DE2051684B2 - Winkelgeber zur messung der winkelstellung einer magnetischen kompassnadel - Google Patents

Description

ao Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeber zur Messung der Winkelstellung einer magnetischen Kompaßnadel.

Es ist ein Winkelgeber zur Messung der Winkelstellung eines sich drehenden Teils bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 163 200), bei dem eine Magnetisiervorrichtung ständig ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt, der sich drehende Teil mit einer mit ihm um eine gemeinsame Drehachse drehbaren, unmagnetischen Scheibe verbunden ist, die Scheibe eine gegenüber der Drehachse radial versetzte Metallbelegung trägt, die das Magnetfeld entsprechend der Winkelstellung des sich drehenden Teils beeinflußt, und bei der auf der der Magnetisiervorrichtung axial gegenüberliegenden Seite der Scheibe ein Magnetfelddetektor angeordnet ist. Hierbei hat die Metallbelegung der Scheibe die Form eines Kreissektors, und beim Durchlauf der Belegung zwischen Magnetisiervorrichtung und Magnetfelddetektor wird deren magnetische Kopplung geändert, so daß Impulse erzeugt werden.

Durch Zählung der Impulse kann die Winkelstellung des sich drehenden Teils digital annähernd bestimmt werden. Ein solcher Winkelgeber ist jedoch nicht zur Messung der Winkelstellung einer magnetischen Kompaßnadel geeignet. Er setzt voraus, daß der sich drehende Teil in nur einem Drehsinn umläuft, da auch bei einer Drehrichtungsumkehr Impulse erzeugt würden, die eine Weiterdrehung in der ursprünglichen Drehrichtung vortäuschen würden. Bei einer Kompaßnadel ergeben sich jedoch Drehungen in beiden Drehrichtungen. Außerdem ist eine nur angenäherte digitale Winkelbestimmung bei einer Kompaßnadel nicht ausreichend, vielmehr muß deren Stellung präzise analog wiedergebbar sein.

Bei bekannten anderen Winkelgebern zur Messung der Winkelstellung eines drehbaren Teils (deutsche Auslegeschrift 1240 716, deutsche Auslegeschrift 1216 558, deutsche Auslegeschrift 1 189 287, deutsche Auslegeschrift 1 166 489) wird bei der Drehung dieses Teils mit ihm ein magnetisches Kopplungselement gedreht, das die magnetische Kopplung zwischen einer Magnetisiervorrichtung und einem Magnetfelddetektor verändert. Hierbei wird ein analoges, erforderlichenfalls präzises Signal gewonnen. Derartige Winkelgeber sind jedoch ebenfalls zur Messung der Winkelstellung einer magnetischen Kompaßnadel nicht geeignet, da der magnetische oder magnetisierbarc Kopplungsteil im magnetischen Erdfeld einer Richtwirkung unterliegt, die die Anzeige

der Kompaßnadel verfälscht. Zwar ist es grundsätzlich möglich, Magnetisiervorrichtung, Kopplungsglied und Magnetfelddetektor magnetisch gegenüber dem Erdfeld abzuschirmen, jedoch ist hierzu ein großer baulicher Aufwand erforderlich. Außerdem kann in einem solchen Falle trotz der Abschirmung nicht ausgeschlossen werden, daß inhomogene hochfrequente Streufelder durch die Abschirmung hindurch nach außen gelange.« und die Anzeige der Kompaßnadel verfälschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln einen genau wirkenden Winkelgeber zur Messung der Winkelstellung einer magnetischen Kompaßnadel zu schaffen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem derartigen Winkelgeber dadurch gelöst, daß eine Magnetisiervorrichtung ständig ein hochfrequentes, in der Drehebene der Kompaßnadel zumindest innerhalb deren Drehbereich homogenes Magnetfeld erzeugt, daß die Kompaßnadel mit einer mit ihr um eine gemeinsame Drehachse drehbaren, uiuuagnelischen Scheibe verbunden ist, daß die Scheibe ein gegenüber der Drehachse radial versetztes, aus an ihren Enden verbundene Leitern bestehendes Gitter trägt, das das Magnetfeld entsprechend der Winkelstellung der Kompaßnadel verzerrt, und daß auf der der Magnetisiervorrichtung axial gegenüberliegenden Seite der Kompaßnadel zwei Magnetfelddetektorcn angeordnet sind, die die Verzerrung des Magnetfelds in zwei zueinander senkrechten Richtungen in einer zur Drehebene parallelen Ebene erfassen und elektrische Ausgangssignale erzeugen, die sich jeweils entsprechend der Verzerrung in einer der beiden zueinander senkrechten Richtungen ändern.

Bei dem Winkelgeber gemäß der Erfindung ist die Kompaßnadel unmittelbar in dem Magnetfeld zwischen Magnetisiervorrichtung und Magnetfelddetektor untergebracht, das als homogenes Magnetfeld erzeugt ist und daher keinen Einfluß auf die Stellung der Nadel hat. Das Magnetfeld wird dann durch das auf der Scheibe untergebrachte Gitter auf Grund von in diesem fließenden Strömen verzerrt. Diese Verzerrung beeinflußt die Genauigkeit des Ausgangssignals nicht.

Mit dem erfindungsgemäßen Winkelgeber werden zwei Ausgangssignale erhalten, von denen das eine Maxima und Minima aufweist, die solchen Stellungen des drehbaren Teils entsprechen, die gegenüber den den Maxima und Minima des anderen Ausgangssignals entsprechenden Stellungen um einen rechten Winkel in Umfangsrichtung versetzt sind. Es ist so möglich, Ausgangssignale zu erzeugen, die zumindest annähernd dem Sinus und Kosinus der Winkelstellung des drehbaren Teils proportional sind. Die Genauigkeit der Proportionalität kann durch sachgemäße Ausbildung des aus an ihren Enden verbundenen Leitern bestehenden Gitters verbessert werden; dieses Gitter wird im folgenden als geschlossenes Gitter bezeichnet. In einigen Fällen kann auch eine genügend genaue Anzeige der Winkelstellung erreicht werden, indem lediglich beispielsweise die Minima der beiden Ausgangssignale und deren Gleichheit ermittelt werden.

Vorzugsweise weisen die Magnetfeiddelektoren jeweils zwei Aufnahmespulen auf, die zwei in jeweils einer Her beiden zueinander senkrechten Richtungen gegeneinander versetzte, zur Drehebene parallele Bereiche umgeben, wobei weiter den Aufnahmespulen eines Magnetfelddetektors jeweils eine Auswerteschaltung nachgeschaltet ist, die ein der Differenz der in beiden Aufnahmespulen durch das Magnetfeld induzierten elektrischen Signale entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Die Ausgangssignale entsprechen vorzugsweise nach Größe und Vorzeichen dem Sinus und dem Kosinus der Winkelstellung der Kompaßnadel.
Die beiden Aufnahmespulen eines Magnetfeld-

detektors umgeben vorzugsweise jeweils zwei aneinander anschließende, halbkreisförmige Bereiche. Die Magnetisiervorrichtung kann aus einer sich parallel zur Drehebene erstreckenden Magnetisierspule und einem diese mit einem Wechselstrom speisenden elek-

trischen Oszillator bestehen. Eine besonders zweckmäßige und robuste Ausführung ergibt sich, wenn die beiden Aufnahmespulen des einen Magnetfelddetektors in einer Ebene und die beiden Aufnahmespulen des anderen Magnetfelddetektors in einer dazu par-

allelen, beabstandeten Ebene liegen und wenn die beiden Aufnahmespulen eines Magnetfelddetektors jeweils gemeinsam eine der Fläche der Magnetisierungsspule deckungsgleiche Fläche umgeben.

Auf Grund der Homogenität des in dem Winkel-

geber erzeugten Magnetfelds wird die Ausrichtung der Kompaßnadel durch das terrestrische oder ein planetares Magnetfeld nicht gestört. Um diese Wirkung noch zu verbessern, kann die Frequenz der zyklischen Veränderung des Magnetfelds relativ hoch

sein und beispielsweise in der Gegend von 1 MHz liegen.

Zum Ausgleichs des Gewichts des geschlossenen Gitters ist es günstig, wenn die unmagnetische Scheibe auf der dem offenen Gitter gegenüberliegenden Seite

der Drehachse ein offenes, aus an mindestens einem Ende unverbundenen Leitern bestehendes Gitter von im übrigen spiegelbildlich gleicher Ausbildung wie das geschlossene Gitter aufweist. Durch die Leiter des offenen Gitters wird das Magnetfeld praktisch nicht verzerrt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Bei dem dargestellten Ausführangsbeispiel speist

⁴S e'n bistabiier Oszillator 1 mit sinusförmiger Ausgangsspannung und einer Frequenz in der Größenordnung von 1 MHz eine kreisrunde Magnetisierspule 2, die nach Art einer gedruckten Schaltung auf die Oberfläche einer dünnen, isolierenden Scheibe aufgebracht ist. Einfachheitshalber ist diese Scheibe selbst nicht gezeigt. Die Anzahl der Windungen der Spule 2 ist frei wählbar und hängt von der Impedanz ab, die zur Anpassung an die Ausgangsimpedanz des Oszillators I erforderlich ist. Die durch der. Oszillator 1 gespeiste Magnetisierspule 2 erzeugt ein axiales Magnetfeld, das zumindest in der Umgebung der Spulenachse in einer zu dieser senkrechten Ebene praktisch sym-ηκ'lisch ist. Parallel zur Magnetisierspule 2 ist in einem Abstand von dieser eine weitere isolierende.

ebenfalls einfachheitshalber nicht gezeigte Scheibe angeordnet. Die beiden Seiten dieser Scheibe tragen jeweils zwei Aufnahmespulen 3, 4 bzw. 5, 6. Ein solches Paar von Aufnahmespulen 3, 4; 5, 6 umgibt jeweils zwei aneinander anschließende, halbkrcisförmige Bereiche, die zusammen eine kreisförmige. z.ur Fläche der Magnetisierspule 2 koaxiale Flächen bilden. Die beiden Paare von Aufnahmespulen 3, 4; 5, 6 sind um einen rechten Winkel in Umfangsrichtung

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gegeneinander versetzt. Wenn beispielsweise die bei- mit den Aufnahmespulen 3, 4 verbunden sind. Der den Bereiche der von einem Paar von Aufnahmespu- Zweig 15 a, der dem Zweig 15 entspricht, liegt zwilen 3, 4 umfaßten Fläche durch eine von Osten nach sehen einem beiden Auswerteschaltungen gemein-Westen verlaufende Linie getrennt sind, sind die Be- samen Ausgangsanschluß 13 und den Transformatoreiche des anderen Paares von Aufnahmespulen 5, 6 5 ren 8 a. Die an jeweils einem Paar von Ausgangsandurch eine von Norden nach Süden verlaufende Linie Schlüssen 12, 13 bzw. 12 a, 13 abnehmbaren Ausunterteilt. Die Aufnahmespulen 3, 4; 5, 6 weisen je- gangssignale entsprechen nach Größe und Vorzeichen weils nur eine einzige Windung auf. Jedes Paar 3, 4 dem Sinus bzw. Kosinus der Winkelstellung einer bzw. 5, 6 hat einen gemeinsamen Leiter, der entlang Scheibe 22. j der gemeinsamen Durchmesserlinie verläuft, die die io Die Scheibe 22 liegt zwischen der Magnetisier- | jeweiligen beiden Bereiche voneinander trennt. spule 2 und den Aufnahmespulen 3, 4; 5, 6 und ist j

Jede der beiden Aufnahmespulen 3, 4 ist an einer auf einer Achse 23 zusammen mit einer Kompaßnadel j

Primärwicklung 7 eines Transformators 8 angeschlos- 27 drehbar gelagert. Die Scheibe 22 zeigt auf ihrer j

sen, die an den freien Enden des diametral verlaufen- oberen, den Aufnahmespulen 3, 4; 5, 6 zugewandten j

den Leiters 9 und dem halbkreisförmig verlaufenden 15 Oberfläche eine gedruckte Schaltung. Auf einer Hälfte j

Teil jeder Aufnahmespule 3, 4 liegt. Die Sekundär- der Oberfläche ist die gedruckte Schaltung als ein lei- j

wicklungen 11 der Transformatoren 8 sind jeweils an tendes Gitter 24 ausgebildet, das die Form eines in ;

die Zweige 14, 15 einer Auswerteschaltung ange- sich geschlossenen Rings 25 und von darin angeord- j

schlossen. Der Zweig 14 umfaßt gegensinnig gepolte neten, parallelen Leitern 26 hat, deren Enden durch '

Dioden 16,17 und zwei damit in Reihe geschaltete *o den Ring 25 miteinander verbunden sind. Auf der \

Ausgangswiderstände 18,19, denen Glättungskonden- anderen Hälfte der Scheibe 22 ist ein spiegelbildlich j

satoren 20, 21 parallel geschaltet sind. Die Sekundär- ähnliches, aber offenes Gitter 24 α vorgesehen, dessen

wicklungen 11 sind zusammengeführt und über einen Leiter 26 a mit jeweils einem Ende einen äußeren

Leiter 10 mit dem gemeinsamen Anschluß der Glät- Ring 25 α nicht berühren, so daß sie keinen geschlos- i

tungskondensatoren 20, 21 verbunden. Der gemein- «5 senen Stromkreis bilden.

same Verbindungspunkt der Ausgangswiderstände 18, Bei der beschriebenen Anordnung wirkt das ge-19 dient als Ausgangsanschluß 12. Der Zweig 14 er- schlossene Gitter 24 als eine kurzgeschlossene Spule zeugt an dem Ausgangsanschluß 12 ein Ausgangs- oder ein Käfig und damit als Abschirmung. Das signal, das der Differenz zwischen der Amplitude des Magnetfeld hat demgemäß oberhalb des Gitters 24 in der Aufnahmespule 3 bei positiven Halbwellen 30 gegenüber dem Magnetfeld unmittelbar oberhalb der erzeugten elektrischen Signals und der Amplitude des übrigen Teile der Scheibe 22 eine verminderte Intenin der Aufnahmespule 4 bei negativen Halbwellen er- sität. Diese Verzerrung des Magnetfelds beeinflußt die zeugten Signals entspricht Der ähnliche Zweig 15 Aufnahmespulen 3, 4; 5, 6 derart, daß die in ihnen bildet ein ähnliches Signal, das jedoch von den nega- erzeugten elektrischen Signale der Winkelstellung der tiven Halbwellen des in der Aufnahmespule 3 erzeug- 35 drehbaren Scheibe 22 entsprechen. Bei sachgemäßer ten Signals und den positiven Halbwellen des in der Ausbildung des Schirms können die elektrischen Aus-Aufnahmespule 4 erzeugten Signals abgeleitet ist. gangssignale der Magnetfeidetektoren genau dem

Eine zur Ermittlung des Kosinus der Winkelstel- Sinus und Kosinus der Winkelstellung entsprechen,

lung dienende weitere Auswerteschaltung umfaßt die Die Magnetisierspule 2 und die Aufnahmespulen

Zweige 14 α, 15 α. Der dem Zweig 14 entsprechende 4° 3,4; 5,6 sowie die genannten Scheiben können in

Zweig 14 α liegt zwischen einem Ausgangsanschluß einem zylindrischen Behälter angeordnet sein, der mit

12 a und den Sekundärwicklungen vonTransformato- einer Flüssigkeit gefüllt ist

ren 8 a, die in gleicher Weise an die Aufnahmespulen Die Kompaßnadel 27 ist vorzugsweise in einer der

5, 6 angeschlossen sind, wie die Transformatoren 8 Symmetrieachsen der Gitter 24, 24 α ausgerichtet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Winkelgeber zur Messung der Winkelstellung einer magnetischen Kompaßnadel, dadurch gekennzeichet, daß eine Magnetisiervorrichtung (1,2) ständig ein hochfrequentes, in der Drehebene der Kompaßnadel (27) zumindest innerhalb deren Drehbereich homogenes Magnetfeld erzeugt, daß die Kompaßnadel mit einer mit ihr um eine gemeinsame Drehachse (23) drehbaren, unmagnetischen Scheibe (22) verbunden ist, daß die Scheibe ein gegenüber der Drehachse radial versetztes, aus an ihren Enden verbundenen Leitern bestehendes Gitter (26) trägt, das das Magnetfeld entsprechend der Winkelstellung der Kompaßnadel verzerrt, und daß auf der der Magnetisiervorrichtung axial gegenüberliegenden Seite der Kompaßnadel zwei Magiiclfelddctcktorcn (3 bis 6,14 bis 15 a) angeordnet sind, die die Verzerrung des Magnetfelds in zwei zueinander senkrechten Richtungen in einer zur Drehebene parallelen Ebene erfassen und elektrische Ausgangssignale erzeugen, die sich jeweils entsprechend der Verzerrung in einer der beiden zueinander senkrechten Richtungen ändern.

2. Winkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelddetektoren (3 bis 6, 14 bis 15 a) jeweils zwei Aufnahmespulen (3, 4; 5, 6) aufweisen, die zwei in jeweils einer der beiden zueinander senkrechten Richtungen gegeneinander versetzte, zur Drehebene parallele Bereiche umgeben, und daß den Aufnahmespulen (3, 4; 5, 6) eines Magnetfelddetektors (3 bis 6,14 bis 15 α) jeweils eine Auswerteschaltung (£4, 15; 14 a, 15 a) nachgeschaltet ist, die ein der Differenz der in den beiden Aufnahmespulen (2, 4; 5, 6) durch das Magnetfeld induzierten elektrischen Signale entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.

3. Winkelgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltungen (14, 15; 14 a, 15 a) jeweils dem Sinus und dem Kosinus der Winkelstellung der Kompaßnadel (27) entsprechende Ausgangssignale erzeugen.

4. Winkelgeber nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Aufnahmespulen (3, 4; 5, 6) eines Magnetfelddetektors (3 bis 5, 14 bis 15 α) jeweils zwei aneinander anschließende, halbkreisförmige Bereiche umgeben.

5. Winkelgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisiervorrichtung (1, Z) aus einer sich parallel zur Drehebene erstreckenden Magnetisierspule (2) und einem diese speisenden elektrischen Oszillator (1) besteht.

6. Winkelgeber nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Aufnahmespulen (3, 4) des einen Magnetfelddetektors (3, 4, 14,15) in einer Ebene liegen, daß die beiden AuI-nahmespulen (5, 6) des anderen Magnetfelddetektors (5, 6, 14 a, 15«) in einer dazu parallelen, beabstandeten Ebene liegen und daß die beiden Aufnahmespulen (3, 4; 5, 6) eines Magnetfelddetektors (3 bis 6, 14 bis 15 a) jeweils gemeinsam eine der Fläche der Maguetiderspule (2) deckungsgleiche Fläche umgeben.

7. Winkelgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Magnetfeldes in der Größenordnung von 1 MHz liegt

8. Winkelgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus an ihren Enden verbundenen Leitern bestehende, geschlossene Gitter (26) auf einer Seite der Drehachse (23) angeordnet ist und daß die Scheibe (22) auf der gegenüberliegenden Seite der Drehachse (23) ein offenes, aus an mindestens einem Ende unverbundenen Leitern bestehendes Gitter (26 α) von im übrigen spiegelbildlich gleicher Ausbildung wie das geschlossene Gitter (26) aufweist.