Verschiebungs-Messvorrichtung mit zwei relativ zueinander verschiebbaren Stücken
Die Erfindung betrifft eine Verschiebungs-Messvorrichtung mit zwei relativ zueinander verschiebbaren Stücken, wobei eine erste Leiteranordnung auf dem einen Stück angebracht ist.
Bekannte Messvorrichtungen dieser Art haben den Nachteil, nicht genügend genau zu sein. Zwecks Verbesserung der Messgenauigkeit zeichnet sich die Vorrichtung nach der Erfindung aus durch eine zweite Leiteranordnung, die auf dem anderen Stück zwecks Kopplung von Wechselspannungen an die Ausgangsklemmen angebracht ist, wobei die zweite Leiteranordnung so geformt ist, dass eine mindestens annähernd konstante Amplitudenkopplung in allen Relativlagen der Stücke auftritt, und dass die Phase der Kopplung der Verschiebung zwischen den Stük ken proportional ist.
Die Verschiebung der Stücke kann linear erfolgen oder durch eine Drehung hervorgerufen werden.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten beispielhaften Ausführungsformen näher beschrieben, und zwar sind
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die einen Rotor und einen Stator sowie ein Muster auf dem Rotor zeigt,
Fig. 2 eine vergrösserte Aufsicht auf das Muster des Rotors,
Fig. 3 eine vergrösserte Aufsicht auf ein Muster des Stators, das dem Muster des Rotors gegenüberliegt,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Stromversorgung und des Ausganges der verschiedenen Teile des Statormusters,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Phasenbeziehungen von vier elektrischen Eingangsspannungen eines Teiles des Stators,
Fig. 6 eine Darstellung der Beziehungen zwischen dem Rotor- und dem Statormuster für einen Teil des Umsetzers bei einer ausgewählten relativen Stellung,
Fig.
7 ein Vektordiagramm, das die Wirkung der vier elektrischen Eingangsspannungen auf die Phase der resultierenden Ausgangsspannungen eines Teiles des Umsetzers zeigt,
Fig. 8 ein Vektordiagramm, das die resultierende Phase der Ausgangsspannungen nach einer Bewegung des Rotors relativ zu dem Stator um 900 (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in Fig. 6 zeigt,
Fig. 9 ein Vektordiagramm, das die resultierende Phase der Ausgangsspannungen nach einer Bewegung des Rotors relativ zu dem Stator um 1800 (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in Fig. 6 zeigt,
Fig. 10 ein Vektordiagramm, das die Resultierende der Ausgangsspannungen nach einer Bewegung des Rotors relativ zu dem Stator um 2700 (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in Fig. 6 zeigt,
Fig.
11 eine graphische Darstellung der Phasenabhängigkeit für die zwei gesonderten Teile des Umsetzers während der Drehung des Rotors,
Fig. 12 ein Blockschaltbild für die Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen des'Umsetzers,
Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines Umsetzers für eine Umwandlung einer linearen mechanischen Verschiebung in elektrische phasenmodulierte Ausgangssignale,
Fig. 14 und 15 perspektivische Ansichten des feststehenden Steuerteiles und des bewegbaren Abtastteiles des Umsetzers der Fig. 13 und
Fig. 16 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Abtast- und dem Steuermuster für einen Teil des linearen Umsetzers an einer bestimmten Stelle.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 enthält die nachfolgend kurz Umsetzer genannte Messvorrichtung 20 einen Stator 21 und einen Rotor 22, von denen jeder aus einem Material, z. B. Glas oder Kunststoff, hergestellt werden kann, das seine Abmessungen bei einer weiten Änderung seiner Umgebungsbedingungen beibehält. Der Stator 22 ist an einer Stange 23 mittels eines Flansches 24 befestigt, der an der Rückseite des Stators mittels mehrerer Schrauben 25 angebracht ist. Die Stange 23 ist ebenfalls an einem feststehenden Ständer 26 befestigt, der mittels Bolzen 28 an einem Träger 27 angebracht ist.
Der Rotor 22 ist an der Welle 29 mittels eines Flansches befestigt, der dem Flansch 24 gleichartig ist.
Die Welle ist durch einen Lagerblock 30 geführt, der an einem Träger befestigt ist. Ein Muster 31 ist in einer dünnen Schicht leitfähigen Materials, z. B. Kupfer, an der Innenfläche 32 des Rotors und ein Muster 33 aus gleichartigem Material an der Innenseite 34 des Stators 21 angebracht. In Fig. 1 sind der Rotor und der Stator getrennt dargestellt. Nach dem Zusammenbau des Umsetzers stehen sich jedoch die Teile mit einem möglichst geringen Abstand gegenüber.
Das Muster 31 des Rotors enthält Metallringe 35 bis 39, die konzentrisch zum Mittelpunkt des Rotors angeordnet sind (Fig. 2). Eine Mehrzahl von in gleichem Abstand angeordneten radialen Stegen 40 gleicher Abmessung erstreckt sich zwischen den Ringen 35 und 36 und eine Mehrzahl von gleichförmigen Stegen 41 erstreckt sich in derselben radialen Richtung wie die Stege 40 zwischen den Ringen 36 und 37. Die Stege 40 begrenzen eine Mehrzahl von Öffnungen 42 gleicher Grösse wie die Stege, und in gleicher Weise begrenzen die Stege 41 eine Mehrzahl von Öffnungen 43 von derselben Grösse wie die Stege 41. Die Stege 40 und 41 und die Öffnungen 42 und 43 bilden den einen Teil des Rotormusters.
In gleichartiger Weise begrenzen radiale Stege 44 Öffnungen 45 von selber Abmessung wie die Stege 44 zwischen den Ringen 37 und 38, und gleichartige Stege 46 in Richtung der Stege 44 begrenzen Öffnun- gen 47 von derselben Grösse wie die Stege 46 zwischen den Ringen 38 und 39. Die Stege 44 und 46 und die Öffnungen 45 und 47 bilden den anderen Teil des Rotormusters. Um die Wirkung einer nonischen Teilung zu erhalten, ist die Zahl der Stege 40 und 41 etwas verschieden von der Zahl der Stege 44 und 46. Bei dem dargestellten Muster sind 200 Stege 40 und 41 und 198 Stege 44 und 46 vorgesehen.
Das Muster 33 des Stators 21 hat fünf leitfähige Ringe 48 bis 52, die konzentrisch zu dem Mittelpunkt des Stators angeordnet sind (Fig. 3 und 4). Jeder Ring ist vollständig von dem Rest des Musters durch kreisförmige Streifen 53 und 54 an gegenüberliegenden Seiten jedes Ringes isoliert. Die Streifen sind in Fig. 4 angegeben, erscheinen jedoch in Fig. 3 wegen ihrer geringen radialen Breite nur als Linien. Zwischen den Ringen 48 und 49 und von diesen durch die Streifen 53 und 54 isoliert, sind zwei leitfähige Elemente 55 und 56 angeordnet, die voneinander durch einen Streifen 57 isoliert sind, der annähernd Sinusform hat und sich vollständig um das Muster 33 herum erstreckt. Gleichermassen sind Elemente 58 und 59 zwischen den Ringen 49 und 50 angeordnet und voneinander durch den Streifen 60 und von den Ringen durch die Streifen 53 und 54 isoliert.
Der Streifen 60 hat dieselbe Form wie der Streifen 57 und enthält dieselbe Zahl von Sinusschwingungen, jedoch sind diese um 90C - bezogen auf eine einzelne Schwingung - gegenüber denjenigen des Streifens 57 in Umfangsrichtung verschoben.
Die leitfähigen Elemente 55, 56, 58 und 59 bilden einen ersten Teil des Statormusters. Für die Zwecke der Beschreibung wird weiterhin die eine ganze einzelne Sinusschwingung des Streifens 57 oder 60 mit 360C (elektrisch) bezeichnet zur Unterscheidung von den Graden der mechanischen Drehung des Rotors.
Gleichermassen sind leitfähige Elemente 61 und 62 zwischen Ringen 50 und 51 angeordnet und durch isolierende sinusförmige Streifen 63 getrennt, während leitfähige Elemente 64 und 65 zwischen Ringen 50 und 51 angeordnet und durch einen sinusförmigen Streifen 66 getrennt sind. Jedes Element ist ebenso von dem anliegenden Ring entweder durch den Strei- fen 53 und 54 isoliert. Die Streifen 63 und 66 haben dieselbe Form und enthalten dieselbe Zahl von Sinusschwingungen, jedoch sind die Schwingungen um 90 (elektrisch) ausser Phase. Ein zweiter Teil des Statormusters enthält die erwähnten, leitfähigen Elemente 61, 62, 64 und 65. Die Streifen 57, 60, 63 und 66 sind in Fig. 4 dargestellt, jedoch in Fig. 3 wegen ihrer geringen radialen Breite nur als Linien zu sehen.
Wie ersichtlich, stehen die Stege 40, 41, 44 und 46 direkt den Streifen 57, 60, 63 und 66 gegenüber, wenn die zwei Muster einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Umfangsbreite jedes Steges und jeder anliegenden Öffnung in dem Rotormuster stimmt derart mit der gegenüberliegenden Sinusschwingung des Statormusters überein, dass je ein Steg und eine Öffnung einer Sinusschwingung gegenüberliegen. Die Streifen 57 und 60 enthalten somit 200 volle Sinusschwingungen und die Streifen 63 und 64 enthalten 198 volle Sinusschwingungen.
Die leitfähigen Elemente 55 bis 65 sind mit den einzelnen Leiterstegen des Rotors kapazitiv gekoppelt. Die Fläche jedes einzelnen Leiterelementes des Steuermusters ändert sich unter einem gegebenen Kopplerleitersteg sinusförmig mit der Verschiebung und erzeugt damit, wenigstens in erster Annäherung, eine sinusförmige Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von der Verschiebung. Die sinusförmigen Elemente 55, 56, 58 und 59 werden mit einer Bezugs trägerspannung von 30 kHz gespeist. Die sinusförmigen Muster 61, 62, 64 und 65 werden mit einer Bezugsträgerspannung von 30 kHz gespeist. Der Umsetzer ist in seinen Arbeitsbedingungen abhängig von der richtigen Anordnung der Elemente des elektrischen Feldes.
Elektrostatische Kopplungen von den unter Spannung stehenden sinusförmigen Mustern zu den Ausgangsleitern 48 bis 52 werden mittels der Leiterstege 40 und 46 des Rotors erreicht.
Die Verwendung eines 20 kHz- und eines 30 kHz-Bezugsträgers erlaubt, dass die zwei Ausgangssignale linear gemischt werden, und führt zu einem zusammengesetzten Ausgangssignal, das in einfacher Weise durch eine einzelne Kanalverbindung zu einem angeschlossenen Anzeige- oder Auswertungsapparat übertragen werden kann. Das zusammengesetzte Signal kann mittels bekannter selektiver Filterschaltungen an einem geeigneten Punkt in dem Auswertungsapparat getrennt werden.
Die elektrische Eingangs schaltung für das Statormuster ist in Fig. 4 dargestellt. Anschlussklemmen A und B eines Übertragers 67 sind mit einer Hochfrequenzquelle (von z. B. 20 kHz) verbunden. Die Ausgangsspannung des Übertragers liegt an Anschlussklemmen 68 und 69 der leitfähigen Elemente 55 und 56. Gleichermassen erzeugt die Hochfrequenz an den Klemmen C und D eines Übertragers 70 eine Spannung an den leitfähigen Elementen 58 und 59 (Klemmen 71 und 72). Die Eingangsspannungen an den Klemmen A und B und an den Klemmen C und D haben dieselbe Amplitude und Frequenz, jedoch sind sie um 90" (elektrisch) phasenverschoben.
Die Kurven 55', 56', 58' und 50' der Fig. 5 zeigen die Ein gangsspannungen an den leitfähigen Elementen 55, 56, 58 und 59 und die Phasenbeziehungen, die zwischen diesen Elementen bestehen. Die Phase an den Elementen 58, 56 und 59 eilt der Phase an dem Element 55 um 90, 180 und 270 (elektrisch) nach. Als Bezugspotential dient das Potential der Mittelpunkte der Sekundärwicklungen der Übertrager 67, 70, 73, 76, die in nicht dargestellter Weise miteinander verbunden und z. B. geerdet sind.
Von den Anschlussklemmen E und F eines Übertragers 73 gelangt Hochfrequenz (z. B. von 30 kHz) zu den Klemmen 74 und 75 der leitfähigen Elemente 61 und 62, und von den Anschiussklemmen G und H eines Übertragers 76 zu den Klemmen 77 und 78 der leitfähigen Elemente 64 und 65. Die Eingangsspannungen an den Klemmen E und F und den Klemmen G und H haben dieselbe Amplitude und Frequenz, je doch sind sie um 90" (elektrisch) phasenverschoben.
Daher entspricht die Phasenbeziehung zwischen den Eingangsspannungen der leitfähigen Elemente 61, 62, 64 und 65 der in Fig. 5 dargestellten Form. Die Phase an den Elementen 64, 62 und 65 eilt der Phase an dem Element 61 um 90, 180 und 270 nach. Der Ausgang des Umsetzers besteht aus der einzelnen Klemme 1, die über die Leitungen 79 bis 83 mit den Ringen 48 bis 52 verbunden ist. Im Betrieb des Umsetzers sind die leitfähigen Elemente des Statormusters kapazitiv mit den ihnen gegenüberliegenden Stegen des Rotormusters gekoppelt, und die Ringe 35 bis 39 des Rotormusters sind kapazitiv mit den Ausgangsringen 48 bis 52 des Statormusters gekoppelt, da diese Ringe einander gegenüberliegen.
Dadurch können die Leitungen 79 bis 83 nur dann alle zusammengeschaltet werden, wenn die Eingangsfrequenz an den Klemmen A, B und C, D von der Eingangsfrequenz an den Klemmen E, F und G, H verschieden ist. Für die Zwecke der Beschreibung sind als Frequenz an den Eingangsklemmen A, B und C, D 20 kElz und an den Klemmen E, F und G, H 30 kHz angenommen. Für den Fall jedoch, dass die Eingangsspannungen gleiche Frequenz haben, ist es erforderlich, getrennte Schaltungen für die Ringe 48 bis 50 und für die Ringe 50 bis 52 vorzusehen. Die sinusförmigen Än- derungen der Kapazität jedes Paares von Leitern addieren sich bei der relativen Verschiebung, während der Zeitpunkt, zu dem die Kopplung stattfindet, von der räumlichen Verschiebung abhängt.
Auf diese Weise kann die Amplitudenmodulation des Ausgangssignal, die auf der Leitung I auftritt, vernachlässigbar klein gemacht werden.
In Fig. 6 ist die Beziehung zwischen den Stegen und Ringen des Rotormusters zu den leitfähigen Elementen und Ringen des Statormusters vergrössert dargestellt, wobei das Statormuster in vollen und das Rotormuster in gestrichelten Linien wiedergegeben ist. Nur die sinusförmigen Streifen 57 und 60 und die diesen zugeordneten leitfähigen Elemente sind dargestellt, da diese Elemente zusammenwirken, um ein Signal zu erzeugen, dessen Phase sich relativ zu der Phase des Bezugssignals bei der Bewegung des Rotors ändert. Die in Fig. 6 nicht dargestellten Elemente des Umsetzers erzeugen ein zweites Phasensignal auf dieselbe Weise, wie nachfolgend für die dargestellten Elemente beschrieben wird. Die Eingangs- spannung jedes der leitfähigen Elemente 55, 56, 58 und 59 kann als Phasenbezug verwendet werden.
Für die Zwecke der Beschreibung wird die Eingangsspannung des Elementes 59 als Bezug gewählt. Eine Sinusschwingung auf dem Streifen 57 oder 60 entspricht 360" (elektrisch).
Wie aus Fig. 6 zu entnehmen ist, eilt die Sinusschwingung des isolierenden Streifens 57 der Sinusschwingung des Streifens 60 um 900 voraus, und die Stege 40 und 41 des Rotormusters liegen um 1800 verschoben zu den beiden Streifen. Die Stege 40 sind kapazitiv mit den ihnen gegenüberliegenden Flächen der leitfähigen Elemente 55 und 56 beiderseits des Streifens 57 gekoppelt. In der Stellung der Fig. 6 sind die gekoppelten Flächen der Elemente 55 und 56 einander gleich. Ebenso sind die Stege 41 kapazitiv mit den ihnen gegenüberliegenden flächen der leitfähigen Elemente 58 und 59 beiderseits des Streifens 60 gekoppelt. In der Stellung der Fig. 6 ist die kapazi tiv wirksame Fläche des Elementes 59 grösser als die Fläche des Elementes 58.
Die zusammengesetzte Wirkung der vier Flächen ist durch das Vektordiagramm der Fig. 7 dargestellt, in dem momentane Spannungsvektoren dargestellt und mit den Bezugszahlen der entsprechenden leitfähigen Elemente bezeichnet sind.
Die Eingangsspannungen der Elemente 55 und 56 sind um 1800 (elektrisch) gegeneinander phasenverschoben, und da die Flächen dieser Elemente, die den Stegen 40 gegenüberliegen, gleich sind, löschen die an die Stege 40 angekoppelten Signale einander aus.
Ebenfalls sind die Eingangsspannungen der Elemente 58 und 59 um 1800 phasenverschoben, aber da die Flächen dieser Elemente, die den Stegen 41 gegen überliegen, ungleich sind, ist das Ausgangssignal an den Stegen 41 ungleich. Das resultierende Ausgangs signal 84, das an die Stege 40 und 41 gekoppelt wird, wird durch die Ringe 35 bis 37 des Rotormusters kapazitiv auf die Ringe 48 bis 50 des Statormusters übertragen. Die Ringe 48 bis 50 sind wiederum mit der Ausgangsklemme I durch die Leitungen 79 bis 81 verbunden (Fig. 4).
Nachdem der Rotor 22 um 90 (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in Fig. 6 gedreht ist, werden die Flächen der Elemente 55 und 56, die den Stegen 40 gegenüberliegen, ungleich, wobei die Fläche des Elementes 55 die grössere ist, und die Flächen der Elemente 58 und 59, die den Stegen 41 gegenüberliegen, werden gleich. Die kapazitive Wirkung dieser Flächen bewirkt einen Spannungsvektor 85 (Fig. 8), der zeigt, dass die Phase des Ausgangssignals an der Klemme I um 90 relativ zu der Phase des Bezugssignals verschoben worden ist.
Eine weitere 900 (elektrisch)-Drehung des Rotors (somit zusammen 1800) führt zu gleichen Flächen der Elemente 55 und 60 und zu einer grösseren Fläche des Elementes 48 als die Fläche des Elementes 59, so dass der Vektor 86 (Fig. 9) das Ausgangssignal wiedergibt, das um 1800 in der Phase zu dem Bezugssignal verschoben ist.
Eine weitere 900 (elektrisch)-Drehung des Rotors (insgesamt 270 ) führt zu gleichen Flächen der Elemente 58 und 59 und zu einer grösseren Fläche des Elementes 56 als die Fläche des Elementes 55, so dass der Vektor 87 (Fig. 10) das Ausgangssignal darstellt, das zu dem Bezugssignal um 2700 phasenverschoben ist. Nach einer 360 -Drehung stellt wiederum der Vektor 84 das Ausgangssignal dar, das mit dem Bezugssignal in Phase ist. Der Vektor für das Ausgangs signal ändert sich kontinuierlich in der Richtung während der Drehung des Rotors, wie es durch die Vektordiagramme Fig. 7 bis 10 für die vier ausgewählten Stellungen zwischen Rotor und Stator dargestellt ist. Die Phase des Ausgangssignals wird um 360 während der 360 (elektrisch)-Bewegung zwischen dem Rotor und dem Stator verschoben.
Dabei bleibt die Frequenz des Ausgangssignals dieselbe wie für die vier Eingangssignale, welche mit 20 kllz angegeben wurde. Gleichermassen ergibt sich ein zweites Ausgangssignal in wechselnder Phase aus der Kopplung der Flächen der Elemente 61 und 62 mit den ihnen gegenüberliegenden Stegen 44 des Rotors und aus der Kopplung der Flächen der Elemente 64 und 65 mit den ihnen zugeordneten Stegen 46 des Rotors. Dieses zweite Ausgangssignal wird der Ausgangsklemme I über die Leitungen 81 bis 83 zugeführt und hat dieselbe Frequenz wie die Eingangs signale der Elemente 61, 62, 64 und 65, nämlich 30 kHz. Die Phase des zweiten Ausgangssignales wird sich relativ zu der Phase des Bezugssignales um 3600 (elektrisch) während der Bewegung von 360 (elektrisch) der sinusförmigen Trennstreifen 63 und 66 des Rotors ändern.
Das Ausgangssignal das von den Elementen 55, 56, 58 und 59, welche durch die Streifen 57 bzw. 60, die 200 Wellen aufweisen, voneinander getrennt sind, auf die 200 Stege 40, bzw. 41 übertragen wird, erfährt bei einer Drehung des Rotors um 360 (mechanisch) 200-mal eine Phasenverschiebung von 360 (elektrisch). Das Ausgangssignal, das von den durch die 198 Wellen aufweisenden Streifen 63 bzw. 66 voneinander getrennten Elementen 61, 62, 64, 65 auf die 198 Stege 44 bzw. 46 übertragen wird, erfährt dagegen bei einer Drehung des Rotors um 360 (mechanisch) nur 198-mal eine Phasenverschiebung von 3600 (elektrisch).
Diese beiden Ausgangssignale sind wegen des 1 % betragenden Unterschiedes der Wellenzahlen der Streifen 57 und 58 , bzw. 63 und 66 voneinander verschieden, wobei der Unterschied von der Winkellage des Rotors abhängt.
In Fig. 11 zeigt die Linie J die Phasenverschiebung des gemeinsamen Ausgangssignals, das von den Elementen 55, 56, 58 und 59 erhalten wird, in Abhängigkeit von der mechanischen Verschiebung. Die Linie K zeigt dagegen die Phasenverschiebung des gemeinsamen Ausgangssignals, das von den Elementen 61, 62 und 64 und 65 erhalten wird, in Abhängigkeit von der mechanischen Verschiebung. Eine elektrische Phasenverschiebung von 360 , die durch den Punkt L auf der Linie J dargestellt ist, ergibt sich aus 360 einer mechanischen Drehung des Rotors von = 200 1,8 mechanischen Graden, während dieselbe elektri- sche Phasenverschiebung, wie sie durch den Punkt M auf der Linie K dargestellt ist, aus einer Drehung des
360 Rotors von 1982 also ungefähr 1,82 mechanischen Graden resultiert.
Während der Rotordrehung vergrössert sich somit der vertikale Abstand zwischen den Linien J und K kontinuierlich, so dass die Phasendifferenz zwischen den Ausgangsspannungen der Elemente 55, 56, 58, 59 und der Elemente 61, 62, 64 und 65 kontinuierlich ansteigt. Nach einer mechanischen Drehung des Rotors von 1800 wird die Phasendifferenz 360 (elektrisch), und für jede vollständige mechanische Drehung des Rotors von 360 gehen die beiden Ausgangsspannungen durch zwei Umläufe der Phasenänderung, entsprechend 702 (elektrisch).
Wenn man die Phase des durch die Linie J darge- stellten Signals in bezug auf eine Bezugsfrequenz von 20 kHz misst, so erhält man ein sehr genaues Mass der Winkelverschiebung innerhalb jedes Winkelbereiches von 0-1,80, bzw. 1,8" bis 3,60 usw. Man weiss aber dann nicht ohne weiteres, in welchem Winkelbereich der gesuchte Messwert liegt, d. h. dieses Feinsignal ist mehrdeutig. Es ist daher nötig, ausser dem Feinsignal noch ein Grobsignal abzuleiten, das den Winkelbereich bestimmt. Hierzu wird das durch die Linie K dargestellte Signal benützt, wie nachfolgend anhand von Fig. 12 erläutert wird.
In Fig. 12 ist eine Schaltung gezeigt, durch die das Grobsignal von den zwei Ausgangsspannungen des Umsetzers erhalten werden kann. Das zusammengesetzte Signal, das die phasenverschobenen Ausgangssignale beider Teile des Umsetzers enthält, wird über eine an die Klemme I (Fig. 4) angeschlossene Leitung 88 dem selektiven Filter 89 zugeführt. Dieses Filter enthält selektive L-C-Kreise, die die phasenverschobenen Ausgangssignale trennen und auf gesonderten Leitungen 90 und 91 abführen. Das 20 kHz-Signal auf der Leitung 90 stellt 100 zyklische Phasenumläufe für je 1800 Winkeldrehung der Welle des Umsetzers dar, während das 30 kHz-Signal auf der Leitung 91 für jede halbe Umdrehung der Eingangswelle 99 zyklische Phasenumläufe darstellt.
Das Signal auf der Leitung 91 wird in der Schaltung 92 mit einem 50-kHz-Bezugsträger gemischt, der über eine Leitung 92' zugeführt wird. Dadurch wird auf der Leitung 93 eine Ausgangsspannung erzeugt, die dieselbe Frequenz hat wie die Ausgangsspannung des Filters 89 auf der Leitung 90, nämlich 20 kHz. Die beiden Leitungen 90 und 93 übertragen die beiden Signale auf den Phasendetektor 94. Der Phasendetektor erzeugt zwei um 90" phasenverschobene Gegentaktspannungen, deren relative Grösse jederzeit proportional der Phasenbeziehung zwischen den zugeführten 20 kHz-Eingangssignalen ist.
Da das auf der Leitung 93 erscheinende Mischsignal als Bezugsträger für den Nachrichtenträger auf der Leitung 90 dient, ruft die Phasenbeziehung nur eine zyklische Änderung der um 900 phasenverschobenen Signale auf der Leitung 95 für je 180 Grad Umdrehung der Eingangswelle des Umsetzers hervor. Wenn der feststehende 20 kHz-Bezugsträger (der auch den Klemmen A, B und C, D zugeführt wird) statt dem Mischer 92 direkt auf die Leitung 93 gegeben wird, dann ändern sich die um 900 phasenverschobenen Spannungen auf der Leitung 95 zyklisch 100-mal für je 1800 Umdrehung der Umsetzereingangswelle und ergeben somit das Feinsignal (nicht dargestellt).
Die Differenz zwischen der Zahl der Musterelemente auf den zwei Teilen des Umsetzers kann von der in der Ausführungsform beschriebenen Zahl abweichen, in welchem Falle das Grob-Ausgangssignal eine entsprechende Anderung in der zahlenmässigen Beziehung zu dem Fein-Eingangssignal haben würde.
Obwohl bei dem nachfolgend anhand von Fig. 13-16 beschriebenen Umsetzer eine lineare Verschiebung stattfindet, kann selbstverständlich dessen induktiver Aufbau auch auf eine Ausführungsform mit Winkelverschiebung angewendet werden, ebenso wie der vorstehend beschriebene kapazitive Umsetzer für die Messung einer linearen Verschiebung abgeändert werden kann. Die Grundelemente der Ausführungsform nach Fig. 13 bestehen aus zwei Leitermustern. Die Kopplung zwischen dem relativ bewegbaren Element 102 und dem feststehenden Element 101 erfolgt bei dieser Ausführungsform elektromagnetisch. Das Abtastmuster enthält eine tÇbertra- gungsleitung 103, die in der in Fig. 14 dargestellten Weise zusammengeschaltet und aufgebaut ist, um eine phasenverschobene Trägerschwingung zu erzeugen, deren Verschiebung eine Funktion der (räumlichen) Eingangsverschiebung ist.
Dabei ist eine Stromversorgung vorgesehen, die in ihrer Wirkungsweise von der geeigneten Verteilung ihrer Grundflussverkettung abhängt.
In Fig. 14 ist das Steuerelement allgemein mit 104 bezeichnet, und dieses enthält eine Mehrzahl von parallelen, in einer Ebene angeordneten Leiterelementen 103, die sich zurück und nach vorne in einer Zick-zacklinie längs einer nicht leitenden Grundplatte 105 erstrecken und zur Bildung eines Serienkreises verbunden sind. Es sind 100 Leiterelemente bei dieser speziellen Ausführungsform für die Beschreibung ausgewählt, die somit 50 Polpaare bzw.
Paare nebeneinanderliegender Leiter enthalten, durch die der Stromlluss entgegengesetzt gerichtet ist.
Die gesamten Abmessungen des Steuerelementes und die Abmessungen seiner Teile können über einen weiten Bereich variieren, abhängig von der speziellen Anwendung, für die der Umsetzer bestimmt ist, und ebenfalls abhängig von der gewünschten Arbeitsweise für die spezielle Anwendung. Der Steuerkreis, der für die Zwecke der Darstellung gezeigt ist, kann etwa 13 cm lang sein. Das Wellenmuster der Leiterelemente hat eine Weite von Spitze zu Spitze von etwa 5 cm.
Die Breite eines Leiters beträgt etwa 0,065 cm und der Abstand zwischen den Leitern beträgt ebenfalls etwa 0,065 cm. An den Spitzen der Leiterelemente 103 bilden Leiterstreifen 106 eine Serienverbindung zwischen den Elementen. Die Breite dieser Streifen kann geändert werden, um eine kapazitive Kompensation für Signaländerungen längs der Länge des Steuerelementes zu erzeugen, falls solch eine Korrektur während der Eichung oder im Betrieb notwendig sein sollte. Die Steuer- und Abtastelemente können mit einer geeigneten Befestigungsanordnung versehen sein, die eine lineare Bewegung der Elemente zueinander ermöglicht. Eine solche Befestigung ist in Fig. 13 gezeigt, bei der das Steuerelement 101 oberhalb einer Grundplatte 107 mittels Füssen 108 fest gelagert ist, von denen je einer an jeder der vier Ecken des Steuerelementes angeordnet ist.
Abtastelemente 109 nach der in Fig. 15 dargestellten Art sind für eine lineare Bewegung oberhalb des Steuerelementes und parallel zu diesem mittels zweier Schlitten 110 befestigt, an denen die Befestigungsplatte 112 der Abtastelemente angebracht ist und die auf zwei Führungsstangen 111 gleiten. Die Stangen 111 können durch geeignete Mittel, so z. B. durch Pfosten 112 und Querplatten 113, fest gelagert sein. Eine Schubstange 114 dient zum Verbinden des Abtastelementes 109 mit dem Objekt, dessen Bewegung gemessen werden soll. Die Schubstange kann gleitbar in einer Isolierbüchse 115 in einer der Querplatten 113 gelagert sein. Die Schubstange und die Büchse 115 können auch zueinander schraubend bewegt werden.
In diesem Falle sind drehende Kupplungen 116 vorgesehen, um eine freie Drehung der Schubstange in bezug auf das Abtastelement zuzulassen. Dadurch kann der Umsetzer für die Messung entweder einer linearen oder einer Winkelverschiebung verwendet werden, je nachdem ob die Schubstange 114 eine gleitende oder eine drehende Bewegung innerhalb der Büchse 115 ausführt.
Wie aus Fig. 13 zu ersehen ist, können Verbindungssätze 117 mit der Befestigungsplatte 102 des Abtastelementes so verbunden sein, dass sie die Verbindung zu den Ausgangsleitungen 118 des Abtastelementes herstellen. Obwohl in dem gewählten Beispiel der Umsetzer mit einem feststehenden Steuerelement und einem beweglichen Abtastelement ausgebildet ist, kann der Umsetzer natürlich auch mit einem bewegbaren Steuerelement und einem feststehenden Abtastelement ausgebildet sein.
Verschiedene Ausführungsformen des Abtastele mentes mit unterschiedlicher Ausbildung und einem weiten Bereich der Aussenabmessungen können gewählt werden. Das Abtastelement, wie es in Fig. 15 beispielsweise dargestellt und mit der Bezugszahl 109 versehen ist, kann aus zwei Schaltungen 119 und 120 bestehen, von denen jede eine Mehrzahl in Serie geschalteter Leiterelemente 121 und 122 enthält, die so im Winkel zueinander angeordnet sind, dass sie eine Mehrzahl von Zick-zackleitwegen 123, 124, 125 bilden, die im wesentlichen parallel und räumlich in Phase zueinander liegen. die Leitwege können elektrisch durch Leiterstreifen 126 und 127 parallel geschaltet sein. In der speziellen Ausführungsform bildet jeder Leitweg 123, 124, und 125 eine dreieckförmige Welle.
Es werden zwei identische Schaltungen verwendet, die im wesentlichen parallel liegen und in der Phase um <RTI ID
Dadurch wird sichergestellt, dass die verteilte Kapazität zwischen dem Abtast- und dem Steuerelement mit der Bewegung des Steuerlementes im wesentlichen konstant bleibt. Die Amplitude des Ausgangssignals wird dann im wesentlichen konstant, und die Ausgangsnachricht befindet sich vollständig innerhalb des Phasenbereiches.
Wie vorstehend bemerkt, ist es wünschenswert, stehende Wellen zu vermeiden, da diese zu systematischen Fehlern in der Anzeige beitragen. Eine Verringerung von stehenden Wellen wird dadurch erreicht, dass eine abgestimmte R-C-Schaltung längs des Steuerelementes verwendet wird.
Da eine grosse Blindkomponente im Wellenwiderstand Frequenzfehler hervorrufen kann, ist die Auswahl geeigneter Materialien, insbesondere Dielektrika, und der Abmessungen und der Form der Teile des Gerätes sehr wichtig. Ebenfalls muss die Auswahl der Materialien in bezug auf den Einfluss der Dämpfung, der Temperaturabhängigkeiten und der Ausbreitungsgeschwindigkeit vorgenommen werden.
Da das Trägersignal für die Versorgung des Umsetzers so gewählt wird, dass es eine Wellenlänge hat, die gleich der Länge des Abtastelementes oder eines Bruchteiles davon ist, kann eine Kapazitätssonde verwendet werden, um ein Signal von den Endstreifen 106 des Leitermusters 103 einzuführen, das eine grobe Phasenverschiebung anzeigt, um eine Vieldeutigkeit in der Ablesung der feinen Phasenverschiebung, die über jedem Paar der parallelen Elemente des Leiters 103 erhalten wird, zu verhindern. Die Sonde kann an dem bewegbaren Element 102 so befestigt werden, dass sie nur auf die Endstreifen 106 einkoppelt.
Displacement measuring device with two pieces that can be moved relative to one another
The invention relates to a displacement measuring device with two pieces which can be displaced relative to one another, a first conductor arrangement being attached to the one piece.
Known measuring devices of this type have the disadvantage of not being accurate enough. In order to improve the measurement accuracy, the device according to the invention is characterized by a second conductor arrangement, which is attached to the other piece for the purpose of coupling AC voltages to the output terminals, the second conductor arrangement being shaped so that an at least approximately constant amplitude coupling in all relative positions of the Pieces occurs and that the phase of coupling is proportional to the displacement between the pieces.
The pieces can be shifted linearly or by rotating them.
The invention is described in more detail with reference to exemplary embodiments shown in the drawing, namely are
1 is a perspective view of an embodiment of the invention showing a rotor and a stator and a pattern on the rotor.
Fig. 2 is an enlarged plan view of the pattern of the rotor,
3 shows an enlarged plan view of a pattern of the stator which is opposite to the pattern of the rotor,
4 is a schematic representation of the power supply and the output of the various parts of the stator pattern;
5 shows a graphic representation of the phase relationships of four electrical input voltages of a part of the stator,
6 is an illustration of the relationships between the rotor and stator patterns for a portion of the converter at a selected relative position;
Fig.
7 is a vector diagram showing the effect of the four electrical input voltages on the phase of the resulting output voltages of a part of the converter,
8 is a vector diagram which shows the resulting phase of the output voltages after a movement of the rotor relative to the stator by 900 (electrical) in the direction of the arrow in FIG. 6,
9 is a vector diagram which shows the resulting phase of the output voltages after a movement of the rotor relative to the stator by 1800 (electrical) in the direction of the arrow in FIG. 6,
10 is a vector diagram which shows the resultant of the output voltages after a movement of the rotor relative to the stator by 2700 (electrical) in the direction of the arrow in FIG. 6,
Fig.
11 is a graph of the phase dependency for the two separate parts of the converter as the rotor rotates;
12 shows a block diagram for determining the phase difference between the two output voltages of the converter,
13 shows a perspective view of a converter for converting a linear mechanical displacement into electrical phase-modulated output signals;
14 and 15 are perspective views of the fixed control part and the movable scanning part of the converter of FIGS. 13 and
Figure 16 is an illustration of the relationship between the sampling and control patterns for a portion of the linear converter at a particular location.
In the embodiment according to FIG. 1, the measuring device 20, referred to below for short as converter, contains a stator 21 and a rotor 22, each of which is made of a material, e.g. B. glass or plastic can be produced, which maintains its dimensions with a wide change in its environmental conditions. The stator 22 is attached to a rod 23 by means of a flange 24 which is attached to the rear of the stator by means of a plurality of screws 25. The rod 23 is also attached to a fixed stand 26 which is attached to a support 27 by means of bolts 28.
The rotor 22 is attached to the shaft 29 by means of a flange which is similar to the flange 24.
The shaft is guided through a bearing block 30 which is attached to a carrier. A pattern 31 is in a thin layer of conductive material, e.g. B. copper, on the inner surface 32 of the rotor and a pattern 33 of similar material on the inside 34 of the stator 21 is attached. In Fig. 1, the rotor and the stator are shown separately. After assembling the converter, however, the parts face each other with the smallest possible distance.
The pattern 31 of the rotor contains metal rings 35 to 39 which are arranged concentrically to the center of the rotor (FIG. 2). A plurality of equally spaced radial webs 40 of the same dimensions extend between the rings 35 and 36 and a plurality of uniform webs 41 extend in the same radial direction as the webs 40 between the rings 36 and 37. The webs 40 delimit a plurality of openings 42 of the same size as the webs, and in the same way the webs 41 delimit a plurality of openings 43 of the same size as the webs 41. The webs 40 and 41 and the openings 42 and 43 form one part of the rotor pattern.
In a similar manner, radial webs 44 delimit openings 45 of the same size as the webs 44 between the rings 37 and 38, and webs of the same type in the direction of the webs 44 delimit openings 47 of the same size as the webs 46 between the rings 38 and 39 The lands 44 and 46 and the openings 45 and 47 form the other part of the rotor pattern. In order to obtain the effect of a nonic division, the number of webs 40 and 41 is somewhat different from the number of webs 44 and 46. In the illustrated pattern, 200 webs 40 and 41 and 198 webs 44 and 46 are provided.
The pattern 33 of the stator 21 has five conductive rings 48 to 52 which are arranged concentrically with the center of the stator (FIGS. 3 and 4). Each ring is completely isolated from the rest of the pattern by circular strips 53 and 54 on opposite sides of each ring. The strips are indicated in FIG. 4, but appear only as lines in FIG. 3 because of their small radial width. Between the rings 48 and 49 and isolated from them by the strips 53 and 54, two conductive elements 55 and 56 are arranged, which are isolated from one another by a strip 57 which is approximately sinusoidal and extends completely around the pattern 33. Likewise, elements 58 and 59 are disposed between rings 49 and 50 and isolated from one another by strip 60 and from the rings by strips 53 and 54.
The strip 60 has the same shape as the strip 57 and contains the same number of sinusoidal oscillations, but these are shifted by 90C - based on a single oscillation - relative to those of the strip 57 in the circumferential direction.
The conductive elements 55, 56, 58 and 59 form a first part of the stator pattern. For purposes of description, the single whole sinusoidal oscillation of strip 57 or 60 will be labeled 360C (electrical) to distinguish it from the degrees of mechanical rotation of the rotor.
Likewise, conductive elements 61 and 62 are arranged between rings 50 and 51 and separated by insulating sinusoidal strips 63, while conductive elements 64 and 65 are arranged between rings 50 and 51 and separated by a sinusoidal strip 66. Each element is also isolated from the adjacent ring by either strips 53 and 54. The strips 63 and 66 have the same shape and contain the same number of sinusoidal oscillations, but the oscillations are (electrically) out of phase by 90. A second part of the stator pattern contains the aforementioned conductive elements 61, 62, 64 and 65. The strips 57, 60, 63 and 66 are shown in FIG. 4, but can only be seen as lines in FIG. 3 because of their small radial width .
As can be seen, the webs 40, 41, 44 and 46 are directly opposite the strips 57, 60, 63 and 66 when the two patterns are arranged opposite one another. The circumferential width of each web and each adjacent opening in the rotor pattern corresponds to the opposite sinusoidal oscillation of the stator pattern in such a way that a web and an opening of a sinusoidal oscillation are opposite each other. The strips 57 and 60 thus contain 200 full sine waves and the strips 63 and 64 contain 198 full sine waves.
The conductive elements 55 to 65 are capacitively coupled to the individual conductor bars of the rotor. The area of each individual conductor element of the control pattern changes sinusoidally with the displacement under a given coupler conductor web and thus generates, at least as a first approximation, a sinusoidal change in the capacitance as a function of the displacement. The sinusoidal elements 55, 56, 58 and 59 are fed with a reference carrier voltage of 30 kHz. The sinusoidal patterns 61, 62, 64 and 65 are fed with a reference carrier voltage of 30 kHz. The working conditions of the converter are dependent on the correct arrangement of the elements of the electric field.
Electrostatic couplings from the energized sinusoidal patterns to the output conductors 48 to 52 are achieved by means of the conductor webs 40 and 46 of the rotor.
The use of a 20 kHz and 30 kHz reference carrier allows the two output signals to be linearly mixed and results in a composite output signal that can be easily transmitted through a single channel connection to an attached display or evaluation apparatus. The composite signal can be separated by means of known selective filter circuits at a suitable point in the evaluation apparatus.
The electrical input circuit for the stator pattern is shown in FIG. Terminals A and B of a transformer 67 are connected to a high frequency source (of, for example, 20 kHz). The output voltage of the transformer is applied to terminals 68 and 69 of the conductive elements 55 and 56. Likewise, the high frequency at the terminals C and D of a transformer 70 generates a voltage on the conductive elements 58 and 59 (terminals 71 and 72). The input voltages at terminals A and B and at terminals C and D have the same amplitude and frequency, but are 90 "(electrically) out of phase.
Curves 55 ', 56', 58 'and 50' of FIG. 5 show the input voltages on the conductive elements 55, 56, 58 and 59 and the phase relationships that exist between these elements. The phase on elements 58, 56 and 59 lags the phase on element 55 by 90, 180 and 270 (electrical). The potential of the center points of the secondary windings of the transformers 67, 70, 73, 76, which are connected to one another in a manner not shown, and z. B. are grounded.
From the connection terminals E and F of a transformer 73 high frequency (z. B. of 30 kHz) reaches the terminals 74 and 75 of the conductive elements 61 and 62, and from the connection terminals G and H of a transformer 76 to the terminals 77 and 78 of the conductive elements 64 and 65. The input voltages at terminals E and F and terminals G and H have the same amplitude and frequency, but they are 90 "(electrically) out of phase.
Therefore, the phase relationship between the input voltages of the conductive elements 61, 62, 64 and 65 is as shown in FIG. The phase on elements 64, 62 and 65 lags the phase on element 61 by 90, 180 and 270. The output of the converter consists of the individual terminal 1, which is connected to the rings 48 to 52 via lines 79 to 83. In operation of the converter, the conductive elements of the stator pattern are capacitively coupled to the opposing webs of the rotor pattern, and the rings 35 to 39 of the rotor pattern are capacitively coupled to the output rings 48 to 52 of the stator pattern because these rings are opposite one another.
As a result, lines 79 to 83 can only be connected together if the input frequency at terminals A, B and C, D differs from the input frequency at terminals E, F and G, H. For the purposes of the description, the frequency at the input terminals A, B and C, D 20 kElz and at the terminals E, F and G, H 30 kHz are assumed. However, in the event that the input voltages have the same frequency, it is necessary to provide separate circuits for the rings 48 to 50 and for the rings 50 to 52. The sinusoidal changes in the capacitance of each pair of conductors add up with the relative displacement, while the point in time at which the coupling takes place depends on the spatial displacement.
In this way, the amplitude modulation of the output signal that occurs on line I can be made negligibly small.
In FIG. 6, the relationship between the webs and rings of the rotor pattern to the conductive elements and rings of the stator pattern is shown enlarged, the stator pattern being shown in solid lines and the rotor pattern being shown in dashed lines. Only the sinusoidal strips 57 and 60 and their associated conductive elements are shown as these elements cooperate to produce a signal which changes in phase relative to the phase of the reference signal as the rotor moves. The elements of the converter not shown in FIG. 6 generate a second phase signal in the same way as is described below for the elements shown. The input voltage of each of the conductive elements 55, 56, 58 and 59 can be used as a phase reference.
For purposes of description, the input voltage of element 59 will be taken as a reference. One sinusoidal oscillation on strip 57 or 60 corresponds to 360 "(electrical).
As can be seen from FIG. 6, the sinusoidal oscillation of the insulating strip 57 leads the sinusoidal oscillation of the strip 60 by 900, and the webs 40 and 41 of the rotor pattern are shifted by 1800 relative to the two strips. The webs 40 are capacitively coupled to the opposite surfaces of the conductive elements 55 and 56 on both sides of the strip 57. In the position of FIG. 6, the coupled surfaces of elements 55 and 56 are equal to one another. Likewise, the webs 41 are capacitively coupled to the opposing surfaces of the conductive elements 58 and 59 on both sides of the strip 60. In the position of FIG. 6, the capaci tively effective area of the element 59 is greater than the area of the element 58.
The composite effect of the four areas is illustrated by the vector diagram of Fig. 7, in which instantaneous voltage vectors are shown and denoted by the reference numerals of the corresponding conductive elements.
The input voltages of elements 55 and 56 are (electrically) out of phase with one another by 1800, and since the areas of these elements which are opposite to webs 40 are equal, the signals coupled to webs 40 cancel one another out.
The input voltages of elements 58 and 59 are also phase-shifted by 1800, but since the areas of these elements which are opposite to webs 41 are unequal, the output signal at webs 41 is unequal. The resulting output signal 84, which is coupled to the webs 40 and 41, is capacitively transmitted through the rings 35 to 37 of the rotor pattern to the rings 48 to 50 of the stator pattern. The rings 48 to 50 are in turn connected to the output terminal I by the lines 79 to 81 (Fig. 4).
After the rotor 22 has been rotated by 90 (electrically) in the direction of the arrow in FIG. 6, the areas of the elements 55 and 56 which lie opposite the webs 40 become unequal, the area of the element 55 being the larger, and the areas of the elements 58 and 59 which are opposite the webs 41 become the same. The capacitive effect of these areas causes a voltage vector 85 (FIG. 8) which shows that the phase of the output signal at terminal I has been shifted by 90 relative to the phase of the reference signal.
Another 900 (electrical) rotation of the rotor (thus altogether 1800) leads to the same areas of the elements 55 and 60 and to a larger area of the element 48 than the area of the element 59, so that the vector 86 (Fig. 9) the Represents output signal shifted 1800 in phase with the reference signal.
A further 900 (electrical) rotation of the rotor (270 in total) leads to the same areas of the elements 58 and 59 and to a larger area of the element 56 than the area of the element 55, so that the vector 87 (FIG. 10) is the output signal that is 2700 out of phase with the reference signal. After a 360 rotation, vector 84 again represents the output signal which is in phase with the reference signal. The vector for the output signal changes continuously in the direction during the rotation of the rotor, as is shown by the vector diagrams Fig. 7 to 10 for the four selected positions between the rotor and stator. The phase of the output signal is shifted by 360 during the 360 (electrical) movement between the rotor and the stator.
The frequency of the output signal remains the same as for the four input signals, which was specified as 20 kllz. Likewise, a second output signal in alternating phase results from the coupling of the surfaces of the elements 61 and 62 with the webs 44 of the rotor opposite them and from the coupling of the surfaces of the elements 64 and 65 with the webs 46 of the rotor assigned to them. This second output signal is fed to the output terminal I via the lines 81 to 83 and has the same frequency as the input signals of the elements 61, 62, 64 and 65, namely 30 kHz. The phase of the second output signal will change relative to the phase of the reference signal by 3600 (electrical) during the movement of 360 (electrical) of the sinusoidal parting strips 63 and 66 of the rotor.
The output signal which is transmitted from the elements 55, 56, 58 and 59, which are separated from one another by the strips 57 and 60, respectively, which have 200 shafts, to the 200 webs 40 and 41, is experienced when the rotor rotates 360 (mechanical) 200 times a phase shift of 360 (electrical). The output signal, which is transmitted from the elements 61, 62, 64, 65 separated from one another by the 198 shafts having strips 63 and 66, to the 198 webs 44 and 46, on the other hand, only experiences (mechanically) when the rotor is rotated 360 198 times a phase shift of 3600 (electrical).
These two output signals are different from one another because of the 1% difference in the wave numbers of the strips 57 and 58, or 63 and 66, the difference depending on the angular position of the rotor.
In Fig. 11, line J shows the phase shift of the common output signal obtained from elements 55, 56, 58 and 59 as a function of the mechanical shift. On the other hand, line K shows the phase shift of the common output signal obtained from elements 61, 62 and 64 and 65 as a function of the mechanical shift. An electrical phase shift of 360, which is represented by the point L on the line J, results from a 360 mechanical rotation of the rotor of = 200 1.8 mechanical degrees, while the same electrical phase shift as indicated by the point M on the line K is shown from a rotation of the
360 rotors from 1982 results in approximately 1.82 mechanical degrees.
During the rotor rotation the vertical distance between the lines J and K increases continuously, so that the phase difference between the output voltages of the elements 55, 56, 58, 59 and the elements 61, 62, 64 and 65 increases continuously. After a mechanical rotation of the rotor of 1800 the phase difference becomes 360 (electrical), and for every complete mechanical rotation of the rotor of 360 the two output voltages go through two cycles of the phase change, corresponding to 702 (electrical).
If the phase of the signal represented by the line J is measured in relation to a reference frequency of 20 kHz, a very precise measure of the angular displacement within each angular range from 0-1.80 or 1.8 "to 3 is obtained , 60, etc. However, it is not easy to know in which angular range the measured value is located, ie this fine signal is ambiguous. It is therefore necessary to derive a coarse signal in addition to the fine signal that determines the angular range. This is done by the line K is used, as will be explained below with reference to FIG.
In Fig. 12 there is shown a circuit by which the coarse signal can be obtained from the two output voltages of the converter. The composite signal, which contains the phase-shifted output signals from both parts of the converter, is fed to the selective filter 89 via a line 88 connected to the terminal I (FIG. 4). This filter contains selective L-C circuits which separate the phase-shifted output signals and carry them off on separate lines 90 and 91. The 20 kHz signal on line 90 represents 100 cyclic phase revolutions for every 1800 angular rotation of the shaft of the converter, while the 30 kHz signal on line 91 represents 99 cyclical phase revolutions for every half revolution of the input shaft.
The signal on line 91 is mixed in circuit 92 with a 50 kHz reference carrier which is supplied via line 92 '. As a result, an output voltage is generated on the line 93 which has the same frequency as the output voltage of the filter 89 on the line 90, namely 20 kHz. The two lines 90 and 93 transmit the two signals to the phase detector 94. The phase detector generates two push-pull voltages which are phase-shifted by 90 "and whose relative magnitude is always proportional to the phase relationship between the 20 kHz input signals supplied.
Since the mixed signal appearing on line 93 serves as a reference carrier for the message carrier on line 90, the phase relationship only causes a cyclical change of the 900 phase-shifted signals on line 95 for every 180 degrees rotation of the converter input shaft. If the fixed 20 kHz reference carrier (which is also fed to terminals A, B and C, D) is applied directly to line 93 instead of mixer 92, then the voltages on line 95, phase-shifted by 900, change cyclically 100 times for every 1800 revolutions of the converter input shaft and thus result in the fine signal (not shown).
The difference between the number of pattern elements on the two parts of the converter may differ from the number described in the embodiment, in which case the coarse output signal would have a corresponding change in the numerical relationship to the fine input signal.
Although a linear displacement takes place in the converter described below with reference to FIGS. 13-16, its inductive structure can of course also be applied to an embodiment with angular displacement, just as the capacitive converter described above can be modified for the measurement of a linear displacement. The basic elements of the embodiment according to FIG. 13 consist of two conductor patterns. The coupling between the relatively movable element 102 and the stationary element 101 takes place electromagnetically in this embodiment. The scanning pattern contains a transmission line 103 which is interconnected and constructed in the manner shown in FIG. 14 in order to generate a phase-shifted carrier wave, the displacement of which is a function of the (spatial) input displacement.
A power supply is provided, the mode of operation of which depends on the suitable distribution of your basic flow chain.
In Fig. 14, the control member is indicated generally at 104 and includes a plurality of parallel, in-plane conductor members 103 which extend back and forth in a zigzag line along a non-conductive base plate 105 and to form a series circle are connected. In this special embodiment, 100 conductor elements have been selected for the description, which means 50 pole pairs or
Contain pairs of adjacent conductors through which the current flow is directed in opposite directions.
The overall dimensions of the control element and the dimensions of its parts can vary over a wide range depending on the particular application for which the converter is intended, and also depending on the desired operation for the particular application. The control circuit shown for purposes of illustration can be approximately five inches long. The wave pattern of the conductor elements has a width from tip to tip of about 5 cm.
The width of a conductor is about 0.065 cm and the distance between the conductors is also about 0.065 cm. At the tips of the conductor elements 103, conductor strips 106 form a series connection between the elements. The width of these strips can be changed to provide capacitive compensation for signal changes along the length of the control element, should such a correction be necessary during calibration or operation. The control and sensing elements can be provided with a suitable fastening arrangement which enables linear movement of the elements with respect to one another. Such an attachment is shown in FIG. 13, in which the control element 101 is fixedly mounted above a base plate 107 by means of feet 108, one of which is arranged at each of the four corners of the control element.
Scanning elements 109 of the type shown in FIG. 15 are fastened for linear movement above and parallel to the control element by means of two carriages 110 to which the fastening plate 112 of the scanning elements is attached and which slide on two guide rods 111. The rods 111 can be formed by any suitable means, e.g. B. by posts 112 and transverse plates 113, be firmly mounted. A push rod 114 is used to connect the scanning element 109 to the object whose movement is to be measured. The push rod can be slidably mounted in an insulating sleeve 115 in one of the transverse plates 113. The push rod and the sleeve 115 can also be screwed relative to one another.
In this case, rotating couplings 116 are provided to allow free rotation of the push rod with respect to the sensing element. As a result, the converter can be used to measure either a linear or an angular displacement, depending on whether the push rod 114 executes a sliding or a rotary movement within the sleeve 115.
As can be seen from FIG. 13, connection sets 117 can be connected to the mounting plate 102 of the scanning element in such a way that they establish the connection to the output lines 118 of the scanning element. Although in the selected example the converter is designed with a fixed control element and a movable scanning element, the converter can of course also be designed with a movable control element and a stationary scanning element.
Various embodiments of the scanning element with different designs and a wide range of external dimensions can be selected. The sensing element, as shown for example in FIG. 15 and given the reference number 109, can consist of two circuits 119 and 120, each of which contains a plurality of conductor elements 121 and 122 connected in series, which are so arranged at an angle to one another, that they form a plurality of zigzag pathways 123, 124, 125 that are substantially parallel and spatially in phase with one another. the conductive paths may be electrically connected in parallel through conductor strips 126 and 127. In the particular embodiment, each route 123, 124, and 125 forms a triangular wave.
Two identical circuits are used which are essentially parallel and in phase around <RTI ID
This ensures that the capacitance distributed between the scanning element and the control element remains essentially constant with the movement of the control element. The amplitude of the output signal then becomes essentially constant and the output message is completely within the phase range.
As noted above, it is desirable to avoid standing waves as these contribute to systematic errors in the display. A reduction in standing waves is achieved by using a matched R-C circuit across the control element.
Since a large reactive component in the characteristic impedance can cause frequency errors, the selection of suitable materials, especially dielectrics, and the dimensions and shape of the parts of the device are very important. The selection of the materials must also be made with regard to the influence of the damping, the temperature dependencies and the speed of propagation.
Since the carrier signal for supplying the converter is chosen to have a wavelength that is equal to the length of the sensing element or a fraction thereof, a capacitance probe can be used to introduce a signal from the end strips 106 of the conductor pattern 103, the one indicates coarse phase shift to prevent ambiguity in the reading of the fine phase shift obtained across each pair of parallel elements of conductor 103. The probe can be attached to the movable element 102 so that it only couples onto the end strips 106.