DE1256427B - Stellungsabgriff fuer Magnetkompasse - Google Patents

Stellungsabgriff fuer Magnetkompasse

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DE1256427B
DE1256427B DEA43041A DEA0043041A DE1256427B DE 1256427 B DE1256427 B DE 1256427B DE A43041 A DEA43041 A DE A43041A DE A0043041 A DEA0043041 A DE A0043041A DE 1256427 B DE1256427 B DE 1256427B
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Germany
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compass
rotation
coil
axis
coils
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DEA43041A
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English (en)
Inventor
Martin Brogaard
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DAN MARINE DANAVIA AS AS
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DAN MARINE DANAVIA AS AS
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C17/00Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
    • G01C17/02Magnetic compasses
    • G01C17/04Magnetic compasses with north-seeking magnetic elements, e.g. needles
    • G01C17/20Observing the compass card or needle
    • G01C17/26Observing the compass card or needle using electric pick-offs for transmission to final indicator, e.g. photocell

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Navigation (AREA)

Description

  • Stellungsabgriff für Magnetkompasse Die Erfindung betrifft einen Stellungsabgriff für Magnetkompasse zur Erzeugung eines Steuersignals entsprechend einer Abweichung eines Fahrzeugs von einer vorgewählten Bezugsrichtung, bestehend aus gleichartigen, im Feldbereich des Kompaßmagneten angeordneten, wechseistromgespeisten Induktorspulen, deren Kerne aus ferromagnetischem Werkstoff mit rechteckförmiger Hysteresiskurve gefertigt sind und die mit ihren Spulenachsen in einer gemeinsamen, senkrecht zur Rotationsachse des Kompaßmagneten verlaufenden Ebene symmetrisch zur Rotationsachse auf einem Spulenträger angeordnet sind, der um die Rotationsachse drehbar und entsprechend der Winkeldifferenz zwischen der Bezugsrichtung und der magnetischen Nordrichtung einstellbar ist.
  • Ein solcher Stellungsabgriff ist bekannt. Er arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie bekannte magnetische Feldsonden, die aus mehreren Kernen aus einem ferromagnetischen Material mit schmaler rechteckförmiger Hysteresisschleife bestehen und bei denen jeder Kern eine Primär- und eine Sekundärwicklung aufweist. Die Primärwicklungen und die Sekundärwicklungen sind derart geschaltet, daß die Grundfrequenz unterdrückt wird und daher an den Sekundärklemmen eine Steuerspannung mit der Frequenz der zweiten Oberwelle auftritt, deren Phase und Amplitude von dem magnetischen Feld abhängig sind. Da die Phase der Steuerspannung bei Passage der Stellung, die der Abweichung Null entspricht, um 1800 wechselt, wird zur Erzeugung einer mit der Amplitude der Steuerspannung variierenden Gleichspannung, die das Vorzeichen wechselt, wenn die Steuerspannung die Phase wechselt, ein Frequenzverdoppler zur Erzeugung einer Hilfsspannung mit der zweiten Oberwellenfrequenz erforderlich.
  • Bei derartigen Feldsonden wird Eindeutigkeit zwischen erzeugtem Signal und Feldrichtung erzielt.
  • Dies ist erforderlich, wenn eine Fernanzeige der Kompaßstellung erzielt werden soll.
  • Stellungsabgriffe mit derartigen Feldsonden sind abhängig von Rollbewegungen eines Schiffes, in dem der Kompaß montiert ist. Dies kommt daher, daß auf Grund der Trägheit der Kompaßflüssigkeit und einer nicht idealen Aufhängung die Kompaßrose durch die Schiffsrollbewegung beeinflußt wird und daß die Bewegung der Kompaßrose Schwankungen der erzeugten Steuerspannung zur Folge haben. Dies ist von Nachteil, wenn die Steuerspannung für eine automatische Steuerungsanlage verwendet wird.
  • Ziel der Erfindung ist ein Stellungsabgriff, der für die Anwendung in einer Steuerungsautomatik für Schiffe geeignet ist, bei der das elektrische Steuersignal in hohem Grad unabhängig von Rollbewegungen des Schiffes ist und dessen Herstellung und Verwendung darüber hinaus sehr einfach ist.
  • Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von parallelen, symmetrisch zur Rotationsachse des Kompaßmagneten angeordneten Induktorspulen vorgesehen sind, die derart zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, daß in einem Brückenzweig je eine Spule jedes Paares liegt, und daß die Wicklungsrichtung der Spulen so gewählt sind, daß das Ausgangssignal der Brücken-Schaltung dieselbe Frequenz hat wie das Eingangssignal.
  • Als Folge der Einführung von Spulen in den Brückenschaltkreis und deren symmetrischer Anordnung in bezug auf die Rotationsachse des Kompaßmagneten ist das erzeugte Steuersignal praktisch unabhängig von Seitenneigungen des Kompaßmagneten.
  • Außerdem ist die Anordnung außerordentlich einfach, unter anderem deshalb, weil nicht wie bei den bekannten Stellungsabgriffen ein Frequenzverdoppler erforderlich wird.
  • Bei der Abweichung Null ist die Brücke in Gleichgewicht, und die Amplitude des Ausgangssignals ist deshalb ebenfalls Null. Das gleiche gilt bei 90, 180 und 2700. Es besteht deshalb - im Gegensatz zu den obengenannten bekannten Stellungsabgriffen mit Magnetfeldsonden - keine eindeutige Abhängigkeit zwischen der Abweichung und dem Ausgangssignal.
  • Dies ist jedoch kein Nachteil, wenn der Stellungsabgriff in einer Steuerungsautomatik angewendet werden soll, weil er hier nur einen kleinen Winkelabweichbereich um 0° herum verarbeiten soll. Die vorliegende Erfindung baut gerade teilweise auf der Erkenntnis auf, daß eine eindeutige Abhängigkeit bei Steuerungsautomatik nicht erforderlich ist.
  • Es sei erwähnt, daß eine Magnetfeldsonde mit vier Spulen bekannt ist, die in einer Brückenschaltung eingeschaltet sind, die mit einer Wechselspannung mit der Frequenz f gespeist wird. Wie bei den obengenannten bekannten Sonden ist auch in diesem Fall die Ausgangsspannung die zweite Oberwelle mit der Frequenz 2 f.
  • Die Anwendung dieser bekannten Magnetfeldsonde in einer Steuerungsautomatik würde also ebenfalls einen Frequenzverdoppler erfordern.
  • Um eine geeignete Charakteristik zu erhalten, können die Achsrichtungen der beiden Spulenpaare aufeinander senkrecht stehen.
  • Da die Einrichtungen, denen die Steuerspannung zugeführt werden soll, im allgemeinen am zweckmäßigsten mit einer sinusförmigen Spannung gespeist werden, kann in Ausgestaltung der Erfindung über den Brückenausgang ein Kondensator geschaltet sein, der so bemessen ist, daß das Steuersignal annähernd sinusförmig wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch und in perspektivischer Ansicht die zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Teile eines Magnetkompasses.
  • Der Kompaßmagnet 1 ist hier als Ringmagnet dargestellt und in herkömmlicher Weise an einem Punkt 19 aufgehängt. Das äußere Feld eines derartigen Ringmagneten kann in einem bestimmten Abstand vom Magneten dem Feld eines Stabmagneten mit der Achse N-S gleichgesetzt werden. Vier gleichartige Spulen 2, 3, 4 und 5 mit Kernen 6, 7, 8 und 9 aus einem ferromagnetischen Material mit schmaler rechteckförmiger Hysteresisschleife sind auf einer Tragplatte angeordnet (nicht dargestellt), die direkt unter dem Flüssigkeitsbehälter (ebenfalls nicht dargestellt) des Kompasses angeordnet ist.
  • Die Spulen 2, 3, 4 und 5 sind in einem Brückenschaltkreis zusammengeschaltet, der von einer Wechselspannungsquelle 10 über Leitungen 11 und Speiseklemmen 12 und 13 eingespeist wird. Das erzeugte Steuersignal wird von Signal-Ausgangsklemmen 14 und 15 abgeleitet und über Leitungen 16 einer Steuerungsanlage 17, beispielsweise eines Schiffes, zugeführt.
  • Die Spulenachsen liegen in einer Ebene, die rechtwinklig zur Symmetrieachse 18 der Spulen 2, 3, 4 und 5 steht. Diese Achse ist auch die Achse der Kompaßrose und folglich, wenn keine Seitenneigung auftritt, auch die des Kompaßmagneten 1.
  • Die Klemmen 12, 13, 14 und 15 sind in den Ecken des durch die Spulenachsen gebildeten Quadrates dargestellt. Dies braucht jedoch in der Praxis nicht erforderlich zu sein.
  • Die Spulenachsen sind so ausgerichtet, daß eine Diagonale des Quadrates, in der Zeichnung die Diagonale 12-13, die gleiche Richtung wie die N-S-Richtung des Kompaßmagneten hat, wenn das Schiff, auf dem der Kompaß montiert ist, seinen richtigen, am Kompaß eingestellten Kurs verfolgt.
  • Die Anzahl der Amperewindungen der Spulen und die Lagen der Spulenachsen in bezug auf den Kompaßmagneten sind so gewählt, daß der Maxitalwert der in den Spulenkernen durch die Spulen wie auch durch den Kompaßmagneten erzeugten Feldlinien diese Kerne sättigen kann. Durch Sättigung der Kerne mittels des Spulenwechselfeldes werden Hysteresisfehler vermieden.
  • Ist das Schiff auf seinem richtigen Kurs, wobei der Kompaß in Ruhe und die Brückendiagonale 12-13 wie vorerwähnt ausgerichtet ist, so werden die Kerne 6, 7, 8 und 9 durch den Kompaßmagneten gleichmäßig magnetisiert. Sie haben daher für die Speisewechselspannung die gleiche Impedanz, und die Brücke ist im Gleichgewicht.
  • Weicht das Schiff vom eingestellten Kurs um einen Winkel V ab, so weicht die Diagonale 12-13, die der Schiffsdrehung folgt, gleicherweise aus der Feldrichtung des Kompaßmagneten um einen Winkel V ab. Die Spulenkerne sind nun nicht länger gleichmäßig durch das Feld des Kompaßmagneten magnetisiert, weshalb ein Steuersignal mit der Frequenz der Speisewechselspannung an den Klemmen 14 und 15 auftritt.
  • Ist V = 450, so sind die Kerne 7 und 8 durch das Feld des Kompaßmagneten vollständig gesättigt, während die Kerne 6 und 9 in Längsrichtung durch dieses Feld nicht magnetisiert werden. Dies bedeutet, daß während einer Halbperiode des Stromes durch die Spulen 3 und 4, die den Kernen 7 und 8 zugeordnet sind, nur eine Spannung, die ihrem ohmschen Widerstand entspricht, auftritt, während die Spulen 2 und 5, die den Kernen 6 und 9 zugeordnet sind, in beiden Halbperioden zusätzlich zu ihrem ohmschen Widerstand eine beträchtliche Selbstinduktion aufweisen, die zusammen mit dem ohmschen Widerstand eine beträchtliche Impedanz ergibt. Das Potential an der Klemme 14 wird daher in jeder zweiten Halbperiode das Potential der Klemme 13 annehmen, und das Potential der Klemme 15 wird in jeder zweiten Halbperiode das der Klemme 12 annehmen, so daß an den Klemmen 14 und 15 eine beträchtliche Steuerspannung auftritt.
  • Die Phase der Steuerspannung wechselt, wenn V durch Oo hindurchläuft, und die Amplitude ändert sich nahezu linear mit dem Drehwinkel. Bei +450 hat die Amplitude der Steuerspannung ihr Maximum.
  • Bei 90, 180 und 2700 ist die Brücke wieder im Gleichgewicht. Folglich besteht keine eindeutige Abhängigkeit zwischen Drehwinkel und Steuersignal, jedoch ist dies - wie schon erwähnt - kein Nachteil, wenn der Kompaß in einer Steuerungsautomatik verwendet wird, in der normalerweise nur ein kleiner Winkelbereich um 0° verarbeitet wird.
  • Im vorstehenden wurde angenommen, daß das Schiff bei ruhigem Wetter fährt, so daß die Symmetrieachse 18 gleichzeitig die der Brücke 12, 13, 14, 15 und des Magneten 1 war. Bei rauhem Wetter wird der Magnet jedoch als Folge der Trägheit der Kompaßflüssigkeit und einer nicht idealen Aufhängung kleine Seitenneigungsschwingungen um den Aufhängungspunkt 19 vollführen.
  • Die so hervorgerufenen Anderungen des magnetischen Feldes an den Spulen können aus einer Anderung des Feldgradienten in der Richtung 14, 15 und einer Änderung des Feldgradienten in Richtung 12-13 zusammengesetzt sein. Eine Änderung in der erstgenannten Richtung hat keine Potentialverschiéz bung an den Klemmen 14 und 15 zur Folge. Eine Anderung in der letztgenannten Richtung wird zwar eine Verschiebung des Potentials an den Klemmen 14 und 15 zur Folge haben, jedoch betrifft dies nur eine Verschiebung in gleicher Richtung und gleicher Größe. Folglich kann bei Seitenneigung kein Fehler-Steuersignal auftreten.
  • Spricht die nachgeschaltete Einrichtung, der das Steuersignal zugeführt wird, auf die zweite Oberwelle der Speisewechselspannung an, so sind Maßnahmen erforderlich, um das Auftreten derartiger Spannungen im Gleichgewichtszustand, der dem Winkel 0° entspricht, zu verhüten. Dies ist jedoch nur eine Frage des Wicklungssinnes der Spulen, der so gewählt sein muß, daß die Punkte 14 und 15 gegenseitig die gleiche Spannung haben. Beispielsweise können die Spulen 2 und 4 den gleichen gegenseitigen Wicklungssinn in bezug auf den Speisewechselstrom und die Spulen 3 und 5 in gleicher Weise gegenseitig den gleichen Wicklungssinn haben. oder die Spulen 2 und 3 können gegenseitig den gleichen Wicklungssinn und die Spulen 4 und 5 in gleicher Weise gegenseitig den gleichen Wicklungssinn haben. Im ersten Fall liegen die Potentiale an den Klemmen 14 und 15 dauernd auf halbem Weg zwischen den Potentialen der Klemmen 12 und 13.
  • Im anderen Fall schwanken die Potentiale an den Klemmen 14 und 15, sind jedoch immer entgegengesetzt gleich. Die gleiche Oberwellenfreiheit (von der zweiten Oberwelle) kann natürlich erzielt werden, wenn alle vier Spulen den gleichen Wicklungssinn in bezug auf den Speisewechselstrom haben.
  • Werden die vorstehend beschriebenen Maßnahmen angewandt, so treten sehr starke zweite Oberwellen bei Winkelstellungen von 90 und von 2700 auf.
  • Die Speisespannungsklemmen 12 und 13 und die Signal-Ausgangsklemmen 14 und 15 können vertauscht werden. Auch in diesem Fall kann eine Freiheit von der zweiten Oberwelle für den Gleichgewichtszustand, der der Winkelstellung 0° entspricht, durch geeignete Wahl der gegenseitigen Wicklungsrichtungen der Spulen erzielt werden.
  • Bei der dargestellten Ausführung ist zwischen die Leitungen 16 ein Kondensator 20 geschaltet, dessen Kapazität so bemessen ist, daß das dem Kreis 17 zugeführte Signal im wesentlichen sinusförmig ist.
  • Um den Schiffskurs am Kompaß einzustellen, sind die vier Spulen im allgemeinen auf einem Träger zusammengefaßt, der um die Rotationsachse des Kompaßmagneten drehbar ist. Diese Einheit ist mit einem Stellglied verbunden, über das sie von außen von Hand verstellbar ist. Ferner ist die Einheit mit einer Skala gekoppelt, an der der eingestellte Kurs abgelesen werden kann.
  • Da es nachteilig ist, daß im Fall einer Kursänderung das Stellglied entgegengesetzt zur gewünschten Drehrichtung des Schiffes gedreht werden muß, beispielsweise nach links, wenn das Schiff rechts drehen soll, was beim Manövrieren als unbequem empfunden wird und bei kritischen Situationen zu Unfällen führen kann, kann das Stellglied mit der Einheit über einen Mechanismus gekoppelt werden, der die Drehrichtung umkehrt. Hierzu kann beispielsweise ein Getriebe verwendet werden.
  • Eine besonders einfache Konstruktion kann erzielt werden, wenn die Einheit drehbar in einem Gehäuse angebracht ist, das mit dem Kompaßkessel oberhalb des Kompaßdeckglases fest verbunden werden kann.
  • In diesem Fall sind die Spulen, im Gegensatz zu den vorstehenden Erläuterungen, oberhalb des Kompaßmagneten angeordnet, woraus sich jedoch keine Änderung der Arbeitsweise ergibt.

Claims (5)

  1. Patentansprüche: 1. Stellungsabgriff für Magnetkompasse zur Erzeugung eines Steuersignals entsprechend einer Abweichung eines Fahrzeugs von einer vorgewählten Bezugs richtung, bestehend aus gleichartigen, im Feldbereich des Kompaßmagneten angeordneten, wechselstromgespeisten Induktorspulen, deren Kerne aus ferromagnetischem Werkstoff mit rechteckförmiger Hysteresiskurve gefertigt sind und die mit ihren Spulenachsen in einer gemeinsamen, senkrecht zur Rotationsachse des Kompaßmagneten verlaufenden Ebene symmetrisch zur Rotationsachse auf einem Spulenträger angeordnet sind, der um die Rotationsachse drehbar und entsprechend der Winkeldifferenz zwischen der Bezugsrichtung und der magnetischen Nordrichtung einstellbar ist, d a -durch gekennzeichnet, daß zwei Paare von parallelen, symmetrisch zur Rotationsachse (18) des Kompaßmagneten (1) angeordneten Induktorspulen (2, 5 bzw. 3, 4) vorgesehen sind, die derart zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, daß in einem Brückenzweig je eine Spule jedes Paares liegt, und daß die Wicklungsrichtung der Spulen so gewählt sind, daß das Ausgangssignal der Brückenschaltung dieselbe Frequenz hat wie das Eingangssignal.
  2. 2. Stellungsabgriff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsrichtungen der beiden Spulenpaare (2, 5 bzw. 3, 4) aufeinander senkrecht stehen.
  3. 3. Stellungsabgriff nach Anspruch 1 bei Handeinstellung des Spulenträgers nach Maßgabe des Fahrzeugkurses, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Handeinstellglied und den Spulenträger ein Getriebe zur Umkehr des Drehsinnes eingefügt ist.
  4. 4. Stellungsabgriff nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger und die Stelleinrichtung oberhalb des Kompaßdeckglases angeordnet sind.
  5. 5. Stellungsabgriff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über den Brückenausgang (14, 15) ein Kondensator (20) geschaltet ist, der so bemessen ist, daß das Steuersignal annähernd sinusförmig wird.
    In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2308 566, 2374 166.
DEA43041A 1962-05-07 1963-05-06 Stellungsabgriff fuer Magnetkompasse Pending DE1256427B (de)

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ID=8158023

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2705099A1 (de) * 1976-02-19 1977-08-25 Thomsen Ib Anordnung zur erfassung der winkelstellung eines drehbaren magneten
US6070333A (en) * 1997-01-24 2000-06-06 Siemens Aktiengesellschaft Electronic compass

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2308566A (en) * 1940-06-13 1943-01-19 Bendix Aviat Corp Magnetic repeater or compass
US2374166A (en) * 1941-08-02 1945-04-24 Purves Corp Magnetic field responsive device

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