NO166976B - Magnetisk kompass. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår magnetiske kompasser, og

mer spesielt et magnetisk kompass av faststoff-typen, som gjør bruk av magnetfelt-detektorer understøttet på en normalt horisontal plattform.

Kompasser som benytter magnetfelt-detektorer er kjent, og omfatter et par spoler viklet rundt en mettbar magnetkjerne.

To eller flere spoler er anordnet i ortogonal orientering på en plattform som er kardan-montert for å forbli i en i det vesentlige horisontal orientering. Utgangs-signalene som utledes fra spolene er proporsjonale med sinus og cosinus av kursvinkelen. Utgangs-signalene kan representeres ved K sinus 8 og K cosinus

6, hvor 0 er spoleaksens vinkel i forhold til den horisontale komponent av jordens magnetfelt, dvs. kursen; og K er en para-meter som blir målt, såsom spenning, strøm, eller frekvens. I praksis er utgangs-signalene av formen K sinus 8 + og K cosinus 0 + C^, hvor og C2 er feiluttrykk som forekommer ved endringer eller variasjoner på grunn av temperatur, elding av systemkomponenter, feiltilpasning av komponentverdier o.l. Vanligvis blir potensiometer-justeringer anordnet i et forsøk

på å holde uttrykkene og C2 nær null. Det er et formål med denne oppfinnelse å anordne et kompass av faststoff-typen, i hvilke feiluttrykkene blir automatisk opphevet.

Det er også et formål ved denne oppfinnelsen å frembringe

en kardan-montert plattform som er relativt liten for å øke resonansfrekvensen av kardan-strukturen, for derved å forbedre kompassets totale virkningsgrad, og også å anordne en kompass-struktur som lett kan bli miniatyrisert, noe som er ønskelig for mange anvendelser. Som et videre formål frembringer oppfinnelsen et enkelt elektronisk undersystem som er multiplekset for bruk med hver magnetfelt-detektor i kompasset, hvor all kraftforsyning og all signalkommunikasjon foregår over et enkelt ledningpar. Oppfinnelsen er definert nøyaktig i de etterfølgende patentkrav.

Faststoff-kompasset kan omfatte en første og en annen magnetfelt-detektor arrangert i ortogonalt forhold til hverandre på en plattform som er kardan-montert for å opprettholde en i det vesentlige horisontal orientering. Magnetfelt-detektorene er koblet via et enkelt ledningpar til

et elektronisk undersystem som omfatter en strømkilde for energisering av magnetfelt-detektoren, og en detektor- og styrings-

krets for å styre energiseringen av hver magnetfelt-detektorspole og å detektere signaler som utledes fra hver spole fra hvilke kompass-kursen blir utledet.

I en foretrukken utførelse, omfatter den kardan-monterte plattform for magnetfelt-detektorene også et par ledende lagre ved hvilke styrings-signaler og kraftforsyning blir tilført magnetfelt-detektorene, og ved hvilke magnetfelt-detektorenes signaler blir overført til de elektroniske detektor-kretser. All kraftforsyning og alle signaler blir ledet over et enkelt ledningspar, og koblet til magnetfeltdetektorene på den kardan-monterte plattform gjennom ledende lagre. Da ingen tråder trenger å forbindes med den kardan-monterte plattform, kan dette nye kompass gjennomgå 360° setting og slingring uten bruk av sleperinger.

Hver magnetfelt-detektorspole blir energisert sekvensielt med et signal av en polaritet og den motsatte polaritet på en syklisk måte for å frembringe et utgangs-signal hvor feiluttrykkene er effektivt opphevet, og hvor utgangs-signalet er et sant mål for kompasskursen uten behov for potensiometere eller andre kretsjusteringer.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere, under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 er et biHedriss av magnetfelt-detektorene montert på en normalt horisontal plattform; Figur 2 er et blokkdiagram av kompass-systemet; Figur 3 er et skjematisk diagram som illustrerer metoden for eksitering av magnetfelt-detektorene; Figur 4 er et skjematisk diagram av systemet på figur 2; Figur 5 er et signal-diagram, nyttig for å forklare virkemåten av kretsen på figur 4; Figur 6 er et skjematisk diagram av en alternativ utfør»-else av systemet; og Figur 7 er et skjematisk diagram av en videre utførelse, utstyrt med tre magnetfelt-detektorer.

Sensor-enheten er vist på figur 1, og omfatter en første magnetfelt-detektor 10 og en annen magnetfelt-detektor 12 som er understøttet på en plattform 14, og som er i ortogonal orientering med hverandre. Plattformen 14 er dreibar rundt en dreie-akse 15, via dreiepinner og lagre 16, og blir holdt i en normalt horisontal orientering ved en motvekt 18, montert nedenfor plattformens plan. Magnetfelt-detektorene 10 og 12 blir således holdt i en normalt horisontal orientering under drift.

Et annet par lagre (ikke vist) er anordnet i rett vinkel med lagrene 16. Alle lagrene er deler av en kardan-struktur som tillater plattformen å holde seg horisontal under slingring og setting. Hver magnetfelt-detektor består av en sylindrisk spole 20 med en åpning i hvilken er anbragt en mettbar kjerne, bestående av en strimmel 22 av et mettbart magnetisk materiale såsom permalloy. Magnetfeltdetektorene 10 og 12 har i det vesentlige like elektromagnetiske karakteristikker, for å frembringe like virkninger når de anvendes i det tilhørende system. Magnetfelt-detektorene 10 og 12 er i den illustrerte utførelse arrangert i 4 5° vinkel med dreieaksen, for å ligge langs plattformens diagonaler, og dermed tillate relativt lengre spoler for en gitt plattformstørrelse. Den større spolelengde frembringer en større lengde til diameterforhold, og således større følsomhet for hver magnetfelt-detektor. En integrert krets 19 kan forbindes med plattformen 14, og kan inneholde styrekretser for spolene 20.

Plattformen 14 er kardan-montert for å holdes i det vesentlige horisontal under slingring og setting, og det er ønskelig å ha den kardan-monterte plattform så liten og lett som mulig for å øke resonansfrekvensen av kardan-strukturen, noe som vil bevirke en reduksjon i kardan-strukturens respons på tilfeldig oscillasjon. Under rask svinging av plattformen rundt en eller begge dreieaksene, eller som følge av en ytre kraft, vil plattformen ha en tendens til å oscillere rundt en ønsket kurs. Elektrisk filtrering av utgangs-signalet blir vanligvis brukt for å minimalisere effekten av slik oscillasjon. Mengden av filtrering er et kompromiss mellom hva som er tilstrekkelig for å fjerne effekten av tilfeldige oscillasjoner, men ikke så meget at det degraderer kompassets svingevirkning. Ved å maksimalisere kar-danstrukturens resonansfrekvens, er det mulig å redusere behovet for filtrering, og redusere forsinkelsen i respons på de ønsk-ede inngangs-signaler, og å forbedre kompassets totale respons.

I den foreliggende oppfinnelse omfatter den kardan-monterte plattform 14 magnetfelt-detektorene 10 og 12, og en liten elektronikk-pakke 19 for å minimalisere størrelsen og vekten av kardan-strukturen. Dessuten kan ledende lagre 16 bli anvendt for å koble elektriske signaler inn og ut av den kardan-monterte plattform for å eliminere behovet for elektriske ledninger til plattformen. Kraftforsyning og styresignaler til den kardanmonterte plattform, og datasignaler fra den kardan-monterte plattform kan således bli ledet via de ledende lagre. Bruken av slike ledende lagre tillater også 360° setting og slingring uten behov for sleperinger. Magnetfelt-detektorene 10 og 12 er multiplekset via et enkelt ledningpar til tilhør-ende elektronikk-kretser, og slike kretser er fortrinnsvis ad-skilt fra den kardan-monterte plattform for å redusere plattformens størrelse og vekt.

Virkemåten for en magnetfelt-detektor er illustrert på figur 2. En multiplekser-switch 25 kobler en detektor og en spolekontroll-krets 24 til magnetfelt-detektorspolen 20. Switchen 25 er fortrinnsvis en faststoff-switch, aktivert ved signaler fra kretsen 24 for å tillate energisering av spolen 20 i én av to retninger. Operasjon av switchen tilsvarer en endring i retningen av spolens vikling fra klokkeretningen til den motsatte klokkeretningen, eller svinging av spolen 180° i orientering. En energiserings-strøm fra en passende kilde blir tilført spolen 20 gjennom switchen 25. Kretsen 24 blir brukt til å utlede signaler fra magnetfeltdetektoren, proporsjonale med den magnetiske komponent Hx» som er H-feltets komponent langs spolens akse. Utgangs-signalet kan være av spenning (V ), strøm (IQ) eller frekvens (fQ) avhengig av den spesielle kretsutforming som blir benyttet. Utgangs-signalet vil være av formen K cosinus 0 + C^, eller K sinus 8 + C^, avhengig av hvilken av de ortogonale spoler som er forbundet med detektor-kretsen. Med switchen 25 i stilling A, vil utgangs-signalet fra kretsen 24 være i én retning, mens utgangs-signalet vil være i motsatt retning når switchen 25 er i stilling B. Med switch-stilling A, vil utgangs-signalet således være proporsjonalt med K cosinus 0 + C2 (eller K sinus 0 + C1), mens utgangs-signalet for switch-stilling B vil være av formen

- "[ k cosinus 0 + C^] (eller - K sinus 0 + ). Verdien av den spenning, strøm eller frekvens som oppnås ved switchen i stilling B blir trukket fra den verdi som oppnås med switchen

i stilling A, og resulterer i et utgangs-signal hvor konstant-

uttrykkene (C) oppheves, og hvor det resulterende utgangs-signal er proporsjonalt med 2Hx. Switchen 25 blir operert med tilstrekkelig hastighet til å frembringe en konstant C som er stabil innenfor måleperioden for å frembringe effektiv opp-hevelse av konstantuttrykkene. Hver av de to magnet-detektor-spoler blir lignende energisert for å utlede utgangs-signaler. Kursvinkelen 9 blir beregnet som den vinkel hvis tangens er forholdet mellom målingene for de to magnetfelt-detektor-spoler, når kvadratkorreksjoner tas i betraktning.

Det elektroniske system med hvilket magnetfelt-detektor-paret blir benyttet er vist på figur 3. Magnetfelt-detektorene 10 og 12 er koblet gjennom switchene SW1 og SW2 til en strøm-kilde 30 og til en detektor- og spolekontroll-krets 32. En styrekrets 34 styrer operasjonen av switchene SW1 og SW2, som i en virkelig utførelse er elektronisk aktiverte faststoff-switcher. Strømkilden 30 og kretsen 32 er forbundet til den kardan-monterte plattform 14 ved et par ledninger og tilsvarende ledende lagre 36 og 38. Kraftfbrsyning og signaler blir til-ført de to magnetfelt-detektorer og styrings-kretsen 34 ved bare to ledninger, og signalene blir utledet fra magnetfelt-detektorene ved de samme to ledninger. Utgangs-signalet som frembringes ved kretsen 32 er et mål for kursen, og kan være en spenning V , en strøm I eller frekvens f .

o o o

Forskjellige deteksjons-teknikker kan bli brukt for å føle kursen og å frembringe et signal som representerer kursen. En kjent deteksjons-teknikk er null-balanse-teknikken, hvor en vekselstrøm blir benyttet til å eksitere hver magnetfelt-detektorspole, og en likestrøms-tilbakekobling til hver spole har en slik verdi at den motvirker jordens magnetfelt, og benyttes til å utlede kursen.

Deteksjon kan også frembringes ved en frekvens-teknikk som følger. Det frembringes en endring i strømmen gjennom hver magnetfelt-detektorspole, og tiden under hvilken strømendringen foregår blir målt. Alternativt kan man måle frekvensen isteden-for tidsintervallet, da frekvens og tid er omvendt proporsjonale. Hvis strømendringen er mellom to kjente spenningsnivåer, er endringen i strøm konstant, og tiden A T kan bli uttrykt som At = kL, hvor k er konstant og L er spolens induktans. Tid eller frekvensmåling er således en direkte funksjon av induk-tansen, som i sin tur er en sinus-funksjon av spolens orientering i forhold til jordens magnetfelt når spolen blir operert i en ikke-lineær del av B-H-sløyfen. Et forhold mellom tid- og frekvensmålingene for de to magnetfelt-detektorer blir frembragt, og en beregning av den vinkel hvis tangens er dette forhold, frembringer et mål for magnetfelt-detektorens kurs i forhold til jordens magnetfelt.

En utførelse av systemet på figur 3 er vist på figur 4, hvor magnetfelt-detektorene 10 og 12 er forbundet via FET (felteffekt-transistor)-switcher Ql og Q2, og en multipleks-switch 40 til en vekselstrøms-kilde 42 og til en detektor- og spolestyringskrets 44. En positiv spenningskilde +Vcc og en negativ spenningskilde -Vcc er selektivt forbundet via switchene SW3 og SW5 til en første inngangs-terminal 46, og via switchene SW4 og SW6 til en annen inngangs-terminal 48. Et par motsatt polariserte Zener-dioder Dl og D2 er forbundet i serie med en kondensator Cl over inngangsterminalene 46 og 48, med forbind-ingspunktet mellom kondensatoren Cl og Zener-dioden D2 forbundet med baseterminalene av FET-switchene Ql og Q2. Spolestyrings-seksjonen av kretsen 44 frembringer styrings-signaler til switchene SW3, SW4, SW5, SW6 og til multipleks-switchen 40.

Med switchene SW3 og SW4 lukket, bevirker den positive spenning at switchen Ql leder, og tillater tilførsel av en strøm fra kilden 42 til spolen 10 via multipleks-switchen 40. Med switchene SW5 og SW6 lukket, bevirker den negative spenning at switchen Q2leder, og tillater tilføring av en strøm fra kilden 42 til spolen 12 via multipleks-switchen 40. Spolene 10 og 12 er således valgt henholdsvis av switchene Ql og Q2, som følge av den vekselvise tilføring av spenningene +VCC og ~Vcc, som vist på figur 5. Hver magnetfelt-detektorspole 10 og 12 blir sekvensielt energisert med strøm tilført fra kilden 42 i en første retning dg i en motsatt retning, som omtalt ovenfor under henvisning til figur 2, for å generere et utgangs-signal proporsjonalt med komponenten av jordens magnetfelt langs spolens akse. Utgangs-signalet er fritt for feilkompo-nenter, som blir opphevet automatisk ved den sekvensielle energisering av hver magnetfelt-detektor ifølge oppfinnelsen.

Som nevnt kan utgangs-signalet være i form av en spenning, en strøm eller en frekvens (eller tid), i henhold til den spesielle utførelse som benyttes. Deteksjonen og behandlingen av signalene fra magnetfelt-detektorene blir oppnådd på en lignende måte uansett naturen av de spesielle signaler som benyttes i en spesiell utførelse. Signalbehandlingen er som beskrevet nedenfor, med den følgende terminologi benyttet. Uttrykket Vx er et signal av en polaritet, utledet fra X-spolen, og uttrykket V- er signalet av motsatt polaritet utledet fra X-spolen. Uttrykket V og V- er signalene utledet fra Y-spolen av en polaritet og av motsatt polaritet. Signalene V og V-fra X-spolen for hver periode av en operasjons-sekvens blir lest. På lignende måte blir signalene V og fra Y-spolen lest for hver periode av operasjons-sekvensen. En gjennom-snittsverdi for hvert av signalene blir frembragt. Den gjennomsnittlige verdi av V- blir trukket fra den gjennomsnittlige verdi av V"x, og den gjennomsnittlige verdi av V- blir trukket fra den gjennomsnittlige verdi av V^. Man tar så forholdet mellom resultatene av subtraksjons-operasjonene, og beregner den vinkel hvis tangens er verdien av denne forholdsberegningen. Denne vinkelberegningen gir kompass-kursen 6. Kvadrat-rettelser blir anvendt for å eliminere kvadrat-tvetydighet. Utgangs-signalet som representerer kompasskursen kan bli ført frem til en skjerm for visuell indikasjon av kursen, eller kan bli til-ført en hukommelse for lagring av kursen, eller benyttet på annen måte. Utgangs-signalet kan også bli omformet til et annet format som passer til spesielle signalbehandlings-behov.

En alternativ utførelse er vist på figur 6, hvor magnet-feltdetektorené 10 og 12 blir energisert henholdsvis av FET-switchene Q3 og Q4 og en flip-flop-krets 50. En likeretter D4 frembringer likestrømseffekt til flip-flop-kretsen og til switchene Q3 og Q4 som følge av en vekselstrømseffekt som til-føres gjennom inngangsterminalene 46 og 48. Kondensatoren C2 er filterkondensator for likeretteren. Et serie-nettverk bestående av dioden D3, motstanden Ri, og kondensatoren C3 er forbundet som vist, og klokkepulser blir utledet fra forbindings-punktet mellom motstanden RI og kondensatoren C3. Disse klokkepulser blir tilført klokkeinngangen til flip-flop-kretsen. Til-bakekoblings-pulser for flip-flop-kretsen blir utledet fra for-bindingspunktet mellom kondensatoren C4 og motstanden R2. Ut-gangene fra flip-flop-kretsen er henholdsvis forbundet med FET-

switchene Q3 og Q4.

Kretsen på figur 6 kan også benyttes til alternativt å energisere magnetfelt-detektorspolene 10 og 12. Som følge av klokkepulsene tilført flip-flop-kretsen 50, aktiverer flip-flop-kretsen vekselvis switchene Q3 og Q4, for valg av magnet-feltdetektorspolen henholdsvis 10 og 12. Hver magnetfelt-detektorspole blir alternativt energisert med strøm fra én retning eller motsatt retning, som beskrevet ovenfor. Klokkepulser for flip-flop-kretsen 50 frembringes ved enhver passende anordning som kan inkluderes i spolestyrings-kretsen 44. Etter hver operasjons-syklus, blir en tilbakestillingspuls tilført flip-flop-kretsen 50 for å tilbakestille systemet for en etterfølgende operasjons-syklus.

En videre utførelse er vist på figur 7, hvor tre magnet-feltdetektor-spoler er anordnet, langs en respektiv ortogonal akse. Kretsen på figur 7 ligner på kretsen på figur 6, med til-legg av en Z-spole 13 som er anbragt langs en akse, gjensidig ortogonal med aksene for spolene 10 og 12. En tellerkrets 51

er koblet til FET-switchene Q3, Q4 og Q5, som respektivt er forbundet med magnetfelt-detektorspolene 10, 12 og 13. Som følge av klokkepulser som tilføres tellerkretsen 51, blir tellepulser tilført henholdsvis til switchene Q3, Q4 og Q5 for sekvensiell aktivering av disse, for dermed sekvensielt å velge magnetfelt-detektor-spole. Hver valgt magnetfelt-detektorspole blir energisert på den måten som er forklart ovenfor for å frembringe et utgangs-signal som representerer kursvinkelen. Utførelsen på figur 7 anvender tre gjensidig ortogonale magnetfelt-detektor-spoler, og frembringer et magnetometer-system med tre akser, som kan operere over bare to ledninger.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til hva som er spesielt vist og forklart, unntatt som indikert i kravene.•

Claims (11)

1. Magnet-kompass av faststoff-typen, med et flertall av magnetfelt-detektorer (flux gates) (10, 12) i gjensidig ortogonal orientering, en kardansk struktur (14, 16, 18) innrettet for bevegbar understøttelse av samlingen av magnetfelt-detektorer (10, 12) i en i det vesentlige horisontal orientering i forhold til en omdreiningsakse (15) , og en kretsanordning (24) for å energisere magnetfelt-detektorene og for å detektere signaler fra magnetfelt-detektorene som representerer kompass-orientering, karakterisert ved at den kardanske strukturen innbefatter en plattform (14) som kan dreies om dreieaksen (15), på hvilken plattform hver magnetfelt-detektor (10, 12) er montert, og ved en bryteranordning (25) som er koplet til kretsanordningen (24) for å energisere magnetfelt-detektorene og for å detektere signaler fra magnetfelt-detektorene i rekkefølge, bare en om gangen.

2. Magnet-kompass ifølge krav 1, karakterisert ved at plattformen (14) innbefatter et par ledende lagre (16) for å tilveiebringe styresignaler og elektrisk effekt til magnetfelt-detektorene (10, 12) og for å overføre magnetfelt-detektorsignaler til ytre kretser.

3. Magnet-kompass ifølge krav 2, karakterisert ved at styresignalene og den elektriske effekt tilføres over en enkelt toleder-krets.

4. Magnet-kompass ifølge krav 1, karakterisert ved at hver magnetfelt-detektor (10, 12) energiseres sekvensielt med et puls-signal av en polaritet og et puls-signal av motsatt polaritet på syklisk måte.

5. Magnet-kompass ifølge krav 4, karakterisert ved at plattformen (14) omfatter tre magnetfelt-detektorer.

6. Magnet-kompass ifølge krav 1, karakterisert ved at plattformen omfatter en første magnetfelt-detektor. (10) og en andre magnetfelt-detektor (12).

7. Magnet-kompass ifølge krav 6, karakterisert ved at hver av magnetfelt-detektorene innbefatter en sylindrisk spole (20) med en åpning gjennom seg, i hvilken åpning det befinner seg en mettbar magnetkjerne (22).

8. Magnet-kompass ifølge krav 7, karakterisert ved at hver av magnetfelt-detektorene (10, 12) er anordnet i 45° vinkel i forhold til dreieaksen (15) for plattformen (14).

9. Magnet-kompass ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte bryteranordning (25) for energisering i rekkefølge av hver magnetfelt-detektor (10, 12) omfatter midler for å tilføre et signal av en polaritet til magnetfelt-detektorens spole og midler for å tilføre et signal av motsatt polaritet til magnetfelt-detektorens spole.

10. Magnet-kompass ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved en styrekrets (34) som kan styre driften av bryteranordningen (25) for å bevirke selektiv forbindelse til hver magnetfelt-detektor.

11. Magnet-kompass ifølge krav 10, karakterisert ved at bryteranordningen (25) omfatter faststoff-brytere og at styrekretsen (34) omfatter en datakrets som vekselvis kan aktivere faststoff-bryterne.