Verfahren und Apparatur zur Stellungsanzeige von beweglichen Organen von Messgeräten
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Apparatur zur Stellungsanzeige von beweglichen Organen von Messgeräten, z. B. von beweglichen Skalen bei Neigungswaagen zur Wiedergabe des jeweiligen Messwertes.
Für manche Zwecke ist nicht die Wiedergabe des beweglichen Organs, also der Skala selbst erwünscht, sondern nur eine Wiedergabe des Endresultats der Messung in Gestalt einer mehrstelligen Zahl, sei es durch optische Anzeige, durch Abdruck auf einem Registrierstreifen oder auf andere geeignete Weise.
Eine solche Zahlwertanzeige erfordert eine Umwandlung der Verschiebe- oder Drehbewegung der Skala in eine entsprechende Verstellbewegung des Zahlwertanzeigesystems. Als besonders zweckmässig hat sich jene Art der Umwandlung herausgestellt, bei welcher das bewegliche Organ während seiner Einstefl- bewegung oder nach Beendigung derselben auf geeignete Weise abgetastet wird und durch den Abtastvorgang das Zahlwertanzeigesystem betätigt wird.
Es sind beispielsweise derartige Stellungsanzeiger mit mechanischer Abtastung der beweglichen Skala bekanntgeworden, jedoch haftet denselben der Nachteil an, dass die Abtastung der beweglichen Skala erst dann erfolgen kann, wenn dieselbe ihre jeweilige Sollstellung erreicht hat, wobei ausserdem ein grosser Aufwand an komplizierten mechanischen Getrieben und Bauteilen unvermeidbar ist. Die Abtastung mit rein elektrisch arbeitenden Mitteln hat sich bisher ebenfalls nicht bewährt, vor allem wegen der zu geringen Umwandlungsgenauigkeit. Dagegen haben sich Stellungsanzeiger bewährt, bei denen eine optische Abtastung einer am beweglichen Organ angebrachten Skala oder eines anderen Merkmalträgers erfolgt, unter Verwendung einer Lichtquelle und einer lichtempfindlichen Zelle.
Dementsprechend können die einzelnen Punkte des im Lichtweg von der Lichtquelle zur lichtempfindlichen Zelle angeordneten Merkmalsträgers nur durch diss be'iden Merkmale heflidunkel bzw. weisslschwarz oder LichtjDunkel charakterisiert werden.
Bekanntlich soll bei Waagen und anderen Messgeräten die Stellungsanzeige der beweglichen Skala nicht kontinuierlich, sondern in einer grossen Anzahl von Intervallen mit untereinander gleichem Abstand erfolgen, z. B. in 1000 Intervallen. Es wurde bereits vorgeschlagen, jeden einzelnen der 1000 Skalenteile durch eine seinem Stellenwert entsprechende Kombination von derartigen optischen Merkmalpaaren hell/dunkel zu kennzeichnen, wozu aber - da es sich um ein binäres Merkmal handelt - mindestens zehn voneinander unabhängige Merkmale jedem Skalenteil zugeordnet werden müssen, also ein bedeutender Aufwand erforderlich ist.
Eine wesentlich einfacher zu verwirklichende optische Abtastung ergibt sich, wenn alle Skalenteile durch gleiche Merkmale gekennzeichnet sind und die Anzahl der auf dem Weg der Skala von ihrer Anfangs- oder Nullstellung bis zur Sollstellung durchlaufenen Merkmale gezählt wird.
Dieses Abzählverfahren zur Stellungsanzeige einer beweglichen Skala besitzt für viele Messgeräte, beispielsweise für Waagen, bedeutende Vorteile (z. B. leichte Verstellbarkeit des Nullpunkts, Möglichkeit der Tarierung usw.), ist jedoch bisher nur in beschränktem Umfang anwendbar, da bei einer um den Sollwert pendelnden Skala die richtige Abzählung der bis zum wirklichen Sollwert durchlaufenen Merkmale schwierig ist.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem und betrifft ein Verfahren zur Stellungsanzeige von beweglichen Organen von Messgeräten, bei denen eine aus einer Vielzahl von Merkmalen bestehende Skala mit dem beweglichen Organ zusammenwirkt und Abtastorgane für die Merkmalskala vorhanden sind, die eine Abzählung der sie passierenden Skalenmerkmale bewirken.
Kennzeichnend hierbei ist, dass die Merkmalskala gleichzeitig durch mindestens zwei, in Bewegungsrichtung der Skala hintereinander angeordnete Organe abgetastet wird, von denen beim Passieren der Merkmalskala je eine periodische Folge gleichartiger elektrischer Signale erzeugt wird, wobei durch geeignete Wahl des Abstandes der Abtastorgane eine Phasenverschiebung der einzelnen Signalfolgen bewirkt wird, die ausser dem Wert Null und einem ganzzahligen Vielfachen einer Halbperiode der Signalfolge jeden Wert annehmen kann, aus welchen Signalfolgen je nach Abtastrichtung der Merkmal skala positiv bzw. negativ zählende Impulse erzeugt werden, aus denen durch algebraische Addition die Stellungsanzeige gewonnen wird.
Die Erfindung ist nachstehend in einem Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.
Hievon zeigt:
Fig. 1 ein Prinzipschema mit Blockschaltbild einer nach dem vorliegenden Verfahren arbeitenden Stellungsanzeige,
Fig. 2a bis 2q die Zuordnung der Merkmal skala gemäss Fig. 1 zu verschiedenen, in der Apparatur nach Fig. 1 auftretenden zeitlichen Signalfolgen,
Fig. 3 und 4 je ein Schaltbild einzelner Bauteile der Apparatur nach Fig. 1.
Das Ausführungsbeispiel der Stellungsanzeige nach Fig. 1 zeigt eine Waage, die anstelle oder neben der beweglichen Anzeigeskala eine rasterartig ausgebildete Merkmalskala 1 trägt, bestehend aus äquidistanten Skalenbereichen, beispielsweise aufeinanderfolgenden gleich breiten lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Skalenbereichen. Der schematisch im Querschnitt dargestellte Merkmalträger 1 bewegt sich beim Wägevorgan. g in Pfeilrichtung la, pendelt aber um den Sollwert hin und her, was beim vorliegenden Verfahren ohne nachteilige Beeinflussung der Genauigkeit der Stellungsanzeige zulässig ist.
Längs der Merkmalskala 1 sind hier zwei lichtelektrische, gleichartig aufgebaute Abtastorgane angeordnet, von denen das eine aus dem Abdeckgitter 2, der Lichtquelle 3, dem Linsensystem 4a und 4b und der lichtelektrischen Zelle 5 besteht, während das andere das Abdeckgitter 6, die Lichtquelle 7, das Linsensystem 8a und 8b und die lichtelektrische Zelle 9 umfasst. Die beiden Abdeckgitter 2 bzw. 6 zeigen den gleichen Aufbau wie die Merkmalskala 1, bestehen also aus aufeinanderfolgenden gleich breiten lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen.
Sind die lichtdurchlässigen Bereiche der Merkmalskala 1 und des dahinter befindlichen Abdeckgitters ganz oder wenigstens teilweise in Deckung miteinander (siehe Abdeckgitter 2), so erzeugt die Lichtquelle 3 in der Zelle 5 ein elektrisches Signal. Sind dagegen die lichtdurchlässigen Bereiche der Merkmalskala 1 mit den lichtundurchlässigen Bereichen des Abdeckgitters in Deckung (siehe Abdeckgitter 6), so wird die Zelle 9 praktisch nicht belichtet und lie fert kein elektrisches Signal. Bei der Bewegung der Merkmal skala 1 relativ zu den beiden feststehenden Abtastorganen liefern die beiden Zellen 5 und 9 je eine periodische Folge von elektrischen Signalen, entsprechend der periodisch wechselnden Lichtbeaufschlagung derselben.
Da die Merkmalskala 1 eine gleichmässige Skalenteilung S besitzt und die beiden Abdeckgitter 2 bzw. 6 gleich sind, sind auch die von den Zellen 5 und 9 erzeugten Signalfolgen in bezug auf den zeitlichen Verlauf der Signale ganz gleich, jedoch kann je nach Wahl des Abstandes A der beiden Abtastorgane längs der Merkmalskala 1 eine mehr oder weniger grosse Phasenverschiebung der beiden Signalfolgen relativ zueinander auftreten. Ist beispielsweise der Abstand A ein ganzzahliges Vielfaches der Skalenteilung S, so ist die Phasenverschiebung zwischen beiden Signalfolgen gleich Null. Wird dann der Abstand A um einen Bruchteil von S vergrössert, so entsteht zwischen beiden Signalfolgen eine Phasenverschiebung, die beispielsweise bei einer Ver grösserung um 112 S genau eine halbe Periode beträgt.
In der Fig. 2b ist längs einer Zeitachse die auf die lichtelektrische Zelle 5 durch das Abdeckgitter 2 fallende Lichtmenge dargestellt, wenn sich die Skala 1 in Pfeilrichtung la bewegt. Die Lichtmenge entspricht den schraffierten Bereichen in Fig. 2b und in der in Fig. 2 gezeichneten Nullstellung der Skala 1 erhält die Zelle 5 gerade die halbe maximale Lichtmenge, da von der Skala 1 nur die Hälfte des lichtdurchlässigen Fensters der Abdeckung 2 ausleuchtet.
Diese Ausleuchtung wird bei einer Bewegung der Skala 1 in Pfeilrichtung la zunächst grösser und erreicht nach einer Verschiebung um 1/S, also nach einer Zeit t1 ihren Maximalwert, da nunmehr das Fenster des Abdeckgitters 2 genau einem lichtdurchlässigen Bereich der Skala 1 gegenübersteht. Nach einer weiteren Verschiebung der Skala 1 um jeweils 14 S, sinkt die Ausleuchtung beim Zeitpunkt t wieder auf den der Nullstellung entsprechenden halben Maximalwert ab, und beim Zeitpunkt t ist schliesslich die Ausleuchtung Null. da ein lichtundurchlässiger Skalenbereich dem Fenster des Abdeckgitters 2 gegenübersteht.
Der in Fig. 2b wiedergegebene zeitliche Verlauf der Lichtmenge gilt aber nur für eine Bewegung der Skala 1 in der Pfeilrichtung la. Aus Fig. 2a ist ersichtlich, dass bei einer Skalenbewegung in entgegengesetzter Richtung entsprechend dem Pfeil 1 b, die Ausleuchtung vom halben Maximalwert in der Nullstellung auf den Wert Null zum Zeitpunkt t1 sinkt, um bis zum Zeitpunkt t dann auf den Maximalwert zu steigen. Somit bewirkt die Skalenbewegung in Pfeilrichtung 1 b einen Verlauf der auf die lichtelektrische Zelle 5 fallenden Lichtmenge, der gegenüber jenem bei Bewegung in Pfeilrichtung la eine zeitliche Phasenverschiebung um eine halbe Periode, hier also nur eine halbe SkalenteilungS aufweist.
Zwecks einfacher Zuordnung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Signalfolgen zu der jeweiligen Verschiebungsrichtung der Skala 1, sind in Fig. 2 die Signale bei der Verschiebung in Pfeilrichtung la mit ausgezogenen Linien, dagegen jene bei Verschiebung in Pfeilrichtung lb gestrichelt gezeichnet.
Wie in Fig. 2a dargestellt, ist das Abdeckgitter 6 gegenüber dem Abdeckgitter 2 um ¸ S seitlich verschoben, wobei natürlich in Wirklichkeit der Abstand A zwischen beiden Abtastorganen um ein beliebiges Vielfaches n der Skalenteilung S grösser, also
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ist. Die auf die lichtelektrische Zelle 9 fallende Lichtmenge ist in der Nullstellung der Skala 1 demnach Null, da das lichtdurchlässige Fenster der Abdeckung 6 von einem lichtundurchlässigen Bereich der Skala 1 vollständig verdeckt ist.
Bei der Bewegung der Skala 1 in Pfeilrichtung la ergibt sich eine Lichtbeaufschlagung der Zelle 9 gemäss dem Verlauf in Fig. 2c.
Unter der Voraussetzung einer genügend linearen Kennlinie der Zellen 5 und 9 zwischen der erzeugten Spannung und der auftreffenden Lichtmenge entspricht die elektrische Signalfolge auf den Leitungen 13 und 14 in Fig. 1 genau der gemäss Fig. 2b bzw. 2c periodisch wechselnden Lichtmenge. Die beiden um eine Viertelperiode phasenverschobenen Gleichstromimpulsfolgen entsprechend Fig. 2b und 2c sind aber für die weitere Verwertung wenig geeignet. Es ist vielmehr zweckmässiger, lediglich die Wechselstromkomponenten dieser elektrischen Signale auf den Leitungen 13 und 14 erscheinen zu lassen, was in bekann- ter Weise mittels einer geeignet ausgebildeten Gleichstromkompensationsschaltung erfolgen kann.
Dann führen die Leitungen 13 und 14 je eine Folge periodischer, um die in Fig. 2b bzw. 2c gestrichelt eingezeichnete Nullinie in ihrer Polarität wechselnde Signale, wobei nach wie vor die eine Signalfolge gegenüber der anderen um eine Viertelperiode phasenverschoben ist.
Die Signalfolge auf der Leitung wird einem Generator 15 zur Erzeugung von Rechteckimpulsen zugeführt, der die Signalfolge nach Fig. 2b in zwei Rechteckimpulsfolgen entsprechend den Fig. 2d und 2e umwandelt, von denen die eine auf der Leitung 18 und die andere auf der Leitung 19 erscheint. Beide Impulsfolgen sind um eine ganze Impulslänge gegeneinander phasenverschoben und bestehen aus positiv gerichteten Impulsen. Die Impulslängen werden vom Nulldurchgang der Signale auf der Leitung 13 (Fig. 2bj bestimmt, nicht aber die Flankensteilheit, da es sich um Rechteckimpulse handelt. Also hängt nur die Impulslänge von der Geschwindigkeit ab, mit welcher die Skala 1 relativ zu den Abtastorganen bewegt wird.
In gleicher Weise wird die Signalfolge gemäl3 Fig. 2c auf der Leitung g 14 durch den Generator 16 in zwei Rechteckimpulsfolgen entsprechend Fig. 2h und 2i umgewandelt, die auf den Leitungen 23 bzw.
24 auftreten und ebenfalls um eine volle Impulslänge gegeneinander phasenverschoben sind. Da die Rechteckimpulse auf den Leitungen 23 und 24 in ihrer Länge durch den Nulldurchgang der Signale auf der Leitung 14 bestimmt sind und zwischen den Signalfolgen gemäss Fig. 2b und 2c eine Phasenverschie bung von 1/4 S besteht, weisen die Rechteckimpuls- folgen auf den Leitungen 18 und 23 (Fig. 2d bzw.
2h), sowie diejenigen auf den Leitungen 19 und 24 (Fig. 2e bzw. 2i) die gleiche Phasenverschiebung von 5 auf.
Ein Ausführungsbeispiel eines geeigneten Rechteckgenerators 15 bzw. 16 zeigt das Schaltbild nach Fig. 3, das eine Kippschaltung mit zwei stabilen Ruhezuständen darstellt (sogenannte Eccies-Jordan-Schal- tung), deren Aufbau und Wirkungsweise allgemein bekannt ist. Umgesteuert wird die Kippschaltung jeweils durch die Röhre 17 dann, wenn die an deren Steuergitter angeschlossene Leitung 13 bzw. 14 von positivem zu negativem Potential oder von negativem zu positivem Potential übergeht.
Der variable Kathodenwiderstand 1 7a der Röhre 17 ermöglicht eine gewisse Beeinflussung des, die Umsteuerung bewirkenden Potentials am Gitter der Röhre 17, so dass eventuelle Ungleichheiten der oberhalb und unterhalb der gestrichelten Mittellinie in der Signalfolge nach Fig. 2b bzw. 2c auftretenden Amplituden ausgeglichen werden können und das Toleranzfeld der Nullpunktanzeige innerhalb eines Skalenteils den Bedürfnissen angepasst werden kann.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, führen die beiden Leitungen 18 und 19, auf denen die Impulsfolgen gemäss den Fig. 2d bzw. 2e auftreten, über je ein Differenzierglied 20 bzw. 21, etwa ein RC-Glied wie in Fig. 4 als 20' bzw. 21' wiedergegeben. Bekanntlich wird durch solche Differenzierglieder die Vorderflanke der Rechteckimpulse in eine positive Impulsspitze und die Rückflanke der Rechteckimpulse in eine negative Im pulsspitze verwandelt. Somit tritt am Ausgang des Differenziergliedes 20 die Impulsfolge gemäss Fig. 2f und am Ausgang des Differenziergliedes 21 die Impulsfolge 2g auf, wenn auf den Leitungen 18 und 19 die Impulsfolgen entsprechend Fig. 2d bzw. 2e erscheinen. Die mit ausgezogenen Linien wiedergegeb nen Impulsspitzen entsprechen der Verschiebung der Skala 1 in Pfeilrichtung la.
Erfolgt eine Bewegung der Skala 1 in Pfeilrichtung lb, so ergeben sich Signalfolgen, die gegenüber denjenigen von Fig. 2b und 2d um 1800 phasenverschoben sind, wie oben bereits erläutert. Dementsprechend erscheinen in diesem Falle hinter den Differenziergliedern 20 und 21 die in Fig. 2f bzw. 2g gestrichelt wiedergegebenen Impulsspitzen, die um 1800 gegenüber den durch ausgezogene Linie dargestellten Impulsspitzen verschoben sind.
Die jeweils am Ausgang des Differenziergliedes
20 auftretenden Impulsspitzen werden, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, dem Eingang der beiden elektronischen Sperrglieder 25 und 26 zugeführt. Die hinter dem Differenzierglied 21 erscheinenden Impuls spitzen gelangen zum Eingang der elektronischen Sperrglieder
27 und 28. Die normalerweise gesperrten, also für die
Impulsspitzen am Eingang undurchlässigen Sperrglie der 25 bis 28 sind ausgangsseitig paarweise parallel geschaltet, und zwar liegen die Ausgänge der Sperr glieder 26 und 27 an der Leitung 29, dagegen die Ausgänge der Sperrglieder 25 und 28 an der Leitung 30. Die Sperrglieder 25 bis 28 werden durch die im Impulsgenerator 16 erzeugten Rechteckimpulse jeweils für die Dauer eines Impulses entsperrt und für Impulsspitzen, die im betreffenden Zeitintervall am Eingang auftreten, durchlässig.
Die Öffnung der Sperrglieder 25 und 27 erfolgt dabei über die Leitung 23, also seitens der in Fig. 2h dargestellten Rechteckimpulsfolge. In gleicher Weise werden die Sperrglieder 26 und 28 über die Leitung 24 geöffnet, also durch die in Fig. 2i wiedergegebene Rechteckimpulsfolge.
Die steuerbaren Sperrglieder 25 bis 28 sind in Fig. 4 in einer beispielsweisen Ausführung dargestellt, und zwar besteht jedes der Sperrglieder 25' bis 28' aus je einer Dreielektrodenröhre 31. Die Steuergitter der Sperrglieder 25' und 26' sind über je einen Vorwiderstand parallel geschaltet und erhalten über den Widerstand im vorgeschalteten Differenzierglied 20' eine solche negative Vorspannung, dass nur die positiven Impulsspitzen am Steuergitter die normalerweise gesperrten Sperrglieder beeinflussen können.
Die Röhren 31 der Sperrglieder 25' und 26' besitzen aber nur dann eine Anodenspannung, wenn auf der Leitung 24 bzw. 23 ein Rechteckimpuls auftritt, sind also nur während dieses Zeitintervalls für die am Steuergitter ankommenden positiven Impulsspitzen durchlässig und übermitteln dieselben zu den Leitungen 30 bzw. 29. Ebenso sind die Steuergitter der Sperrglieder 27' und 28' über je einen Vorwiderstand parallelgeschaltet und erhalten über den Widerstand im vorgeschalteten Differenzglied 21' eine solche negative Vorspannung, dass nur die positiven Impulsspitzen am Steuergitter die normalerweise gesperrten Sperrglieder beeinflussen können.
Die Röhren 31 der Sperrglieder 27' und 28' besitzen aber nur dann eine Anodenspannung, wenn auf der Leitung 24 bzw. 23 ein Rechteckimpuls auftritt, sind also nur während dieses Zeitintervalles für die am Steuergitter eintreffenden positiven Impuls spitzen durchlässig und übertragen dieselben zu den Leitungen 29 bzw. 30.
Die beschriebene Anordnung der Sperrglieder bewirkt, dass die von einer Skalenverschiebung in Pfeilrichtung la herrührenden positiven Impulsspitzen nur zur Leitung 29 gelangen. Die Fig. 2k zeigt beispielsweise die rechteckigen Steuerimpulse (Fig. 2h) zur Öffnung des Sperrglieds 25, die in ihrer zeitlichen Länge von der Geschwindigkeit und Einteilung der beweglichen Skala 1 abhängig sind, sowie die am Eingang erscheinenden Impulsspitzen (Fig. 2f) in ihrer zeitlichen Relation; die positiven Impulsspitzen können also nicht auf die Leitung 30 gelangen. Die Verhältnisse am Sperrglied 26 zeigt die Fig. 2m, wo am Eingang positive Impulsspitzen (Fig. 2ss im Zeitintervall der Öffnungsimpulse (Fig. 2i) auftreten, also zum Ausgang und zur Leitung 29 übertragen werden.
Ebenso erhält, wie in Fig. 2n dargestellt, das Sperrglied 27 während der Öffnungsintervalle (Fig. 2h) positive Impulsspitzen (Fig. 2g) am Eingang und übermittelt dieselben zum Ausgang, der ebenfalls an der Leitung 29 liegt. Am Sperrglied 28 treten dagegen positive Impulsspitzen am Eingang (Fig. 2g) nur während der Pausen zwischen den Öffnungsimpulsen (Fig. 2i) auf, können also nicht zum Ausgang und zur Leitung 30 gelangen. Auf der Leitung 29 summieren sich also die positiven Impulse vom Ausgang der Sperrglieder 26 und 27 zu der kontinuierlichen Impulsfolge nach Fig. 2q, während auf der Leitung 30 keine Signale erscheinen.
Umgekehrt gelangen bei einer Skalenverschiebung in Pfeilrichtung lb keine Impulsspitzen auf die Leitung 29 sondern nur auf die Leitung 30. Dies ist in analoger Weise wie oben für die Skalenverschiebung in Pfeilrichtung la nachweisbar.
Die Impulsfolgen auf den Leitungen 29 (Fig. 2q) und 30 weisen pro Merkmal der Skala 1 einen scharfen Impuls auf, wobei lediglich der Impulsabstand, nicht aber die Impulsform oder deren Amplitude von der Verschiebungsgeschwindigkeit abhängt. Demnach sind die Impulse auf diesen Leitungen 29 und 30 als Zählimpulse verwendbar und zur Ermittlung der jeweiligen Skalenstellung gut verwendbar. Ist beibeispielsweise die Skala 1 in 1000 Abschnitte, also 500 lichtdurchlässige und 500 nichtlichtdurchlässige Bereiche eingeteilt und bewegt sich dieselbe bei einem Wägevorgang von der Nullstellung aus bis auf 750 Teile in Pfeilrichtung la, schwingt dann auf 685 Teile zurück und nimmt dann den Sollwert 700 Teile ein. so erscheinen zuerst auf der Leitung 29 genau 750 Impulse, dann auf der Leitung 30 genau 65 Impulse und schliesslich nochmals 15 Impulse auf der Leitung 29.
Die algebraische Summe sämtlicher Impulse ergibt die dem Sollwert entsprechende Impulszahl, hier also 750 - 65 + 15 = 700.
Die algebraische Summierung g der auf den Lei- tungen 29 und 30 erscheinenden Impulse wird im Zählgerät 22 bewirkt, wobei allen Impulsen der Leitung 29 das positive und allen Impulsen auf der Leitung 30 das negative Vorzeichen zugeordnet wird, obgleich es sich natürlich auf beiden Leitungen um Spannungsimpulse der gleichen Polarität handelt.
Derartige Zähleinrichtungen sind in grosser Zahl allgemein bekannt, beispielsweise als Schrittschaltwerk das durch die Impulse auf der Leitung 29 im einen, und durch die Impulse auf der Leitung 30 im anderen Drehsinn bewegt wird. Auch elektronische vor- und rückwärts zählende Schaltungsanordnungen sind bereits bekannt und arbeiten ebenfalls mit je einem Eingang für die zu addierenden bzw. zu subtrahierenden Impulse. Eine nähere Beschreibung derartiger Zähleinrichtungen erübrigt sich deshalb.
Das vorliegende Verfahren ist oben für eine Merkmalskala mit äquidistanten Merkmalen, also gleicher Skalenteilung über den ganzen Messbereich beschrieben. Es ist natürlich ebensogut zur Stellungsanzeige einer Skala mit ungleichmässiger Teilung geeignet. Die angegebenen Schaltbilder sollen ferner jeweils nur das Prinzip wiedergeben - die in der Im pulstechnik üblichen Bauteile wie Schwellen, Amplitudenbegrenzer, Verstärker usw. sind weggelassen.
Method and apparatus for indicating the position of movable organs of measuring devices
The present invention relates to a method and an apparatus for indicating the position of movable organs of measuring devices, e.g. B. of movable scales in inclination scales for displaying the respective measured value.
For some purposes, it is not desirable to reproduce the movable organ, i.e. the scale itself, but only to reproduce the final result of the measurement in the form of a multi-digit number, be it by means of an optical display, by printing on a registration strip or in another suitable way.
Such a numerical display requires a conversion of the displacement or rotary movement of the scale into a corresponding adjustment movement of the numerical display system. That type of conversion has proven to be particularly expedient in which the movable member is scanned in a suitable manner during its insertion movement or after the same has ended, and the number display system is actuated by the scanning process.
For example, such position indicators with mechanical scanning of the movable scale have become known, but they have the disadvantage that the scanning of the movable scale can only take place when it has reached its respective target position, which also involves a great deal of complex mechanical gears and components is inevitable. Scanning with purely electrically operating means has also not proven itself so far, mainly because of the inadequate conversion accuracy. On the other hand, position indicators in which an optical scanning of a scale attached to the movable organ or of another feature carrier is carried out using a light source and a light-sensitive cell have proven successful.
Accordingly, the individual points of the feature carrier arranged in the light path from the light source to the light-sensitive cell can only be characterized by the two features yeast-dark or white-black or light-dark.
As is well known, the position indicator of the movable scale should not be carried out continuously in scales and other measuring devices, but in a large number of intervals with the same distance from one another, e.g. B. in 1000 intervals. It has already been suggested that each of the 1000 scale divisions should be identified by a combination of such optical feature pairs light / dark, which corresponds to its significance, but for this purpose - since it is a binary feature - at least ten independent features must be assigned to each scale division, i.e. a significant effort is required.
Optical scanning, which is much easier to implement, is obtained when all scale sections are characterized by the same features and the number of features passed on the way of the scale from its initial or zero position to the desired position is counted.
This counting method for indicating the position of a movable scale has significant advantages for many measuring devices, e.g. for scales (e.g. easy adjustment of the zero point, possibility of taring, etc.), but has so far only been applicable to a limited extent, since one around the target value On the oscillating scale, it is difficult to correctly count the features that have been passed through to the real target value.
The present invention solves this problem and relates to a method for indicating the position of movable organs of measuring devices, in which a scale consisting of a plurality of features interacts with the movable organ and scanning elements for the feature scale are present which cause the scale features passing through them to be counted.
The characteristic feature here is that the feature scale is scanned simultaneously by at least two organs arranged one behind the other in the direction of movement of the scale, each of which generates a periodic sequence of similar electrical signals when passing the feature scale, with a phase shift of the individual ones through a suitable selection of the distance between the scanning elements Signal sequences is effected, which apart from the value zero and an integer multiple of a half-period of the signal sequence can assume any value, from which signal sequences positive or negative counting pulses are generated depending on the scanning direction of the feature scale, from which the position indicator is obtained by algebraic addition.
The invention is explained in more detail below in an exemplary embodiment with reference to FIGS. 1 to 5.
This shows:
1 shows a schematic diagram with a block diagram of a position indicator operating according to the present method,
2a to 2q show the assignment of the feature scale according to FIG. 1 to different time signal sequences occurring in the apparatus according to FIG. 1,
3 and 4 each show a circuit diagram of individual components of the apparatus according to FIG. 1.
The embodiment of the position indicator according to FIG. 1 shows a scale which, instead of or in addition to the movable indicator scale, carries a grid-like feature scale 1, consisting of equidistant scale areas, for example consecutive equally wide translucent and opaque scale areas. The feature carrier 1, shown schematically in cross section, moves during the weighing process. g in the direction of the arrow la, but oscillates back and forth around the setpoint value, which is permissible in the present method without adversely affecting the accuracy of the position indicator.
Along the feature scale 1, two photoelectric, similarly structured scanning elements are arranged, one of which consists of the cover grille 2, the light source 3, the lens system 4a and 4b and the photoelectric cell 5, while the other consists of the cover grille 6, the light source 7, the lens system 8a and 8b and the photoelectric cell 9 comprises. The two cover grids 2 and 6 show the same structure as the feature scale 1, that is, they consist of successive, equally wide, translucent and opaque areas.
If the transparent areas of the feature scale 1 and the cover grille located behind it are wholly or at least partially in alignment with one another (see cover grille 2), then the light source 3 in the cell 5 generates an electrical signal. If, on the other hand, the transparent areas of the feature scale 1 coincide with the opaque areas of the cover grille (see cover grille 6), then the cell 9 is practically not exposed and does not provide any electrical signal. When the feature scale 1 moves relative to the two fixed scanning elements, the two cells 5 and 9 each provide a periodic sequence of electrical signals, corresponding to the periodically changing exposure to light thereof.
Since the feature scale 1 has a uniform scale division S and the two cover grids 2 and 6 are the same, the signal sequences generated by the cells 5 and 9 are also exactly the same with regard to the time course of the signals, but depending on the choice of the distance A of the two scanning elements along the feature scale 1 a more or less large phase shift of the two signal sequences occurs relative to one another. If, for example, the distance A is an integer multiple of the scale division S, the phase shift between the two signal sequences is zero. If the distance A is then increased by a fraction of S, a phase shift occurs between the two signal sequences which, for example, is exactly half a period when enlarged by 112 S.
In FIG. 2b, the amount of light falling on the photoelectric cell 5 through the cover grille 2 is shown along a time axis when the scale 1 moves in the direction of the arrow la. The amount of light corresponds to the hatched areas in FIG. 2b and in the zero position of the scale 1 shown in FIG. 2, the cell 5 receives just half the maximum amount of light, since only half of the transparent window of the cover 2 is illuminated from the scale 1.
This illumination is initially greater when the scale 1 is moved in the direction of arrow la and reaches its maximum value after a shift by 1 / S, i.e. after a time t1, since the window of the cover grille 2 is now exactly opposite a translucent area of the scale 1. After a further shift of the scale 1 by 14 S in each case, the illumination at time t drops again to half the maximum value corresponding to the zero position, and at time t the illumination is finally zero. since an opaque scale area faces the window of the cover grille 2.
The time course of the amount of light shown in Fig. 2b only applies to a movement of the scale 1 in the direction of the arrow la. From Fig. 2a it can be seen that with a scale movement in the opposite direction according to the arrow 1b, the illumination decreases from half the maximum value in the zero position to the value zero at time t1, and then increases to the maximum value by time t. Thus, the scale movement in the direction of the arrow 1b causes a course of the amount of light falling on the photoelectric cell 5, which compared to that when moving in the direction of the arrow la has a time phase shift of half a period, in this case only half a scale division S.
For the purpose of simple assignment of the temporal course of the electrical signal sequences to the respective direction of displacement of the scale 1, the signals in the case of the displacement in the direction of the arrow la are shown in solid lines, whereas those in the case of the displacement in the direction of the arrow lb are shown in dashed lines.
As shown in FIG. 2a, the cover grille 6 is laterally displaced by ¸ S with respect to the cover grille 2, the distance A between the two scanning elements being greater by an arbitrary multiple n of the scale division S, ie
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is. The amount of light falling on the photoelectric cell 9 is therefore zero in the zero position of the scale 1, since the transparent window of the cover 6 is completely covered by an opaque area of the scale 1.
When the scale 1 is moved in the direction of the arrow la, the cell 9 is exposed to light in accordance with the course in FIG. 2c.
Assuming a sufficiently linear characteristic of cells 5 and 9 between the generated voltage and the amount of light incident, the electrical signal sequence on lines 13 and 14 in FIG. 1 corresponds exactly to the periodically changing amount of light according to FIG. 2b and 2c. However, the two direct current pulse trains phase-shifted by a quarter period according to FIGS. 2b and 2c are not very suitable for further utilization. Rather, it is more expedient to show only the alternating current components of these electrical signals on lines 13 and 14, which can be done in a known manner by means of a suitably designed direct current compensation circuit.
The lines 13 and 14 then each carry a sequence of periodic signals that change polarity around the zero line drawn in dashed lines in FIGS. 2b and 2c, one signal sequence still being phase-shifted by a quarter period with respect to the other.
The signal sequence on the line is fed to a generator 15 for generating square-wave pulses, which converts the signal sequence according to FIG. 2b into two square-wave pulse sequences according to FIGS. 2d and 2e, one of which appears on line 18 and the other on line 19 . Both pulse sequences are phase-shifted from one another by a whole pulse length and consist of positively directed pulses. The pulse lengths are determined by the zero crossing of the signals on line 13 (Fig. 2bj, but not the edge steepness, since these are square-wave pulses. So only the pulse length depends on the speed with which the scale 1 is moved relative to the scanning elements .
In the same way, the signal sequence according to FIG. 2c on the line g 14 is converted by the generator 16 into two square pulse sequences according to FIGS. 2h and 2i, which are transmitted on the lines 23 and
24 occur and are also phase-shifted from one another by a full pulse length. Since the length of the square-wave pulses on lines 23 and 24 is determined by the zero crossing of the signals on line 14 and there is a phase shift of 1/4 S between the signal sequences according to FIG. 2b and 2c, the square-wave pulse trains point to the Lines 18 and 23 (Fig. 2d or
2h), as well as those on lines 19 and 24 (Fig. 2e and 2i) have the same phase shift of 5.
An exemplary embodiment of a suitable square wave generator 15 or 16 is shown in the circuit diagram according to FIG. 3, which shows a multivibrator with two stable rest states (so-called Eccies-Jordan circuit), the structure and mode of operation of which is generally known. The flip-flop is reversed by the tube 17 when the line 13 or 14 connected to its control grid changes from positive to negative potential or from negative to positive potential.
The variable cathode resistance 17a of the tube 17 allows a certain influence on the potential on the grid of the tube 17 that causes the reversal, so that any inequalities in the amplitudes occurring above and below the dashed center line in the signal sequence according to Fig. 2b and 2c can be compensated and the tolerance field of the zero point display can be adapted to requirements within a scale division.
As can be seen from FIG. 1, the two lines 18 and 19, on which the pulse trains according to FIGS. 2d and 2e occur, each lead via a differentiating element 20 and 21, for example an RC element as in FIG 20 'or 21' reproduced. As is known, the leading edge of the rectangular pulses is converted into a positive pulse peak and the trailing edge of the rectangular pulses into a negative pulse peak by such differentiating elements. Thus, the pulse sequence according to FIG. 2f occurs at the output of the differentiating element 20 and the pulse sequence 2g at the output of the differentiating element 21 when the pulse sequences according to FIGS. 2d and 2e appear on the lines 18 and 19. The peaks reproduced with solid lines correspond to the shift of the scale 1 in the direction of the arrow la.
If the scale 1 is moved in the direction of the arrow lb, signal sequences result which are phase-shifted by 1800 with respect to those of FIGS. 2b and 2d, as already explained above. Correspondingly, in this case, behind the differentiators 20 and 21, the pulse peaks shown in dashed lines in FIGS. 2f and 2g, respectively, which are shifted by 1800 with respect to the pulse peaks shown by the solid line.
Each at the output of the differentiator
20 occurring pulse peaks are, as can be seen from FIG. 1, fed to the input of the two electronic blocking elements 25 and 26. The peaks appearing behind the differentiating element 21 reach the input of the electronic locking elements
27 and 28. The normally blocked, so for the
Pulse peaks at the input opaque blocking elements 25 to 28 are connected in parallel on the output side in pairs, namely the outputs of blocking elements 26 and 27 are on line 29, whereas the outputs of blocking elements 25 and 28 are on line 30. Blocking elements 25 to 28 are unlocked by the square-wave pulses generated in the pulse generator 16 for the duration of a pulse and permeable to pulse peaks that occur at the input in the relevant time interval.
The blocking members 25 and 27 are opened via the line 23, that is to say on the part of the rectangular pulse sequence shown in FIG. 2h. In the same way, the blocking elements 26 and 28 are opened via the line 24, that is to say by the rectangular pulse sequence shown in FIG. 2i.
The controllable blocking elements 25 to 28 are shown in an exemplary embodiment in FIG. 4, namely each of the blocking elements 25 'to 28' consists of a three-electrode tube 31. The control grids of the blocking elements 25 'and 26' are each connected in parallel via a series resistor and receive via the resistor in the upstream differentiating element 20 'such a negative bias voltage that only the positive pulse peaks at the control grid can influence the normally blocked blocking elements.
The tubes 31 of the blocking elements 25 'and 26' only have an anode voltage when a rectangular pulse occurs on the line 24 or 23, i.e. they are only permeable to the positive pulse peaks arriving at the control grid during this time interval and transmit them to the lines 30 or 29. Likewise, the control grids of locking elements 27 'and 28' are connected in parallel via a series resistor and receive such a negative bias via the resistor in the upstream differential element 21 'that only the positive pulse peaks at the control grid can influence the normally locked locking elements.
The tubes 31 of the blocking elements 27 'and 28' only have an anode voltage when a square pulse occurs on the line 24 or 23, i.e. they are only permeable to the positive impulse peaks arriving at the control grid during this time interval and transmit them to the lines 29 or 30.
The described arrangement of the blocking elements has the effect that the positive pulse peaks resulting from a scale shift in the direction of the arrow 1 a only reach the line 29. Fig. 2k shows, for example, the rectangular control pulses (Fig. 2h) for opening the locking member 25, which depend in their time length on the speed and division of the movable scale 1, and the pulse peaks appearing at the input (Fig. 2f) in their temporal relation; the positive pulse peaks can therefore not reach the line 30. The relationships at the locking member 26 are shown in FIG. 2m, where positive pulse peaks (FIG. 2ss in the time interval of the opening pulses (FIG. 2i) occur at the input, that is to say are transmitted to the output and to the line 29).
Likewise, as shown in FIG. 2n, the blocking element 27 receives positive pulse peaks (FIG. 2g) at the input during the opening intervals (FIG. 2h) and transmits them to the output, which is also on the line 29. On the other hand, positive pulse peaks at the input (FIG. 2g) on the blocking element 28 only occur during the pauses between the opening pulses (FIG. 2i), so they cannot reach the output and the line 30. On the line 29, the positive pulses from the output of the blocking elements 26 and 27 add up to the continuous pulse sequence according to FIG. 2q, while on the line 30 no signals appear.
Conversely, when the scale is shifted in the direction of the arrow lb, no pulse peaks reach the line 29, but only the line 30. This can be demonstrated in a manner analogous to the above for the scale shift in the direction of the arrow la.
The pulse trains on lines 29 (FIG. 2q) and 30 have a sharp pulse per feature of scale 1, only the pulse spacing, but not the pulse shape or its amplitude, being dependent on the displacement speed. Accordingly, the pulses on these lines 29 and 30 can be used as counting pulses and can easily be used to determine the respective scale position. For example, if the scale 1 is divided into 1000 sections, i.e. 500 translucent and 500 non-translucent areas, and it moves from the zero position to 750 parts in the direction of arrow la during a weighing process, then swings back to 685 parts and then takes the target value 700 parts . so first exactly 750 pulses appear on line 29, then exactly 65 pulses on line 30 and finally another 15 pulses on line 29.
The algebraic sum of all pulses results in the number of pulses corresponding to the nominal value, here 750 - 65 + 15 = 700.
The algebraic summation g of the impulses appearing on lines 29 and 30 is effected in counter 22, all impulses on line 29 being assigned the positive sign and all impulses on line 30 being assigned the negative sign, although both lines are of course the same Voltage pulses of the same polarity.
Such counting devices are generally known in large numbers, for example as a stepping mechanism which is moved by the pulses on the line 29 in one direction of rotation and by the pulses on the line 30 in the other. Electronic up- and down-counting circuit arrangements are also known and also work with one input each for the pulses to be added or subtracted. A more detailed description of such counting devices is therefore unnecessary.
The present method is described above for a feature scale with equidistant features, that is, with the same scale division over the entire measuring range. It is of course just as suitable for indicating the position of a scale with uneven graduation. The circuit diagrams are only intended to reflect the principle - the components common in pulse technology such as thresholds, amplitude limiters, amplifiers, etc. are omitted.