhre 21 als eine sogenannte
Regelröhre ausgeführt ist. Wird nämlich in der Gleichung (4) der Gleichspannungsanteil
Hh2 cos 2a mit der Annäherung von cos a an Null klein, so sinkt dann auch die Verstärkung
in der Regelröhre und wirkt damit dem hier genannten Fehler entgegen.
-
Die andere der besonderen Fehlerquellen, die vorzugsweise in der Ost-West-Lage
auftreten können, leitet sich aus dem dritten Glied der Gleichung (4) her, das der
zweiten Harmonischen der zur Anzeige benutzten Niederfrequenzspannung entspricht.
Wenn außerdem der Gleichrichter 18 nicht völlig quadratisch arbeitet, steigt noch
der Anteil dieser zweiten Harmonischen.
-
Es ist nun bekannt, daß man keinen idealen quadratischen Gleichrichter
herstellen kann, sondern daß alle Gleichrichter mit bestimmten Fehlern in bezug
auf die Charakteristik versehen sind. Insbesondere gilt dies, wenn man einen Gleichrichter,
beispielsweise der Diodetype, oder einen Kontaktgleichrichter
benutzt,
welche beide mit einem verhältnismäßig kleinen quadratischen Glied in der Charakteristik
arbeiten, während das lineare Glied am größten ist, wo aber bestimmte Glieder höherer
Ordnung vorhanden sind. Man kann deshalb in der Praxis nicht mit der einfachen in
Fig. i gezeigten Vorrichtung vermeiden, daß eine zweite Harmonische der Netzspannung
auf das wattmetrische Instrument übertragen wird.
-
An sich sollte diese zweite Harmonische nicht schädlich sein, wenn
es nicht so wäre, daß man in der Regel auch mit dem Vorhandensein einer zweiten
Harmonischen der Spannung vom Netz 30 rechnen müßte. Diese beiden Schwingungen
können dann einen Ausschlag des wattmetrischen Instruments in der 0-W-Lage bewirken,
obgleich ein solcher Ausschlag nicht hätte stattfinden sollen.
-
Es ist jetzt offenbar, daß auch Harmonische höherer Ordnung als die
zweite eine gleiche Wirkung erzeugen können, aber in der Praxis hat es sich gezeigt,
daß solche Harmonische von höherer Ordnung gewöhnlich eine verschwindend kleine
Amplitude haben, weshalb ihre Einwirkung vernachlässigt werden kann.
-
Der letzterwähnte Übelstand wird nach einer weiteren Entwicklungsform
der Erfindung dadurch vermieden, daß in den Netzkreis 30 ein Filter 33 geschaltet
wird (Fig. i), und daß darüber hinaus oder statt dessen der Gleichrichter doppelt
wirkend angeordnet wird, wie es der abgeänderten Ausführungsform nach Fig. 4 zu
entnehmen ist.
-
Die Vorrichtung nach Fig. 4 ist bestimmt, den in Fig. i durch die
strichpunktierte Linie 34 umrissenen Teil zu ersetzen, wobei die Anschlußpunkte
zu den übrigen Teilen in Fig. i sowie in Fig. 4 mit 35 bzw. 36 bezeichnet sind.
Im übrigen besitzen identisch gleiche Teile in Fig. i und Fig. 4 dieselben Bezugsziffern.
-
In der Vorrichtung der Fig. 4 wird die Schwingung von jeder der Wicklungen
=o bzw. =i separat in einem Gleichrichter 37 bzw. 38 gleichgerichtet. Der Arbeitswiderstand
wird mit 39 und der Kondensator für seine Überbrückung mit 4o bezeichnet.
Es ist bekannt, daß ein solcher symmetrischer Gleichrichter keine Harmonischen gerader
Ordnungszahl gibt.
-
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die oben im einzelnen
und im Zusammenhang mit den Zeichnungen gezeigte Ausführungsform beschränkt, sondern
es können Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche vorgenommen werden.