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Einrichtung zur digitalen Erfassung des Winkelausschlages des beweglichen Organs eines Messwerkes
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur digitalen Erfassung des Winkelausschlages des beweg- lichen Organs eines Messwerkes, bei der ein auf einer mit der Messwerkachse fluchtenden Achse ange- ordneter, durch einen Motor angetriebener, mit einer Magnetspeicherschicht versehener Rotor über einen dem Ausschlag des Messwerkes entsprechenden Sektor je Umdrehung eine Impulsserie über einen
Magnetkopf an eine Zählschaltung abgibt, bis durch am beweglichen Organ und am Rotor vorgesehene, miteinander korrespondierende Markierungen ein Stop-Impuls erzeugt wird, der die Einzählung der
Zählimpulse bis zum Ende der Impulsserie sperrt.
Moderne Datenerfassungsanlagen für die Überwachung, Steuerung und Regelung industrieller Pro- zesse erfordern eine grosse Zahl billiger und zuverlässiger digitaler Messwerterfassungsgeräte für analoge technisch-physikalische Grössen. Diese Analog-Digital-Umsetzer genannten Geräte brauchen für Be- triebsmess-und-regelaufgaben im allgemeinen nur eine geringe Genauigkeit aufzuweisen. Da rein elektronisch arbeitende Analog-Digital-Umsetzer zwar sehr grosse Genauigkeiten aufweisen, für den genannten Zweck aber viel zu teuer und kompliziert sind, werden für die Betriebsmesstechnik AD-Umsetzer eingesetzt, die den niedrigen Preis und die Zuverlässigkeit klassischer Schalttafelinstrumente mit den Vorteilen der digitalen Anzeige verbinden.
Es sind bereits eine Anzahl von Einrichtungen zur digitalen Erfassung des Winkelausschlages eines Messwerkes, auch Skalenstrecken-Umsetzer genannt, bekannt. Einige Geräte weisen eine sogenannte mit der Messwerkachse verbundene Codescheibe auf, die mechanisch, optisch, kapazitiv oder induktiv abgetastet wird. Das Messergebnis wird als Parallel-Code-Signal ausgegeben.
Ein weiteres Gerät arbeitet mit einem auf der Messwerkachse sitzenden Spiegel, der eine rückseitig beleuchtete Codespur-Maske auf eine Ebene abbildet, in der mehrere photoelektrische Empfänger so angeordnet sind, dass jeder eine Codespur abtastet. Das Messergebnis wird ebenfalls als Parallel-Code ausgegeben.
Bei einem ebenfalls bekannten Gerät wird ein Lichtmarken-Galvanometer periodisch von der Messgrösse getrennt. Der in die Nullage zurückschwingende Lichtzeiger überstreicht eine Rasterskala mit abwechselnd reflektierenden und nicht reflektierenden Feldern. Die Rasterskala ist konzentrisch zur Messwerkachse angeordnet, so dass der reflektierte Strahl auf einen in Verlängerung der Achse angeordneten photoelektrischen Empfänger trifft. Die beim Rtickschwingen des aperiodisch eingestellten Messwerkes auf den photoelektrischen Empfänger auftreffenden Lichtimpulse werden in elektrische Impulse umgewandelt und mit einem Impulszähler gezählt.
Andere Einrichtungen tasten die Skala mit kontinuierlich oder schrittweise darüber laufenden photoelektrischen oder induktiven Abtastarmen ab, wobei synchron zur Bewegung des Abtastarmes eine
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Impulsserie erzeugt wird, die beim Überstreichen des Messwerkzeigers unterbrochen wird. Die be- schriebenen Einrichtungen weisen verschiedene Mängel auf. Die mit Code-Scheiben oder Code-Masken arbeitenden Geräte sind verhältnismässig kompliziert und teuer. Ausserdem vergrössert die Code-Scheibe das Trägheitsmoment des beweglichen Organs des Messwerkes beträchtlich, was sehr unerwünscht ist.
Die Geräte mit periodisch an- und abgeschaltetem Messwerk und solche mit kontinuierlich oder schritt- weise über die Skala laufenden Abtastarmen erreichen nur eine geringe oftmals nicht ausreichende
Abtastfrequenz.
Wesentlich günstiger erscheint ein anderes Gerät. Bei diesem wird der Winkelausschlag des Mess- werkes zunächst in einen analogen zeitlichen Abstand zweier Impulse (Starb-Stop-Impulse) umgewandelt und diese Zeit dann mit einem Impulsgenerator und einem Impulszähler ausgezählt. Zentrisch zur Mess- werkachse rotiert eine durch einen Synchronmotor angetriebene Scheibe, die an ihrem Umfang zwei genau um 1800 versetzte Permanentmagnete gegensätzlicher Polung trägt. Diese laufen dicht an zwei kleinen Induktionsspulen vorbei, von denen die eine fest am Messwerk, die andere aber am beweglichen
Organ angebracht ist, und erzeugen in ihnen zwei aufeinanderfolgende Spannungsimpulse, deren zeit- licher Abstand proportional dem Winkelausschlag des beweglichen Organs ist.
Der in der festen Induk- tionsspule erzeugte Impuls steuert eine elektronische Torschaltung auf, während dagegen der in der am beweglichen Organ angeordneten Induktionsspule erzeugte Impuls über zwei zusätzliche Spiralfedern abgenommen wird und die Torschaltung wieder zusteuert. Die zwischen diesen beiden Impulsen (Start-Stop-Impulse) erzeugten Impulse des Impulsgenerators gelangen durch die Torschaltung auf einen elektronischen Zähler und stellen ein Mass für die Grösse des Winkelausschlages des beweglichen Organs dar. Dieses nach dem Start-Stop-Verfahren arbeitende Gerät erlaubt zwar gegenüber vorgenannten Ein- richtungen eine höhere Abtastfrequenz, hat jedoch den Nachteil, dass es ein spezielles Messwerk erfordert, da die am beweglichen Organ befestigte Induktionsspule zwei zusätzliche Stromzuführungen zum beweglichen Organ des Messwerkes benötigt.
Ausserdem muss das verwendete Messwerk unbedingt einen linearen Skalenverlauf aufweisen, wenn der Messstrom der Start-Stop-Zeit bzw. der Impulszahl proportional sein soll.
Bei einem andern Verfahren wird die Stellung des beweglichen Organs des Messwerkes optisch ab- getastet. Die Zählimpulse werden mit einer Magnetspeichertrommel erzeugt, die nur auf einem dem maximalen Drehwinkel des beweglichen Organs entsprechenden Sektor die gewünschte Anzahl von Impulsmarken trägt. Dadurch ist die Erzeugung eines Start-Impulses überflüssig, während der Stop-Impuls durch einen Lichtstrahl erzeugt wird, der vom Rand der Magnetrommel kommend auf einen an der Achse des beweglichen Organs befestigten kleinen Spiegel trifft und auf einen photoelektrischen Empfänger reflektiert wird. Bei diesem Gerät sind die magnetischen Impulsmarken in konstanten Abständen eingeschrieben. Das verwendete Messwerk muss daher ebenfalls einen genau linearen Skalenverlauf aufweisen, wenn die Impulszahl dem Messstrom proportional sein soll.
Nachteilig ist ferner die Notwendigkeit elektrischer Lampen für die optische Abtasteinrichtung, was bei Dauerbetrieb Ursache von Ausfällen sein kann und daher einer ständigen Wartung bedarf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur digitalen Erfassung von Betriebsmessgrössen zu schaffen, bei der jedes beliebige Zeigermesswerk auch mit nichtlinearem Skalenverlauf verwendet werden kann und die dynamischen und statischen Eigenschaften der Messwerke nur wenig oder gar nicht verändert werden müssen.
Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass die Winkelteilung einer auf dem Rotor aufgezeichneten Impulsserie der gewünschten funktionellen Abhängigkeit zwischen der am Messwerk anliegenden Messgrösse und der ausgegebenen Impulszahl dadurch angepasst ist, dass die Impulsserie durch Zuführung von Einschreibimpulsen, die mittels der miteinander korrespondierenden Markierungen erzeugt werden, zum Magnetkopf in die Magnetspeicherschicht des Rotors eingeschrieben wird, wobei während dieses Einschreibvorganges ein Messgrössengeber an denAntriebsmotor des Rotors angekuppelt ist und dem Messwerk eine sich mit jeder Rotorumdrehung in vorbestimmter Weise verändernde Messgrösse zugeführt wird.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist der Rotor mit einer Induktionsspule als der einen Markierung, die mit einem mittels Ausleger am beweglichen Organ des Messwerkes angeordneten Stabmagneten als der andern Markierung korrespondiert, versehen. Die Induktionsspule ist elektrisch mit der ebenfalls am Rotor befestigten Primärspule eines Impulstransformators verbunden, dessen Sekundärspule an einem nicht rotierenden Teil der Einrichtung befestigt ist und elektrisch mit einem Impulsformer, beispielsweise unter Zwischenschaltung eines Impulsverstärkers, zusammengeschaltet ist. Ausserdem besitzt die Induktionsspule ein U-förmiges Joch, dessen Schenkel einen solchen Abstand zueinander
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noch zur Impedanzanpassung zwischen Induktionsspule --5-- und Impulsverstärker --13-- dient.
Nach entsprechender Verstärkung gelangt der Stop-Impuls an die Impulsformerstufe --14--, wo er in einen Rechteckimpuls umgeformt wird und nach Weiterleitung an die Torschaltung --15- diese sperrt. Die Dauer des Rechteckimpulses ist so bemessen, dass er die Torschaltung --15-- mindestens bis zum Ende der Impulsserie, höchstens aber bis zum Beginn der neuen Impulsserie sperrt. Mit dem Rechteckimpuls wird gleichzeitig auch die Anzeigeeinrichtung --17-- so angesteuert, dass mit der vorderen Flanke des Rechteckimpulses die Einschaltung und mit der Rückflanke die Ausschaltung der Anzeigeeinrichtung erfolgt und somit für die Dauer des Rechteckimpulses das Zählergebnis des Impulszählers -16-- zur Anzeige gelangt.
Die Rückflanke des Rechteckimpulses dient gleichzeitig auch zur Löschung der eingezählten Impulse im Impulszähler --16-, so dass dieser für eine neue Zählung bereit ist.
Die Arbeitsweise der Einrichtung beim Einschreiben der Impulsmarken in die Speicherschicht --20-des Rotors -4-- soll nun noch ausführlich erläutert werden. Zunächst wird dem Motor --9-- ein beliebig angekuppeltes Getriebe -18-- und ein mechanisch mit diesem verbundener Messgrössengeber im vorliegenden Falle als Präzisionspotentiometer ausgebildet, für die Dauer des Einschreibens
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Im Schaltungsteil der Einrichtung muss die elektrische Verbindung zwischen dem Impulsverstärker - und dem Zeitglied --14-- sowie zwischen dem dem Magnetkopf --11-- und dem nachgeschalteten Impulsverstärker --12-- unterbrochen und der Impulsverstärker --13-- unter Zwischenschal-
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und die Zeitstufe --14-- gezogen und statt dess en der Einschreibverstärker --21-- eingestekct zu werden braucht.
Es kann natürlich auch eine Steckfassung extra für den Einschreibverstärker --21-- vorgesehen werden, aber dann sollte auch berücksichtigt sein, dass beim Einstecken des Einschreibverstärkers-21- die Zeitstufe --14-- und der Impulsverstärker --12-- elektrisch von den vorgeschalteten Bausteinen abgetrennt sind. Der durch das Zusammenwirken von Stabmagnet --3-- und Induktionsspule --5-- bei jeder Umdrehung des Rotors --4-- erzeugte Stop-Impuls wird über die Primärspule --7-- und Sekundärspule --8-- zum Impulsverstärker --13-- geleitet und gelangt verstärkt zum Einschreibverstärker --21--, wo er in einen kräftigen Nadelimpuls umgeformt dem Magnetkopf --11-- zugeführt und in die magnetische Speicherschicht --20-- des Rotors --4-- eingeschrieben wird.
Mit jeder Umdrehung des Rotors - wird aber der Messgrössengeber --19-- um einen durch die Übersetzung des Getriebes-18-be- stimmten Betrag verstellt, so dass durch die veränderte Messgrösse am Messwerkeingang --22-- das bewegliche Organ-l-und damit auch der Stabmagnet-3-nach jeder Umdrehung des Rotors --4-seine Winkellage um einen entsprechenden Winkelbetrag in gleichbleibender Richtung verändert hat. Die jeweils im Moment der Stop-Impuls-Erzeugung von dem beweglichen Organ-l-eingenommene Winkellage wird also winkelgetreu und sehr präzise in Form von Impulsmarken in die auf der Peripherie
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--4-- befindlicheRotors --4-- und der Messgrösse M erzielt werden.
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Beim Einschreibvorgang wird nun diese sich zwangsläufig ändernde Messgrösse auf den Eingang --22-- des Messwerkes geschaltet und somit bei jeder Rotorumdrehung eine diskrete Winkellage des beweglichen Organs entsprechend der gerade anliegenden Messgrösse
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auf der Speicherschicht-20-- als Impulsmarke abgebildet. Durch geeignete Wahl dieser Abbildungsfunktion F (n) des Messgrössengebers lässt sich daher jede beliebige funktionelle Abhängigkeit zwischen der Messgrösse und den Impulsmarken auf der Rotorperipherie einschreiben. So sind z. B. lineare, quadratische, kubische oder trigonometrische Funktionen zwischen der bis zum Eintreffen des Stop-Impulses gezählten Impulszahl und der am Messwerk anliegenden Messgrösse realisierbar.