DE1254053B - Elektrische Signaleinrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. Cl.:

GOIc

G 08 c
Deutsche Kl.: 74 b-7/01

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

Auslegetag:

Ausgabetag:

1254053 ,
N27279IXd/74b
1. September 1965
9. November 1967
16. Mai 1968

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung betrifft eine elektrische Signaleinrichtung, insbesondere zum Anzeigen der Winkel- , lage bei magnetischen Kompassen, mit einem Signalgeber, der mit einem drehbar angeordneten Dauermagneten zusammenwirkt, und mit einem von diesem entfernt angeordneten, Informationen liefernden, mit dem Signalgeber gekoppelten Signalempfänger, wobei Signalgeber und Signalempfänger aus je einem Ring aus ferromagnetischem, jedoch nicht dauernd magnetischem Material bestehen, auf den Ring des Gebers mehr als zwei in Reihe geschaltete, untereinander gleiche, von einer Wechselspannungsquelle gespeiste Spulen gewickelt sind und auf den Ring des Empfängers die gleiche Anzahl von in Reihe geschalteten, untereinander gleichen, ebenfalls von der Wechselspannungsquelle gespeisten Spulen gewickelt ist, ferner die Verbindungspunkte zwischen den jeweils benachbarten Spulen des Signalgebers mit den entsprechenden Verbindungspunkten zwischen den jeweils benachbarten Spulen des Signalempfängers elektrisch verbunden sind und in dem Ring des Empfängers ein Kern aus ferromagnetischem Material drehbar angeordnet ist, der den eigentlichen Informationsgeber darstellt.

Bei einer bekannten elektrischen Signaleinrichtung dieser Art wird die Winkellage des drehbar angeordneten Signalgeberteiles durch zwei Schleifkontakte auf einen elektrisch ringförmig geschlossenen Widerstand übertragen, wobei die Ströme durch die Abzweigungen dieses Widerstandes nach Größe und Richtung von der jeweiligen Winkellage des drehbar angeordneten Geberteiles bestimmt werden. In dem mit Abstand vom Geber angeordneten Signalempfänger bilden die Gleichströme ein magnetisches Kraftfeld, in dem ein Dauermagnet drehbar angeordnet ist, der sich so einstellt, daß seine Kraftlinien mit den Kraftlinien des Magnetfeldes in gleicher Richtung verlaufen.

Diese bekannte Einrichtung hat den Nachteil, daß an den Schleifkontakten ein gewisser Reibungswiderstand unvermeidlich ist. Durch diesen Reibungswiderstand kann aber die richtige Einstellung des drehbaren Geberteiles verhindert werden, wenn die Richtkraft des Gebers nur gering ist. Dies gilt beispielsweise für die Richtkraft, mit der sich der Magnet eines großen Navigationskompasses auf das erdmagnetische Feld einstellt.

Ein weiterer Nachteil der bekannten elektrischen Signaleinrichtung besteht darin, daß die Achse des drehbaren Geberteiles gegenüber dem ringförmigen Widerstandskörper sehr genau zentriert werden muß, weil sonst systembedingte Fehler auftreten.

Elektrische Signaleinrichtung

Patentiert für:

N.V. Nieuwe Rotterdamsche Instrumentenfabriek

„Observator",

Rotterdam (Niederlande)

Vertreter:

Dr. O. Loesenbeck und.Dipl.-Ing. A-. Stracke,

Patentanwälte, Bielefeld, Herforder Str. 17

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 19. November 1964 (6 413 448)

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Nachteile zu beheben und eine elektrische Signaleinrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, deren Empfänger geeignet ist, ein Abgabesignal als Information von ausreichender Stärke zu liefern, um beispielsweise dem elektronischen Verstärker einer automatischen Steuereinrichtung zugeleitet werden zu können.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Signalgeber oder der Signalempfänger eine gerade Anzahl von Spulen, die größer als zwei ist, aufweist, der nicht frei drehbare Kern des Signalempfängers nur eine mit einem Verstärker verbundene Wicklung trägt und diesem Kern Stellglieder zugeordnet sind, durch die er in bezug auf den Ring des Empfängers in Umfangsrichtung einstellbar ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung einer geraden Anzahl von Spulen (die größer als zwei ist) in dem Signalgeber und dem Signalempfänger bewirkt, daß die magnetischen Induktionen im Signalempfänger während beider Haltperioden des speisenden Wechselstromes dieselbe Richtung haben, so daß eine neutrale Lage für die drehbar gelagerte Spule des Signal-

empfängers möglich ist, d. h. eine Lage, in der das auf die Spule einwirkende magnetische Feld bezüglich der Spulenwindungen derart gerichtet ist, daß keine Spannung induziert wird.
Es ist zwar auch schon eine elektrische Signaleinrichtung mit vier Spulen bekannt, bei welcher der Kern des Signalempfängers nicht frei drehbar ist, jedoch ist diese bekannte Einrichtung weder in ihrem

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Aufbau, noch hinsichtlich ihrer Zweckbestimmung mit der erfindungsgemäßen Signaleinrichtung vergleichbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Spulen des Signalempfängerringes auf sprossenförmigen, nach innen gerichteten Vorsprüngen des Ringes angeordnet. Hierdurch sind die Magnetfelder auf das Zentrum des drehbaren Kernes gerichtet, wodurch die Empfindlichkeit der Anordnung gesteigert ist und ein stärkeres Abgabesignal erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Signaleinrichtung ist hervorragend dazu geeignet, über einen Verstärker, beispielsweise den Servomotor einer Steuermaschine eines Wasserfahrzeuges oder eines Flugzeuges, zu betätigen, um das automatische Korrigieren von auftretenden Abweichungen von einem vorgegebenen Kurs zu bewirken, der durch Einstellen des drehbaren, einstellbaren Kernes des Signalempfängers in eine vorbestimmte Lage vorher festgesetzt worden ist. so

Die Signalanlage gemäß der Erfindung kann ferner in vorteilhafter Weise dazu benutzt werden, über einen Verstärker eine Warneinrichtung zu betätigen, die beispielsweise ein oder mehrere Hörner beinhaltet, die ein Warnsignal abgeben, wenn das Schilf oder das .Flugzeug über ein bestimmtes Maß, beispielsweise 10°, vom eingestellten Kurs abweicht.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung hat den großen Vorteil, daß sie schnell und einfach mit einem vorhandenen Magnetkompaß verbunden werden kann, wodurch die Verwendungsmöglichkeiten des letzteren beträchtlich gesteigert sind.

Um zu verhindern, daß der Signalgeber gemäß der Erfindung einen unerwünschten Einfluß auf die Stellung des Dauermagneten, beispielsweise einer Kornpaßnadel, mit der er zusammenwirkt, ausübt, ist es empfehlenswert, den Signalgeber derart anzuordnen, daß zwischen der horizontalen Symmetrieebene des Dauermagneten und der horizontalen Symmetrieebene des Signalgebers ein Abstand vorhanden ist, der mindestens der zweifachen Länge des Dauermagneten entspricht.

Es sei hervorgehoben, daß die Anlage gemäß der Erfindung unter Umständen auch ohne Dauermagnet benutzt werden kann, da der Signalgeber auf Änderiingen seiner Lage bezüglich des magnetischen Erdfeldes anspricht und die Anlage hierdurch ein Abgabesignal von brauchbarer Intensität liefert.

Die obenerwähnten Anwendungsmöglichkeiten sind nur als Beispiele zu verstehen. Es ist naturgemäß möglich, die Anlage gemäß der Erfindung überall da zu benutzen, wo im Wege der Fernübertragung eine Positionsabweichung übertragen werden soll.

Weitere Merkmale und Besonderheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt; darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage gemäß der Erfindung, zugeordnet der Steuermaschine eines Schiffes,

F i g. 2 den Signalgeber der Anlage in Seitenansicht, wobei auch der Verlauf der magnetischen Kraftlinien schematisch dargestellt ist,

Fig. 3 einen Stromlaufplan für die Spulen des Signalgebers und des Signalempfängers.

Gemäß Fig. 1 treibt eine Wechselspannungsquelle 1 Wechselstrom über die Verbindungen α und g durch eine Spulengruppe, die allgemein mit der Bezugsziffer 2 gekennzeichnet ist und die um einen Ring 3 aus magnetisierbarem Material gewickelt ist. Der Ring 3, vorzugsweise aus Weicheisen oder einem anderen geeigneten ferromagnetischen Material gefertigt, ist konzentrisch unter oder über dem Magneten 4 eines Magnetkompasses, dessen Konstruktion als bekannt vorausgesetzt wird, angeordnet. Die Spulengruppe 2 besteht aus sechs untereinander gleichen Spulen, und sie ist an fünf Stellen, gekennzeichnet durch die Buchstaben b bis /, verzweigt. Der Ring 3 mit der Spulengruppe 2 bildet den Signalgeber. Ein Kabel 5 verbindet diesen Geber mit einem Signalempfänger, der an anderer Stelle angeordnet ist und der aus einem Ring 6 aus ferromagnetischem, nicht dauernd magnetischem Material besteht, der sechs nach innen gerichtete Vorsprünge 7 (Pole) aufweist, auf denen jeweils eine Spule 8 angeordnet ist.

Die sechs Spulen 8 sind in Reihe geschaltet, und sie sind mit der Wechselspannungsquelle 1 über die Verbindungspunkte a' und g' verbunden, so daß der durch die Spulen 8 fließende Wechselstrom in jedem der Pole 7 ein Magnetfeld induziert, das während der einen Halbperiode des Wechselstromes nach innen, während der zweiten Halbperiode des Wechselstromes nach außen gerichtet ist. Die durch die Speisequelle in den sechs Polen 7 des Empfängers hervorgerufenen magnetischen Effekte kompensieren sich und ergeben so kein wahrnehmbares Wechselfeld im Zentrum des Ringes 6.

Konzentrisch in dem Ring 6 ist eine Scheibe 9 aus ferrromagnetischem, nicht dauernd magnetischem Material drehbar angeordnet, die mit einer Wicklung 10 versehen ist, deren Glieder in untereinander parallelen Ebenen liegen und die über die Leitungen 11 und 12 mit einer automatischen Steuervorrichtung 13 eines Schiffes verbunden ist.

Die Scheibe 9 ist über 360° einstellbar, und mittels eines Stellknopfes mit einem Zeiger 14 sowie mittels einer Gradeinteilung 15 kann die Stellung der Scheibe 9 bezüglich des Ringkörpers 6, der fest auf dem Schiff angeordnet ist, eingestellt werden.

Die vom Signalgeber in der Spule 10 induzierte Wechselspannung wird zu dem Verstärker 16 geleitet, der dieses Signal verstärkt und die Erregung der Steuermaschine 17 bewirkt. Dies führt letzlich zum Ausschlagen des Ruders 18 des Schiffes.

Ein mechanisch mit der Ruderpinne verbundener Kontaktarm 19 reduziert den Ausschlag des Ruders 18 in eine proportionale Spannungsänderung mit Hilfe einer bekannten Wheatstoneschen Brückenschaltung, die aus einer Wechselspannungsquelle 20 und den nicht variablen Widerstandselementen 21 und 22 besteht. Die durch die Einstellung des Ruders 18 zwischen den Verbindungen 23 und 24 hervorgerufene Spannung ist dem Ausschlag des Ruders 18 proportional und die Wheatstonesche Brücke ist vorzugsweise so eingestellt, daß die Spannung den Wert Null hat, wenn das Ruder 18 mitschiffs steht. Demzufolge werden bei Ausschlägen des Ruders 18 in verschiedene Richtungen auch Wechselspannungen erzeugt, die eine Phasendifferenz von 180° haben.

Die dem Ausschlag des Ruders 18 proportionale Wechselspannung zwischen den Verbindungen 23 und 24 am Eingang des Verstärkers 16 wird von der Wechselspannung, die der Signalgeber in der Spule 10. induziert, subtrahiert, und wenn man darauf geachtet hat, daß das Phasenverhältnis und die Frequenz untereinander exakt gleich sind, werden sich

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die beiden Spannungen bei einem bestimmten Ausschlag des Ruders 18 kompensieren, so daß dann der Verstärker 16 kein Eingangssignal mehr empfängt und die Steuermaschine 17 und das Ruder 18 stillgesetzt werden.

In dem Kabel 5 (s. Fig. 1 und 3) sind getrennte Leitungen angeordnet, die die Verzweigungen b bis / des Signalgebers mit den Verzweigungen b' bis /'des Empfängers verbinden, wodurch die Spulen zwischen den Punkten ab, bc, cd usw. des Signalgebers mit den entsprechenden Spulen zwischen den Punkten ab'. Vc', cd' usw. des Empfängers verbunden sind.

Die Funktionsweise der Anlage sei im folgenden im Zusammenhang dargestellt:

Unter Einfluß des Kraftlinienfeldes des Magneten 4 in einer Stellung, wie in Fig. 1 dargestellt, wird der Weicheisenring 3 magnetisiert, so daß sich in den verschiedenen Ringabschnitten Pole ausbilden, wie in Fig. 1 angezeigt. Fließt der Strom in der Richtung I (Fig. 1 und 3), wird die vom Strom hervorgerufene Magnetisierung in den Ringteilstücken fg und ab von der durch die magnetische Kompaßnadel hervorgerufene Magnetisierung subtrahiert, während sich in den Abschnitten cd und de die beiden magnetisierenden Einflüsse addieren, so daß dort bei einer entsprechend genauen Dimensionierung in dem Weicheisen eine Sättigung hervorgerufen wird.

Die Frequenz der Spannungsquelle 1 wird dabei derart gewählt, daß die Selbstinduktion ^für jede Spule entscheidend maßgebend ist für ihre Impedanz, so daß bei der Sättigung des Eisenkernes der Spule ihre Impedanz beträchtlich reduziert ist.

In F i g. 3 ist die Auswirkung dieser Impedanzreduktion dargestellt. Der aus der Quelle 1 kommende Strom in Richtung I wird durch die Empfängerverbindungen a' und g' und durch die Geberverbindungen a, g zweigeteilt. Wäre durch die Vormagnetisierung infolge des Kompaßmagneten keine Sättigung vorhanden, wären die gleichen Teilspannungen in den Spulen zwischen den Punkten a'b', b'c' usw. des Empfängers und ab, bc, cd des Gebers vorhanden, vorausgesetzt, daß die Spulen untereinander gleich dimnesioniert sind, und demzufolge wären die Verbindungsleitungen bb', cc' usw. stromlos.

Die Spulen zwischen den Punkten cd und de des Gebers sind jedoch während der Halbperiode, während der der Strom in Richtung I fließt, gesättigt, so daß die Impedanz dieser Spulen herabgesetzt ist und sie einen Teil des Stromes aufnehmen, der sonst durch die Spulen zwischen den Punkten c'd' und d'e'. des Empfängers fließen würde.

Wenn der Strom in der Richtung Γ fließt, sind die Abschnitte fg und ab des Gebers durch die in diesen Abschnitten zusammenwirkenden magnetischen Einflüsse gesättigt, so daß der Strom durch die Spulen zwischen den Punkten gf und ba verzweigt wird und demzufolge der Strom in den Spulen zwischen den Punkten g'f und b'a' reduziert ist.

In dem Empfänger hat dies zum Ergebnis, daß in den Spulen zwischen den Punkten c'd' und d'e' die Stromstärke in Richtung Γ überwiegt, so daß in den Polen, auf die diese Spulen gewickelt sind, während der Halbperiode, in der der Strom in Richtung I' fließt, gleichzeitige Impulse magnetischer Induktion, die auf die Mitte der empfangenden Spule 10 gerichtet sind, auftreten, die in diesem Augenblick nicht völlig von den magnetischen Induktionsimpulsen in den gegenüberliegenden Spulen zwischen den Punkten g'f und b'a', die ebenfalls auf die Mitte der Spule 10 gerichtet sind, kompensiert werden.

Während der genannten Halbperiode kompensieren sich demzufolge nicht alle der auf allen Seiten auftretenden magnetischen Induktionen, und es wird in der Spule 10 ein resultierendes Feld erzeugt, das die in Fig. 1 durch den mit voller Linie ausgezogenen Pfeil gekennzeichnete Richtung hat.

ίο In der nachfolgenden Halbperiode der Wechselspannung, wenn der Strom in Richtung I fließt, führen die Spulen zwischen den Punkten a' b' und /' g' des Empfängers Strom, und sie erzeugen eine magnetische Induktion in den zugehörigen Polen des

»5 Eisenringes 6, die nach außen gerichtet ist und die nicht vollständig von den magnetischen Induktionen in den Polen der Spulen zwischen den Punkten c'd' und d'e', die ebenfalls nach außen gerichtet sind, kompensiert wird. Diese nach außen gerichtete Induktion, die gleichzeitig in beiden Polen (s. Pfeile in F i g. 1 in gestrichelter Linie) auftritt, kann wiederum zu einem resultierenden magnetischen FeJd in der Spule 10 zusammengesetzt werden, wie in Fig. 1 durch den gestrichelten Pfeil dargestellt ist.

Demzufolge erzeugt die Induktion während beider Halbperioden des Stromdurchganges in dem System halbsinusförmige Induktionsimpulse, die die gleiche Richtung haben.

Es ist somit möglich, die Spule 10, beispielsweise durch deren Drehung von Hand, derart einzustellen, daß die Richtung der magnetischen Induktion im Rahmen der Spule 10 mit der Windungsebene der Spule 10 zusammenfällt, so daß keine EMK erzeugt wird (neutrale Stellung). Wird die Spule 10 aus dieser Stellung von Hand herausgedreht, erzeugen die halbsinusförmigen magnetischen Impulse an den Anschlußklemmen 11 und 12 der Spule 10 eine EMK, die bezüglich ihrer Amplitude dem Sinus des Drehwinkels zwischen der neuen Stellung und der neutralen Stellung proportional ist und die eine Frequenz hat, die die Frequenz der Speisequelle um das Zweifache übersteigt, und die in den Stellungen zu beiden Seiten der neutralen Stellung jeweils um 180^r phasenverschoben ist.

Da für kleine Winkel der Sinus des Winkels der Groß»' des Winkels fast proportional ist, wird demzufolge an den Anschlußklemmen 11 und 12 eine Spannung erzeugt, die im wesentlichen der Winkeldifferenz proportional ist, die zwischen der Stellung der Kompaßrose mit dem Magneten 4 bezüglich des fest angeordneten Ringes 3 (der Kurs des Schiffes) und der Stellung des Spulenträgers (9) samt Zeiger 14 bezüglich des fest angeordneten Ringes 6 und der Gradeinteilung 15 ( der Kurs, der gesteuert werden soll) besteht.

Naturgemäß muß der Wechselstromerzeuger 20 eine Frequenz haben, die dem Zweifachen der Frequenz des Erzeugers 1 entspricht, damit die durch den Ausschlag des Ruders erzeugte Gegenspannung von der Spannung an den Anschlußklemmenil und 12 subtrahiert werden kann.

In der in F i g. 1 dargestellten Stellung sind die Spulen zwischen den Verbindungsstellen bc und fe in dem Geber in beiden Magnetisierungsrichtungen

f>5 über gleiche Längen magnetisiert, so daß die Sättigungseffekte in beiden Stromrichtungen I und I' auch gleich sind. Demzufolge haben sie keinen Einfluß auf die Bildung des Signals.

Dies ändert sich jedoch, wenn der Magnet 4 in eine andere Stellung kommt und dann nicht mehr symmetrisch bezüglich der beiden genannten Spulen steht. Demzufolge werden darin auch diese Spulen zur Bildung des Magnetfeldes im Empfänger 6 beitragen, wodurch dieses Feld in seiner Richtung geändert wird, und die Spule 10 muß dann in eine andere Stellung gebracht werden, um die neutrale Stellung aufzufinden.

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrische Signaleinrichtung, insbesondere zum Anzeigen der Winkellage bei magnetischen Kompassen, mit einem Signalgeber, der mit einem drehbar angeordneten Dauermagneten zusammenwirkt, und mit einem von diesem entfernt angeordneten, Informationen liefernden, mit dem Signalgeber gekoppelten Signalempfänger, wobei Signalgeber und Signalempfänger aus je einem Ring aus ferromagnetischem, jedoch nicht dauernd magnetischem Material bestehen, auf den Ring des Gebers mehr als zwei in, Reihe geschaltete, untereinander gleiche, von einer Wechselspannungsquelle gespeiste Spulen gewickelt sind und auf. den Ring des Empfängers die gleiche Anzahl von in Reihe geschalteten, untereinander gleichen, ebenfalls von der Wechselspannungsquelle gespeisten Spulen gewickelt ist, ferner die Verbindungspunkte zwisehen den jeweils benachbarten Spulen des Signalgebers mit den entsprechenden Verbindungspunkten zwischen den jeweils benachbarten Spulen des Signalempfängers elektrisch verbunden sind und in dem Ring des Empfängers ein Kern aus ferromagnetischem Material drehbar angeordnet ist, der den eigentlichen Informationsgeber darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber (2, 3) oder der Signalempfänger (6, 7, 8) eine gerade Anzahl von Spulen (2 bzw. 8), die größer als zwei ist, aufweist, der nicht frei drehbare Kern (9) des Signalempfängers nur eine mit einem Verstärker verbundene Wicklung (10) trägt und diesem Kern (9) Stellglieder (14,15) zugeordnet sind, durch die er in bezug auf den Ring (6) des Empfängers in Umfangsrichtung einstellbar ist.

2. Elektrische Signaleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (8) des Signalempfängers auf sprossenförmigen, nach innen gerichteten Vorsprüngen (7) (Polen) des Ringes (6) angeordnet sind.

3. Elektrische Signaleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der horizontalen Symmetrieebene des Signalgebers (2, 3) und der horizontalen Symmetrieebene des Dauermagneten (4), mit dem der Signalgeber (2,3) zusammenarbeitet, mindestens gleich der zweifachen Länge des Dauermagneten ist.

4. Elektrische Signaleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kein drehbar angeordneter Dauermagnet vorgesehen ist und der Signalgeber somit lediglich auf ein gerade vorhandenes Magnetfeld, beispielsweise das magnetische Erdfeld, anspricht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1056 009;
Borden und Thynell, »Principles and Methods of Telemetering«, Reinhold Publishiny Corporation, 1948, S. 69.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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