NO821165L - Apparat for aa bestemme et fartoeys eller et kjoeretoeys kursvinkel - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et apparat for å bestemme et fartøys eller et kjøretøys kursvinkel i forhold til den magnetiske meridian f or fartøyets eller kjøretøyets posisjon.

Et kjent apparat av denne art er et kardanopphengt magnetisk kompass. Driften av et slikt magnetisk kompass er basert på det prinsipp at en kompassnål vil rette seg i samsvar med den horisontale komponent av magnetfeltet i kompassets posisjon. Magnetkompasset har imidlertid den ulempe at i stedet for retningen av den horisontale komponent av jordmagnetfeltet, indikeres retningen av den horisontale komponent for et sammensatt magnetisk felt i kompassets posisjon. I et fartøy eller kjøretøy er dette magnetiske felt sterkt påvirket av tilstedeværelsen av ferro-magnetisk konstruksjonsmateriale i fartøyet eller kjøre-tøyet. Derfor må omfattende og kompliserte forholdsregler tas for å eliminere innvirkningen på jordmagnetfeltet for å sikre at kompasset indikerer retningen av den magnetiske meridian i kompassets posisjon.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe et apparat av den innledningsvis nevnte art hvor denne ulempe unngås på enkel men allikevel effektiv måte.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en første og en andre sonde som er montert i det minste fast roterbart i fartøyet eller kjøretøyet i måleretninger som innbyrdes danner en vinkel, idet hver sonde avgir et utgangssignal som er avhengig av en endring av den magnetiske flux i vedkommende sondesom følge av endring av fartøyets eller kjøre-tøyets kursvinkel, og begge sonder er forbundet med en prosessor som utleder kursvinkelen for fartøyet eller kjøre-tøyet fra utgangssignalene.

Ifølge en første utførelse av oppfinnelsen består begge sonder av en flat trådspole som er montert fast i far-tøyet eller kjøretøyet og trådspolene har et stort antall vindinger med en diameter i størrelsesorden av 1 meter. På denne måte oppnås at ved fartøyets eller kjøretøyets bevegelser vil den magnetiske flux som påvirker sondene som følge av det magnetiske felt som skyldes fartøyet eller kjøretøyet endre seg slik at utgangssignalene fra sondene bare er av-hengige av fartøyets eller kjøretøyets bevegelser i forhold til det jordmagnetiske felt.

Ifølge oppfinnelsen kan en kompenseringsinnretning anordnes for å kompensere utgangssignalene for begge sondene for den vertikale komponent av det jordmagnetiske felt i fartøyets eller kjøretøyets posisjon, og denne kompenseringsinnretning omfatter en tredje og en fjerde sonde som er fast montert i fartøyet eller kjøretøyet og hvis måleretninger forløper parallelt med måleretningene for den første resp. andre sonde, samt en magnet hvis magnetiske felt er motsatt retningen av den vertikale komponent av det jordmagnetiske felt, idet følsomheten for den tredje og fjerde sonde er en brøkdel av følsomheten for den første og andre sonde, og magnetens feltstyrke er meget større enn feltstyrken for den vertikale komponent av det jordmagnetiske felt, og utgangssignalene fra den tredje og fjerde sonde adderes til utgangssignalene fra den første resp. andre sonde.

Ifølge en alternativ utførelse av oppfinnelsen

kan sondene bestå av minst to spoler som er serieforbundet og anbragt diametralt overfor hverandre på en ringformet kjerne av magnetisk materiale med høy permeabilitet. På denne måte oppnås at den magnetiske flux som innvirker på sondene økes vesentlig slik at diameteren av vindingene i de respektive spoler kan velges meget mindre.

Ifølge en foredelaktig utførelse av oppfinnelsen kan den ringformede kjerne i dette tilfelle monteres i far-tøyet eller kjøretøyet i en kardanopphengning, idet en magnet fortrinnsvis anbringes i sentrum av den ringformede kjerne og denne magnets magnetfelt er rettet motsatt retningen av den vertikale komponent av magnetfeltet for fartøyet eller kjøretøyet og tilsvarer i størrelse den vertikale komponent av jordmagnetfeltet.

Noen utførelseseksempler på oppfinnelsen skal neden-for forklares nærmere under henvisning til tegningene.

Fig. 1 viser skjematisk et fartøy i en kurs som danner en vinkel med den magnetiske meridian for fartøyets posisjon, og fartøyet er utstyrt med en utførelse av apparatet ifølge oppfinnelsen med én sonde rettet i fartøyets lengderetning og én sonde rettet i fartøyets tverretning.

Fig. 2 viser et blokkskjerna for apparatet som anvendes i fartøyet på fig. 1. Fig. 3 viser skjematisk en utførelse av kompenseringsinnretningen som kan anvendes i apparatet på fig. 1. Fig. 4 viser et blokkskjema for et apparat for an-vendelse i fartøyet på fig. 1, med kompenseringsinnretningen på fig. 3 i tillegg. Fig. 5a - 5d viser skjematisk en alternativ ut-førelse av apparatet ifølge oppfinnelsen hvor sondene er anordnet på en ringformet kjerne.

Fig. 6a viser et tverrsnitt gjennom en utførelse

av apparatet ifølge oppfinnelsen hvor sondene er anbragt på en ringformet kjerne. Fig. 6b viser et oppriss av apparatet på fig. 6a. Fig. 7 viser et blokkskjema for en utførelse av et apparat ifølge oppfinnelsen.

Apparatet på fig. 1 består av en første og en andre sonde i form av en luftspole 1 med hovedakse 4 parallelt med fartøyets 3 lengderetning, og en luftspole 2 med en hovedakse 5 parallelt med fartøyets 3 tverretning. Begge sonder 1 og 2 er fast anordnet i fartøyet 3.

Kursvinkelen som skal måles er vinkelen målt i

c

horisontalplanet mellom den magnetiske meridian 6 og fartøyets 3 lengderetning 4. Fartøyet er vanligvis utsatt for rulle-bevegelser og stampebevegelser.Rullevinkelen 6 rer vinkelen målt i vertikalplanet vinkelrett på fartøyets lengderetning

4 og er 0° når fartøyet ligger rett i vannflaten. Stampevinkelen 9 er vinkelen målt i vertikalplanet vinkelrett på

P o

fartøyets tverretning 5 og er 0 ligger rett i vannflaten.

Det jordmagnetiske felt som opptrer i fartøyets posisjon har en horisontalkomponent $^og en vertikalkomponent $ . og W- er produktene av overflatearealet og antall vindinger i sondene 1 resp. 2. For fluxen som påvirker de respektive sonder 1 og 2 som følge av det jordmagnetiske felt har følgende uttrykk:

I praksis er Øp < 5° og 9r < 15°, slik at det kan antas at cos G^l og sin 0^0. I dette tilfelle kan uttrykkene "1" og "2" skrives:

Som følge av kursendringer og variasjoner i rullevinkelen 0^ og stampevinkelen 0^ symmetrisk i forhold til vertikalplanet ved rulling eller stamping av fartøyet, opptrer det variasjoner av fluxkomponentene $^og slik at en elektromotorisk kraft frembringes i spolene 1 og 2. De to sonder påvirkes også av en magnetisk flux som skyldes den permanente magnetisme i fartøyets konstruksjonsdeler av jern. Ved kursendringer og rulle- og stampebevegelser av fartøyet, vil fluxen som påvirker sondene som følge av remanent magnetisme ikke endres fordi sondene ikke beveger seg i forhold til de magnetiserte konstruksjonsdeler. Den elektromagnetiske kraft som frembringes i sondene representerer derfor bevegelsen av fartøyet i forhold til det jordmagnetiske felt og forholdsregler for å eliminere remanent magnetisme i sondenes posisjon er derfor overflødige.

For den elektromagnetiske kraft som frembringes i spolene ved fartøyets bevegelse kan følgende uttrykk opp-stilles :

Spenningene e^og e- ^an anses som kvasi like-spenninger på bais av tregheten ved fartøyets bevegelser.

Apparatet på fig. 2 har to sonder 1 og 2 som via filtere 20, resp. 21 er forbundet med differensialforsterk-ere 15, 16 som forsterker de frembragte utgangssignaler fra sondene til et ønsket signalnivå. Interferense mellom de relativt høyfrekvente spenninger og spenninger som frembringes ved vibrasjon i konstruksjondelene som sondene er montert på, elimineres i filtrene 20 og 21. Differensial-forsterkerne 15 og 16 leverer det forsterkede utgangssignal til en analog/digitalomformer 17 resp. 18.

Når det gjelder den nødvendige forsterkning, følsom-het og stabilitet skal bemerkes at en horisontal vinkel-hastighet på 1 grad pr. sekund, vil den elektromotoriske kraft som frembringes i en vinding i en flate på 1 m 2 være 0,33 W ved feltstyrken av den horisontale komponent av jordmagnetfeltet i Holland. En rund spole med 5000 vindinger og en diameter på 80 cm og en trådtykkelse på 0,08 mm vil gi et maksimalt signal på minst 40 PV ved en vinkelhas-tighet på 0,05 grader pr. sekund, som tilsvarer følsomhets-grensen for vanlige hastighetsindikatorer. Spolens resistans er 88 kohm og vekten av spolen er 1,13 kg og hele spolens tverrsnitt er 0,5 cm 2.

Reaksjonsfølsomheten og stabiliteten for enhetene

15, 17 og 16, 18 ligger mellom 1 og 10 VV. Ved sampling av de frembragte elektromotoriske krefter e^og e2ved regu-lære intervaller, ved digitalisering av samplene og ved addering av de digitaliserte resultater i en prosessor 19 (f.eks. en mikrocomputer), vil de oppnådde informasjoner være representert ved følgene uttrykk:

Ved innsetning av utgangsverdiene for W, cos ©c og W2$h sin 0c slik at det er samsvar med øyeblikksverdien av kursvinkelen ved begynnelsen av en integreringsperiode (t = 0) når fartøyet ligger rett (•$ og $ =0) eller at i det minste 0 p og $ r er kjente verdier, er konstantene C1, til i uttrykkende (5) og (6) lik 0. For innføring av disse data er apparatet på fig. 2 forsynt med et tangent-bord 14.

Da det antas at skipets rulling og stamping er sym-metriske i forhold til vertikalplanet, vil resultatet av integreringen av rullevinkelen $ og stampevinkelen $ også

^ P

være lik 0, slik at sluttelig vil følgende uttrykk opptre på tidspunktet t = t^:

hvilket gir:

Av uttrykkene (7) og (8) kan kursvinkelen ©c utledes og denne kursvinkel kan indikeres på en indikator 22.

Hvis vinkelhastigheten for skipets rulling og/ eller stamping er liten, kan verdiene for disse vinkelhas-tigheter i uttrykkene (3) og (4) utelates slik at de blir som følger:

Forholdet W-^/V^ er kjent slik at øyeblikksverdien av kursvinkelen Øc kan utledes. Etter sammenligning med kursvinkelen som oppnås ved integreringen, kan verdien av kurvinkelen beregnes ved hjelp av uttrykket (11) og kan anvendes for korreksjon av kursvinkelen oppnådd ved integreringen, hvilken korreksjon f.eks. er nødvendig ved drift i forsterkere eller ved oppsamling av interferenssignaler.

Hvis ønskelig kan signalene e^og e2også anvendes for å bestemme et signal som svarer til hastigheten av endringen av kursvinkelen. I det tilfelle må signalene el °9 e2summeres etter kvadrering, og kvadratroten må trekkes av summen, og den resulterende verdi V = \ Je^ 1+ e22 representerer størrelsen av hastighetsendringen. En slik operasjon kan foretas av prosessoren 19.

Ved rull- og stampeperioder av kort varighet, f.eks. innenfor 1-5 sekunder, kan sinusformet interferens i kursvinkelsignalet som følge av periodiske bevegelser elimineres ved gjentatt måling av kursvinkelen ved hjelp av uttrykket (11) innenfor tidsrom som er bestemt av antal-let rulle- og stampeperioder, slik at riktig bestemmelse av kurssignalet kan oppnås.

Ved stor amplitudeverdi av rullingen og stampingen og i en lang periode, kan den derved induserte spenning i sondene 1 og 2 ikke lenger neglisjeres og interferensspenning-ene må elimineres. Dette kan skje ved å omforme rullebeveg-elsene i forhold til vertikalplanet til elektriske spenninger ved hjelp av et kunstig frembragt vertikalt magnetfelt,

og slike spenninger anvendes for kompensering av interferens-spenningene i sondene 1 og 2.

I den hensikt er kompensasjonsinnretningen utstyrt med et andre sett sonder som hovedsakelig påvirkes av det kunstige vertikalfelt. De respektive utgangsspenninger fra det andre sett sonder anvendes for å kompensere de elektromotoriske krefter som frembringes i sondene 1 og 2 under rulling og/eller stamping. Fig. 3 viser det andre sett sonder som består av spolene 7 og 8 som er anordnet rundt en magnet 9 som frembringer et kunstig vertikalfelt. Fig. 4 viser hvorledes utgangssignalene fra sondene 7 og 8 kombi-neres med utgangssignalene fra sondene 1 resp. 2.

Sonden 7 er fast montert i fartøyet 3 i et plan parallelt med spolen 1. Ved en diameter på f.eks. 10% av diameteren av spolen 1, vil den elektromotoriske kraft som frembringes i spolen 7 som følge av bevegelsen av det lo-kale magnetfelt være ca. 1% av den elektromotoriske kraft i spolen 1. Sonden 8 er fast montert i et plan parallelt med spolen 2. Spolene 7 og 8 påvirkes hovedsakelig av perma-nentmagneten 9 som er kardanopphengt i spolenes sentrum ved hjelp av lagre 10 og 11. Da magneten 9 er en del av en fritt bevegelig pendel som eventuelt er væskedempet, vil magnetens posisjon normalt være vertikal. Filtrene 20 og 21 på fig. 4 eliminerer også intérferensspenninger frembragt av spolene 7 og 8 som følge av vibrasjoner eller selvvibrasjoner i magnetpendelen 9, 10, 11 ved høy vibra-sjonstakt. Etter spenningsdeling og justering av motstand-er 12 og 13 etter en kalibreringsskala svarende til styrken av vertikalkomponenten av jordmagnetfeltet som skal kompen-seres, oppnås følgende verdier for den elektromotoriske kraft:

hvor W_ og Wg er produktet av overflatearealet og antall vindinger i spolene 7 og 8, og $m er feltstyrken for magneten 9. Feltstyrken $m må være større enn vertikalkomponenten for det jordmagnetiske felt.

Ved summering oppnås følgende uttrykk:

Ved justering av motstandene 12 og 13 på egnet måte vil den andre og tredje størrelse i uttrykkene (14) og (15) eliminere hverandre, slik at uttrykkene (9), (10) og (11) oppnås som resultat fra hvilket kursvinkelen Øc kan utledes.

Fig. 5a viser prinsippet for en utførelse hvor kryssvis anbragte sonder 1 og 2 er anordnet på en felles ringformet kjerne 30 av magnetisk materiale med høy permeabilitet, f.eks. av mu-metall. På denne måte oppnås en sammentrekning av det jordmagnetiske felt 6 fordi største-delen av kraftlinjene vil strekke seg gjennom deler av ringen 30 som ligger i deres bane. Dette betyr en vesentlig økning av signalstyrken ved rotasjon av sondene 1 og 2

i det jordmagnetiske felt og målenøyaktigheten opprettholdes ved tilstrekkelig rotasjonssymmetri av ringen 30.

Som det fremgår av fig. 5b kan formen av spolen

1 (i sideriss på tegningen) og 2 (ikke vist) anbringes på ringen 30 da de magnetiske kraftlinjer nå strekker seg gjennom ringen 30 og ytterflaten av ringen 30 ikke gir til-skudd til størrelsen av induksjonssignalet. Ved rotasjon i horisontalplanet vil de horisontale deler 39 av hver vinding ikke yte noe til den elektromotoriske kraft på klemmene av spolen 1 mens de vertikale deler 40 frembringer spenninger som summeres til utgangssignalet fra spolen 1 som følge av deres motsatte bevegelser i forhold til de magnetiske kraftlinjer.

Hvis de horisontale deler 39 av hver vinding byt-tes ut med vertikale deler 37 og 38, vil intet endres i spenningene på klemmene av spolen 1 fordi delene 37 og 38 ligger innenfor det feltfrie området 36 inne i ringen 30. Sonden 1 kan sammensettes av to diametralt anordnede tråd-spoler 31 og 32 som er viklet på ringen 30 som vist på fig. 5c hvorved funksjonen av sonden 1 opprettholdes. Fig. 5d viser et grunnriss hvor sonden 2 også er sammensatt av spolene 33 og 34 som er diametralt over hverandre anordnet på ringen 30 på lignende måte.

Ved å bytte ut luftspoler med stor' diameter med spoler med mindre diameter viklet på en magnetisk ringformet kjerne, har den fordel at for samme signalamplitude kan det anvendes en vesentlig minskning av spolenes resistans hvilket er fordelaktig for stabiliteten av signalet under for-sterkningen .

En ytterligere spole 35 er anordnet på ringen 30 matet fra en vekselstrømskilde. Derved oppnås vekselflux i ringen 30 som eliminerer magnetisk hysteresis som opptrer i ringen 30 ved rotasjon i horisontalplanet. Når spole-parene 31, 32 og 33, 34 er motsatt forbundet for en magnetisk fluxsirkulering i ringen 30, vil ikke vekselfluxen for-årsake interferenssignaler i utgangene fra målesystemet for kursbestemmelsen. Ved utførelsen på fig. 5d kan kompenseringsinnretningen på fig. 3 anvendes hvis ønskelig.

Fig. 6a og 6b viser en utførelse av et apparat ifølge oppfinnelsen hvor sonder svarender til de på fig. 5 anvendes. Ringen 30 på hvilken spolene 31 - 34 er anordnet bæres av en ring 41 med stor L-formet tverrsnitt, og denne ring er kardanopphengt på en bæredel 45 ved hjelp av en mellomliggende ring 42 og kardanaksler 43, 44, idet bære-delen 45 er fast montert i fartøyet 3. To magneter 46 og 47 er montert i sentrum av ringen 30 har slik polarisering og feltstyrke at de eliminerer den vertikale komponent av det magnetiske felt for fartøyet 3 i ringens 30 posisjon. Magnetene 46 og 47 kan være permanentmagneter eller elektro-magneter. Ved hjelp av magnetene 46 og 47 oppnås at vertikalkomponenten av fartøyets magnetfelt ikke induserer spenninger i spolene 31 - 34 ved rulling eller stamping av fartøyet. Da ringen 30 med spolene 31 - 34 er rotasjons-messig faststående i fartøyet 3, vil horisontalkomponenten av fartøyets magnetfelt ikke indusere spenninger i spolene 31 - 34 ved endring av kursvinkelen fordi ringen 30 med

spolene 31 - 34 og fartøyet 3 foretar samme bevegelser i horisontalplanet.

Spolene 31 - 34 leverer derfor bare induksjons-spenninger som er avhengig av horisontalkomponenten av det jordmagnetiske felt i fartøyets posisjon ved en endring av

fartøyets kurs.

Uten magnetene 4 6 og 47 "vil vertikalkomponenten av fartøyets magnetfelt bevirke interferenssignaler i spolene 31 - 34 som følge av ofte lange rulleperioder av fartøyet, og disse interferenssignaler har en lav frekvens i det frekvensområde som gjelder endring av kursvinkelen. Derfor kan interferenssignalene ikke undertrykkes ved

hjelp av et elektrisk filter.

Interferenssignalene som frembringes ved egne svingebevegelser av ringen 30 med spolene 31 - 34 i kardan-opphengningen 42 - 45, har en høy frekvens slik at disse signaler kan undertrykkes i et elektrisk filter uten nevne-verdig å påvirke signalene som frembringes ved endring av kursvinkelen.

Den kardanopphengte ring 30 kan lukkes inne i en kappe 48 som er faststående i fartøyet.

Fig. 7 viser blokkskjema for utførélse av sondene ifølge fig. 6 hvor de frembragte induksjonssignaler inte-greres analogt. Her er bare spolene 31 og 32 for lengderet-ningen vist, men det samme gjelder for spolene 33 og 34.

Induksjonssignalet e^som induseres i spolene 31, 32, bevirker en fluxendring i ringen 30, og tilføres opera-sjonsforsterken 50 via et filter 49, og forsterkeren 50 er forbundet med en integrator ved hjelp av en tilbakekoplings-kondensator 51. Et filter 49 er anordnet for å undertrykke tilfeldige spenningstopper for å hindre strømmetning i forsterkeren 50. Utgangen fra integratoren 50, 51 leverer et signal svarende til Je-^dt, hvor et interferenssignal kan være tilstede som følge av svingebevegelser i kardanoppheng-ningen av ringen 30. Dette interferenssignal undertrykkes ved hjelp av et filter 52. Utgangen fra filteret 52 er forbundet med en analog/digitalomformer 17 som igjen er forbundet med prosessoren 19. Prosessoren 19 bestemmer den ønskede kursvinkel fra de tilførte signaler i samsvar med uttrykkene (7) og (8). Kursvinkelen indikeres på en indikator 22.

En oscillator 52 leverer en vekselspenning til spolen 35 via et filter 54. Vekselfluxen frembringes i ringen 30 som tidligere beskrevet for å eliminere magnetisk hysteresis som opptrer under rotasjon i horisontalplanet.

Claims (11)

1. Apparat for å bestemme et fartøys eller et kjøre-tøys kursvinkel i forhold til den magnetiske meridian for fartøyets eller kjøretøyets posisjon, karakterisert ved en første og en andre sonde som er montert i det minste fast roterbart i fartøyet eller kjøretøyet i måleretninger som innbyrdes danner en vinkel, idet hver sonde avgir et utgangssignal som er avhengig av en endring av den magnetiske fluks i vedkommende sonde som følge av endring av fartøyets eller kjøretøyets kursvinkel, og begge sonder er forbundet med en prosessor som utleder kursvinkelen for far-tøyet eller kjøretøyet fra utgangssignalene.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at måleretningen for den første sonde strekker seg i fartøyets eller kjøretøyets lengderetning, og at måleretningen for den andre sone strekker seg i fartøyets eller kjøre-tøyets tverretning.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det for hver sone er anordnet en integrator som integrerer dens utgangssignal, og at prosessoren utleder kursvinkelen fra de integrerte signaler.

4. Apparat ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at begge sonder består av en flat trådspole som er fast montert i fartøyet eller kjøretøyet og har et stort antall vindinger med en diameter i størrel-sesorden 1 m.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved en kompenseringsinnretning for å kompensere utgangssignalene fra sondene som følge av det jordmagnetiske felts vertikalkomponent for fartøyets eller kjøretøyets posisjon.

6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at kompenseringsinnretningen omfatter en tredje og en fjerde sonde som er fast montert i fartøyet eller kjøre-tøyet og hvis måleretninger strekker seg parallelt med måleretningene for den første resp. andre sonde, og en magnet hvis magnetfelt er motsatt det jordmagnetiske felts verti kalkomponent, idet følsomheten for den tredje og fjerde sonde er en brøkdel av følsomheten for den første og andre sone, fordi magnetens feltstyrke er meget større enn verti-kalkomponentens feltstyrke, og utgangssignalet fra den tredje og fjerde sonde adderes til utgangssignalene fra den første resp. andre sonde.

7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert ved at den tredje og fjerde sone hver består av en flat trådspole med et antall vindinger med en diameter i stør-relsesorden 0,1 m.

8. Apparat ifølge krav 1 2, eller 3, karakterisert ved at begge sondene består av minst to spoler som er serieforbundet og anordne«t diametralt overfor hverandre på en ringformet kjerne av magnetisk materiale med høy permeabilitet.

9. Apparat ifølge krav 8, karakterisert ved at den ringformede kjerne er kardanopphengt i fartøyet eller kjøretøyet.

10. Apparat ifølge krav 9, karakterisert ved at det i sentrum av den ringformede kjerne er anordnet en magnet hvis magnetfelt er motsatt rettet vertikalkomponenten for fartøyets eller kjøretøyets magnetfelt og har en feltstyrke som svarer til feltstyrken for denne vertikalkomponent.

11. Apparat ifølge krav 8, 9 eller 10, karakterisert ved at en ytterligere spole er anordnet på den ringformede kjerne og forbundet med en vekselstrømkilde.