Einrichtung zur absatzweisen Winkelstellungsmessung, mit einem aus Rotor und
Stator bestehenden elektromechanischen Wandler
Zur Ermittlung der Winkelstellung einer drehbar gelagerten Welle bedient man sich unter anderem elektro-mechanischer Wandler, die zur Erzeugung von Wechselspannungen geeignet sind, deren Phasenwinkel der Verdrehung eines mit der Welle drehbar gelagerten Wandlerrotors gegenüber einem ortsfest verbleibenden Wandlerstator proportional ist.
Die Ermittlung der Winkelstellung des Wandlerrotors durch Phasenmessung an der Wandlerausgangsspannung ist insofern von Interesse, als die Möglichkeit gegeben ist, durch entsprechende konstruktive Ausbildung der Wandler die Anordnung so zu treffen, dass eine Drehung des Wandlerrotors um den vollen Winkel von 360 ein n-maliges Durchlaufen des Phasenwinkels der Wandlerausgangsspannung durch das Phasenvariationsintervall 0.. 2n zur Folge hat.
Die Konstante n ist eine ganze positive Zahl. Sie beträgt im Minimum n = 1 und bei nach dem derzeitigen Stand der Technik herstellbaren Wandlern z. B. n = 200.
Anordnungen dieser Art erlauben es deshalb, bei grossen Apparatekonstanten n die Winkelstellung des Wandlerrotors bzw. die Winkelstellung der mit dem Rotor gekuppelten Welle relativ hoch aufzulösen. Es sind kapazitive und induktive Wandlerkonstruktionen bekanntgeworden. Eine kapazitive Ausführungsform ist beispielsweise in der deutschen Auslegeschrift Nr. l 098 858 und ein induktives System dieser Art in der USA-Patentschrift Nummer 2 867 783 beschrieben. Der die Winkelstellung des Wandlerrotors repräsentierende Phasenwinkel der Wandlerausgangsspannung wird im allgemeinen durch digital anzeigende Zeitmessvorrichtungen durch Auszählung der Impulse eines Oszillators während eines Zeitintervalls, das dem Phasenwinkel proportional ist, bestimmt.
Hierzu sind Grob-Fein-Messsysteme bekannt, wobei die Anordnung beispielsweise so getroffen ist, dass ein Wandler mit der Apparatekonstante n = 1 eine Wechselspannung liefert, deren Phasenwinkel bei Drehung des Wandlerrotors zwischen 0... 2z variiert. Eine derartige Wechselspannung liefert dann durch Auszählung ihres Phasenwinkels die vollen Winkelgrade zwischen 0... 359 . Ein zweiter Wandler, z. B. mit der Apparatekonstante n = 360, liefert eine Wechselspannung, deren Phasenwinkel den Feinmesswert repräsentiert.
Eine Anderung dieses Phasenwinkels zwischen 0... 2n entspricht dabei einer Rotordrehung von 1 . Die Phasenmessvorrichtung liefert Bruchteile der vollen Grade der Grobmessvorrichtung zwischen 0, 000... 0, 999 .
Es ist bekannt, dass die mit solchen und ähnlichen Systemen erzielbare Messgenauigkeit unter anderem in hohem Masse von der Genauigkeit abhängig ist, mit der die elektro-mechanischen Wandler den Drehwinkel des Wandlerrotors in den Phasenwinkel der Wandlerwechselspannung übersetzen. Der Zusammenhang zwischen beiden Grössen soll an sich linear sein. Dieses ist jedoch im allgemeinen nicht der Fall.
So bewirken insbesondere Streukapazitäten bzw.
Streuinduktivitäten zwischen dem Rotor und dem Stator, Exzentrizitäten zwischen dem Rotor und dem Stator und Fehlausbildungen des Rotors und des Stators Abweichungen von diesem an sich erwünschten linearen Zusammenhang. Besonders bei Systemen mit grossem n zeigt sich immer wieder, dass die n Phasenwinkelintervalle der Breite 2, die der Phasenwinkel der Wandlerausgangsspannung bei einer vollen Drehung des Rotors um 360 durchläuft, nicht sämtlich dem gleichen Rotordrehwinkel von 360 /n zuzuordnen sind. Vielmehr ist dieser Drehwinkel einmal mehr und einmal weniger gross, wobei sich zeigt, dass der auftretende Fehler-ähnlich wie bei optischen Kreisteilungen-periodischen Charakter aufweist.
Die Wandler werden im allgemeinen mit einer harmonisch schwingenden Spannung (1) U N sin cot der Frequenz f = ?/2? gespeist. Ihre Ausgangsspannung lässt sich dann unter Berücksichtigung der erwähnten periodischen Fehler als Fourierreihe
EMI2.1
darstellen, worin die au und ZA die Amplituden bzw. die Phasenwinkel der Fourierkomponenten, A die Ordnungszahl (? = 1... ?) der Komponenten und q den Verdrehungswinkel zwischen dem Rotor und Stator des elektromechanischen Wandlers bezeichnen.
Die as und xz lassen sich rechnerisch aus Messungen, die den Phasenwinkel der Wandlerausgangsspannung als Funktion des Winkels m wiedergeben, bestimmen.
In (2) sind alle Komponenten bis auf die Komponente (3) a.-sin (o) t-n- (p-X.) störend. Die Komponente (3) stellt die erwünschte Ausgangsspannung dar, wobei in (3) der konstante PhasenwinkeI X@ nicht interessiert. n ist die eingangs erwähnte Konstante, die den Zusammenhang zwischen dem Phasenwinkel ç der Wandlerausgangsspannung und dem Drehwinkel q7 liefert. Beträgt sie z. B. n = 360, so verschiebt sich der Phasenwinkel ? bei einer Drehung cp = 1 um den Betrag 2sz, wo- bei entsprechend kleinere (grössere) Winkeldrehun- gen entsprechend kleinere (grössere) Phasenverschiebungen zur Folge haben.
Praktisch treten in (2) nicht alle Komponenten der möglichen Ordnungszahlen i = 1... oo auf. Das Auftreten solcher Komponenten hängt von der gewählten Konstruktion und von Fertigungsgenauigkeiten ab. Häufig sind z. B. solche Komponenten, deren Ordnungszahlen A ganzzahlige Vielfache von n sind (R = cl n mit a = 2, 3...). Aber auch Komponenten anderer Ordnungszahlen sind häufig. In jedem Fall beeinflussen sie die Messgenauigkeit, die durch sie vom Drehwinkel cp abhängig ist.
Es wurde nun gefunden, dal3 derartige Fehler durch Kompensation an bestimmten, mit Wandlern dieser Art ausgestatteten Messeinrichtungen auf rein elektrischem Wege beseitigbar sind.
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur absatzweisen Winkelstellungsmessung an einer drehbar gelagerten Welle, mit einem mit der Welle gekuppelten, aus Rotor und Stator bestehenden und eingangsseitig mit Wechselspannung gespeisten elektro-mechanischen Wandler, dem ausgangsseitig eine Wechselspannung mit rotordrehwinkelproportionalem Phasenwinkel entnommen wird, mit Mitteln zur Umwandlung der Wandlerausgangsspannung in eine dazu phasenstarre Impulsfolge und mit Mitteln zur absatzweisen Ermittlung des Phasenwinkels dieser Impulsfolge, bestehend aus einer elektronischen Impulszählvorrichtung, der, durch Impulse einer Be zugsimpulsfolge und der Messimpulsfolge gesteuert, Impulse einer Zählimpulsquelle derart zugeführt werden,
dass das Zählergebnis an der Zählvorrichtung einem Winkelstellungsmesswert entspricht, welche Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass Hilfswechselspannungsquellen vorgesehen sind, deren Ausgangsspannungen mit einstellbarem Phasenwinkel und einstellbarer Amplitude zur Wandlerspeise und/oder Wandlerausgangsspannung addiert sind.
Es hat sich nÏmlich gezeigt, dass durch ¯berlagerung solcher Hilfsspannungen zur Wandlerspeise und/oder zur Wandlerausgangsspannung stets bestimmte Zeitpunkte herbeiführbar sind, in denen die Fehler des Wandlers kompensiert sind.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist insbesondere geeignet zur Verwendung in einem optischen Zielverfolgungsinstrument als Messvorrichtung zur digitalen Anzeige des Höhen-undloder Seitenwinkels des Instrumentes.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt :
Die Fig. 1 und 2 erläutern die Ausbildung eines gebräuchlichen elektro-mechanischen Wandlers.
Die Fig. 3 und 4 erläutern anhand eines Blockschaltbildes den prinzipiellen Aufbau einer Winkel stellungsmesseinrichtung, in der dieser Wandler benutzbar ist.
Die Fig. 5, 6 und 7 erläutern eine andere Einrichtung schematisch, die im Gegensatz zur Einrichtung nach Fig. 3 die Kompensation von Harmoni- schen zulässt, deren Ordnungszahl : kein ganzzahliges Vielfaches der Apparatekonstanten n darstellt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen in Draufsicht Teile zweier kreisförmiger Glasscheiben 01 und 02, die auf den Ringflächen 03 und 04 bzw. 05 Metallbelegungen aufweisen. Die metallisierten Ringflächen 03 und 04 sind durch eine durch die Metallisierung hindurchgreifende Aussparung 06 elektrisch voneinander isoliert.
Die Flächen 03 und 04 sind ihrerseits durch mäanderförmig in den Flächen angeordnete Aussparungen 07 und 08 in jeweils zwei ebenfalls elektrisch voneinander isolierte Teile (Elektroden) zerlegt, so dass in den beiden Kreisringflächen 03 und 04 fingerförmig ineinandergreifende und auf dem Umfang der Flächen einander abwechselnde Metallzungen (Teilelektroden) entstehen, die in den Ringflächen 03 mit 091, 09Il, 0911I... bzw. 010I, loti, O101II.. und in der Fläche 04 mit Molli, Roll", Olim... bzw. 012I, 012IIj 012IIi... bezeichnet sind.
Es sei noch bemerkt, dass die Flächen 03 und 04 im allgemeinen gleich gross und die manderförmigen Aussparungen. 07 und 08 um ein Viertel ihrer Periode winklig gegeneinander versetzt sind.
Die Metallbelegung 05 der Glasplatte 02 ist in ganz analoger Weise durch eine Aussparung 013 in zwei elektrisch voneinander isolierte Teile zerlegt, wobei sich wiederum fingerartig ineinandergreifende Teilelektroden 014I, 014II, 014in... bzw. 015I, O15II, 015III... bilden, die auf dem Umfang der Kreisringfläche 05 nebeneinanderliegen und einander abwechseln. Die Anzahl der Teilelektroden sowohl der Glasscheibe 01 als auch die der Glasscheibe 02 sowie die Art ihrer Ausbildung und Anordnung bestimmen wesentliche Wandlereigenschaften.
Beide Scheiben werden koaxial in geringem Luftabstand voneinander getrennt derart angeordnet, da¯ sich die Flächen 03, 04 und 05 berdecken. Es entsteht ein Kondensatorsystem, das sich im wesentlichen aus den Teilkapazitäten zwischen den Elektroden
09I, 09II, 09IIi.,, und 014I, 014II, 014III... (Cog, Ol,
09I, 09II, 09i"... und 015I, 015II, 015III (C09. 015), aloi, 010II 010III und 014I, 014II, 014III (C010,014), aloi, 10II, 010III und 015I, 015II, 015III -- (C010 0X5) sowie den entsprechenden Teilkapazitäten zwischen den Elektroden des Ringes 04 und den Elektroden des Ringes 05 zusammensetzt.
Ist die Anordnung weiterhin so getroffen, dass etwa die Scheibe 02 gegen die Scheibe 01 drehbar gelagert ist, so ändern sich bei der Verdrehung der Scheibe 02 die einzelnen Teilkapazitäten periodisch mit dem Verdrehungswinkel, weshalb man bei Zuführung von vier Wechselspannungen zu den Teilelektroden der Elektroden 09, 010, 011 und 012, die geeignet gegeneinander phasenverschoben sind, an den Gegenelektroden 014 und 015 der Scheibe 02 eine Wechselspannung abgreifen kann, deren Amplitude und Phasenwinkel im allgemeinen eine periodische Funktion des Drehwinkels (f) zwischen dem Rotor und dem Stator der Anordnung ist.
Die Anordnung ist allgemein so getroffen, dass der Rotor des elektro-mechanischen Wandlers starr oder über ein Getriebe mit der Welle, deren Verdrehungswinkel gemessen werden soll, gekuppelt wird, wÏhrend der Stator der Anordnung koaxial zum Rotor in geringem Luftabstand von diesem getrennt ortstest angeordnet wird, so da¯ bei entsprechender Speisung des Wandlers am Wandlerausgang eine Wechselspannung zur Verfügung steht, die zu Messzwecken benutzt werden kann.
Es ist bei Wandlern dieser Ausbildung bereits bekannt, die Teilkapazitäten Cas, 014, C 010, 014' C010, 015 durch entsprechende Formgebung und Anordnung der Teilelektroden 09I, 09II, 09'11...
010I, 0101l, 0101lI... usw. derart auszubilden, da¯ die an den Elektroden 014 und 015, die ebenfalls einer speziellen Formgebung der Anordnung unterworfen sind, abgreifbare Wandlerausgangsspannung bei Verdrehung der beiden Scheiben gegeneinander eine im wesentlichen konstante Amplitude und einen im wesentlichen dem Drehwinkel cp proportionalen Phasenwinkel aufweist.
Wie bereits eingangs bemerkt, ergeben sich abweichend von der idealen Form der Wandlerausgangsspannung (la) U = A sin (cut-n) Ausgangsspannungen, die sich allgemein darstellen lassen als
EMI3.1
In den Gleichungen (1a) und (2a) bezeichnen A die Amplitude der Grundschwingung der Wandlerausgangsspannung, c9 die Kreisfrequenz der Wandlerspeisespannung, n eine von der Wandlerkonstruktion abhängige positive ganze Zahl, die im Ausführungs- beispiel der anliegenden Figur mit der Anzahl der auf den Kreisringflächen 03, 04 und 05 angeordneten Teilelektroden einer jeden Elektrode identisch ist, und au die aus Fourier-Analyse der Wandlerausgangsspannung ermittelbaren Amplituden der örtlichen,
das heisst vom Drehwinkel p abhängigen Harmonischen der Grundschwingung der Wandlerausgangsspannung. Es bezeichnet weiterh, in X1 die entsprechenden konstanten Phasenwinkel dieser Ausgangsspannung, die ebenfalls aus der Fourier-Analyse der Wandlerausgangsspannung ermittelbar sind.
Die Messung des Zeitabstandes eines Nulldurchganges der Spannung U, gegen den vorhergehenden Nulldurchgang einer Wandlereingangsspannung A' sin a) t ergibt daher ein vom gewünschten Wert 9? abweichendes Ergebnis.
Der störende Einfluss der örtlichen Harmonischen in der Spannung Ut wird nun durch Zusatz zeitlicher Harmonischer der Grundschwingung dieser Spannung entweder zur Wandlerausgangs-und/oder zur Wandlereingangsspannung beseitigt.
Addiert man nämlich zur Spannung Ur eine Spannung der Form
EMI3.2
so besitzt die Summenspannung Ut + Ut, die gleichen Nulldurchgänge wie die Grundschwingung der Spannung Ul, wovon man sich durch Einsetzen der Nulldurchgangszeit t n 92 t= co der Grundschwingung überzeugt.
Es ist demzufolge bei Einrichtungen, die mit einem elektro-mechanischen Wandler zur Umwandlung des jeweiligen Längen-oder Winkelwertes in den Phasenwinkel einer Wandlerausgangsspannung ausgestattet sind und die mit Mitteln zur digitalen Erfassung des Phasenwinkels der Wandlerausgangsspannung derart versehen sind, dass durch Auszählen der Zeitdifferenz zwischen gleichphasigen Schwingungszuständen der Wandlerausgangsspannung und einer Bezugswechselspannung der interessierende Drehwinkel ermittelbar ist, möglich, durch Zusatz zeitlicher Harmonischer, beispielsweise zur Wandlerausgangsspannung, das Messresultat von den störenden geometrischen Fehlereinflüssen am Wandler zu befreien.
In der Fig. 3 ist eine Anordnung dieser Art dargestellt, wobei angenommen ist, dass der elektromechanische Wandler eine Apparatekonstante von n = 360 aufweist und in seiner Ausgangsspannung entsprechend (2a) lediglich Harmonische der Ord nungszahlen A = 3 und X = 5 enthalten sind.
In Fig. 3 bezeichnet 70 eine in einem Lager drehbar gelagerte Welle, deren Winkelstellung mit Hilfe eines Grob-Fein-Messsystems absatzweise bestimmt werden soll. Die Welle 70 ist deshalb mit den Rotoren zweier elektro-mechanischer Wandler 71 und 72 gekuppelt. Der Wandler 71 kann entsprechend dem Wandler nach Fig. 1 und Fig. 2 ausgebildet sein, wobei seine Apparatekonstante zu n = 1 gewählt ist, das heisst bei einer Drehung der Welle 70 um 360 verschiebt sich der Phasenwinkel seiner Ausgangsspannung einmal zwischen 0... 2z. Er wird als fehlerfrei angenommen, bzw. es wird unterstellt, dass seine Fehler vernachlässigbar klein sind.
Der Wandler 72 weist die Apparatekonstante n = 360 auf, das heisst eine Drehung der Rotorwelle 70 um 360 bewirkt eine 360malige Verschiebung des Phasenwinkels der Wandlerausgangsspannung zwischen 0... 2 ?) ;.
Durch Messung des Phasenwinkels der Ausgangsspannung des Wandlers 70 werden die vollen, zwischen 0... 359 gelegenen Grade der Winkelstellung der Welle 70, und durch Messung an der Ausgangsspannung des Wandlers 72 die Bruchteile eines vollen Grades, z. B. zwischen 0, 000... 0, 999 , gemessen.
Mit 73 ist ein 1-MHz-Oszillator bezeichnet. Seine Ausgangsspannung wird, z. B. auf 400 Hz untersetzt, über eine Frequenzteilerstufe 74 und eine Leitung 75 als Speisespannung dem Eingang des elektromechanischen Wandlers 71 zugeführt. Die auf einer Leitung 76 zur Verfügung stehende Ausgangsmess- spannung des Wandlers 71 wird nach Verstärkung in einem Verstärker 77 einer Leitung 78 zugeführt.
Die Leitung 78 ist mit dem Eingang einer Impulsformerstufe 79 verbunden. Die Leitung 75, die die Speisespannung für den Wandler 71 führt, ist mit dem Eingang einer Impulsformerstufe 80 verbunden.
Beide Impulsformerstufen wandeln ihre Eingangsspannung in eine dazu phasenstarre und frequenzgleiche Nadelimpulsfolge um. Die beiden so erzeugten Nadelimpulsfolgen sind jeweils Leitungen 12' bzw. 13'zugeführt. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen dieser Folge, die zeitlich benachbart sind, entspricht deshalb der Phasenverschiebung der Ausgangsspannung des Wandlers 71 gegen die phasenfeste Eingangsspannung dieses Wandlers. Durch Messung des zeitlichen Abstandes lässt sich deshalb diese Phasenverschiebung ermitteln. Diese Verhält- nisse sind in der Fig. 4 angedeutet, in der U12 die Impulsfolge der Leitung 12', U3 die Impulsfolge der Leitung 13'kennzeichnet.
Die Impulsfolge der Leitung 12'dient dabei als Bezugsimpulsfolge. Sie ist als starre Impulsfolge einer elektronischen Torschaltung 80'zugeführt. Als Stoppimpulsfolge dient die Folge der Leitung 13', die ebenfalls dem Tor 80' zugeführt ist. Das Tor 80'ist in eine Leitung 81, 82 eingeschaltet, die den Ausgang des Oszillators 73 mit dem Eingang einer elektronischen Impulszähl- vorrichtung 84 verbindet. Das Tor 80'ist normalerweise gesperrt. Durch eine Steuerimpulsquelle 85 wird auf die Leitung 86 in bestimmten zeitlichen Abständen ein Impuls geschaltet, der dem Tor 80' als Vorbereitungsimpuls zugeführt ist.
Ein nach dem Auftreten eines solchen Vorberei tungsimpulses auftretender Impuls der Leitung 12' öffnet das normalerweise geschlossene Tor 80', wodurch die Impulse des Oszillators 73 über die Leitung 81, 82 dem Impulszähler 84 so lange zugeführt sind, bis der zeitlich darauffolgende Impuls der Leitung 13', der aus der Messspannung abgeleitet ist, das Tor 80'wieder schliesst. Die während der Off nungszeit aT des Tores in den Zähler 84 gelangte Impulsanzahl ist deshalb dieser Zeit und damit dem zu messenden Phasenwinkel und deshalb dem auch zu ermittelnden Grobmesswert der Winkelstellung der Welle 70 proportional. Sie wird am Zähler 84, z. B. durch Leuchtröhren oder dergleichen, digital angezeigt. Die Anzeige entspricht z.
B. einem Grobmesswert von 167 .
Ober eine Leitung 90 ist die Ausgangsspannung des Oszillators 73 einer Frequenzteilerstufe 91 zugeführt, die die Ausgangsspannung dieses Oszillators auf 1 kHz untersetzt. Die in einem Verstärker 92 verstärkte Ausgangsspannung der Frequenzteilerstufe gelangt über eine Leitung 93 als Speisespannung zum Eingang des elektro-mechanischen Wandlers 72.
Seine Ausgangsspannung wird in einem Verstärker 94 verstärkt und einer Leitung 95 zugeführt. Die Eingangsspannung des Wandlers 72 ist über eine Leitung 96 einer Impulsformerstufe 97 zugeführt, die die auf sie einwirkende Wechselspannung wiederum-wie oben beschrieben-in eine dazu phasen starre und gleichfrequente Nadelimpulsfolge umwandelt. Die so erzeugte Nadelimpulsfolge ist einer Leitung 98 zugeführt. Diese steht mit einer elektronischen Torschaltung 99 in Verbindung. Die Leitung 95 ist ihrerseits mit dem Eingang einer Impulsformerstufe 100 verbunden, die auf den Ausgang, das heisst auf eine Leitung 101, eine zu ihrer Eingangsspannung phasenstarre und gleichfrequente Nadelimpulsfolge liefert.
Das Tor 99 ist in eine Leitung 102, 103 eingeschaltet. Diese Leitung verbindet den Ausgang eines Oszillators 73'mit dem Eingang einer zweiten elektronischen Impulszählvorrichtung 104, die zur Anzeige des Feinmesswertes der Winkelstellung der Welle 70 dient. Das Tor 99 ist normalerweise wieder geschlossen. Es wird nach dem Auftreten eines Impulses am Ausgang der Quelle 85, der über eine Leitung 86'dem Tor 99 zugeführt ist, durch einen Impuls der Leitung 98 geöffnet, und zwar so lange, bis ein zeitlich darauffolgender Impuls der Leitung 101 das Tor 99 wieder schliesst. Auf diese Weise ist das Zählergebnis an der Zählvorrichtung 104 dem Feinmesswert (z. B. 0, 018 ) proportional.
In der Figur ist mit 200 noch eine Speichervorrichtung bezeichnet, an die das Zählergebnis beider Zählvorrichtungen nach Abschluss des Messvorganges zwecks späterer Auswertung des Messergebnisses übertragbar ist. Nach dem Ubertragungsvorgang steht die Zählvorrichtung zu einer erneuten Winkelstellungsmessung bereit.
ZurBeseitigung der eingangs angedeuteten Fehler am Wandler 72 ist die Ausgangsspannung des Oszillators 73', der mit dem Oszillator 73 identisch sein kann, mit dem Eingang einer Hilfswechselspannungs- quelle 110 verbunden. Die Hilfswechselspannungsquelle enthält zwei Frequenzteilerstufen 111 und 112, denen ausgangsseitig zwei zeitliche Harmonische ihrer Eingangsspannung entnehmbar sind.
Da die Ausgangsspannung des Wandlers 72 eine Frequenz von 1 kHz aufweist und in der Ausgangsspannung örtliche Harmonische der Ordnungszahlen/). = 3 und , = 5 enthalten sein sollen, sind die Frequenzteilerstufen 111 und 112 derart eingerichtet, dass an ihren Ausgängen jeweilsWechselspannungen zurVerfügung stehen, deren Frequenz nach (2a) und (3a) zu 2 kHz bzw. 4 kHz gewählt ist. Sie sind Vorrichtungen 113 und 114 zugeführt, die es gestatten, rückwirkungsfrei die Amplituden und Phasenwinkel der Ausgangsspannungen beider Frequenzteilerstufen einzustellen.
Am Ausgang beider Vorrichtungen werden die beiden Kompensationswechselspannungen addiert und einer Leitung 115 zugeführt. Die Leitung 115 steht mit dem Eingang der Impulsformerstufe 100 in Verbindung, so dass auf den Eingang dieser Nadelimpulsformerstufe neben der Ausgangsspannung des Wandlers 72 die beiden Kompensationswechselspannungen additiv einwirken.
Das angegebene Vorgehen ist selbstverständlich auch immer dann möglich, wenn mehr als zwei ört- liche Harmonische störend in der Wandlerausgangsspannung in Erscheinung treten. Die in der Figur dargestellten Mittel sind dann entsprechend zu vervielfachen. Zweckmässig ist die Anordnung so getroffen, dass die Frequenz des Oszillators 73'mit der des Oszillators 73 übereinstimmt, so dass die Amplituden und Phasenwinkel sowohl der Kompensationswechselspannung als auch der Ausgangsspannung des elektro-mechanischen Wandlers stets starr aneinander gebunden sind.
Statt die zeitlichen Oberwellen der Ausgangsspannung direkt zuzusetzen, könnte man im beschriebenen Ausführungsbeispiel vier jeweils um 90 versetzte Oberwellenspannungen den vier Speisewechselspannungen des Wandlers zusetzen. Zur Kompensation der Aten örtlichen Harmonischen der Ausgangswechselspannung des Wandlers ist jedoch dann die te zeitliche Harmonische erforderlich, da diese zeitliche Oberwelle der Grundschwingung die entsprechende örtliche Oberschwingung der Ausgangswechselspannung kompensiert. Diese Abwandlung der Einrichtung erfordert einen etwas grösseren Aufwand als das beschriebene Vorgehen.
Es hat jedoch den Vorteil, dass sich bei Anderung beispielsweise des Plattenabstandes des elektro-mechanischen Wandlers die Amplituden der Grundschwingung und der Oberschwingungen in der Ausgangsspannung des Wandlers gleichermassen verändern.
Das an Hand der Fig. 3 erläuterte Vorgehen, bei dem der Wandlerspeise-oder Wandlerausgangsspannung zeitliche Harmonische der Wandlerspeisespannung zugeführt sind, ist lediglich dann möglich, wenn in der Wandlerausgangsspannung Fourierkomponenten zu kompensieren sind, deren Ordnungszahl ein ganzzahliges Vielfaches der Apparatekonstanten n beträgt. Sind in der Wandlerausgangsspannung solche Fourierkomponenten nicht oder nicht allein enthalten, so führt dieses Vorgehen nicht zum erwünschten Ziel. Es lassen sich jedoch auch Fourierkomponenten durch Zusatz von Hilfswechselspannungen kompensieren, deren Ordnungszahl nicht ein ganzzahliges Vielfaches der Apparatekonstanten n beträgt.
Es wurde gefunden, dass zwecks Kompen- sation solcher Fourierkomponenten Hilfswechsel- spannungen benutzbar sind, deren Frequenz in einem rationalen Verhältnis zur Frequenz der Wandlerspeisespannung steht, wobei der Zeitpunkt der Auslösung der Winkelmessvorgänge geeignet zu wählen ist. Ein solches Ausfiihrungsbeispiel ist an Hand der Fig. 5, 6 und 7 beschrieben, wobei davon ausgegan- gen ist, dass es sich bei dieser Anordnung um eine solche handelt, die zur periodischen und absatzweisen Messung der Winkelstellung einer Welle dient.
Beim Ausführungsbeispiel dieser Figuren soll unterstellt sain, dass der zur Messung herangezogene Wandler in dieser Ausgangsspannung lediglich Fourierkomponenten enthält, deren Ordnungszahlen kein ganzzahliges Vielfaches der Apparatekonstanten n ist.
Zur Erläuterung des Kompensationsvorganges kann man sich die Gleichung (2) umgeschrieben denken in
EMI6.1
und addiert man zu U eine Kompensationsspannung der Form
EMI6.2
so verschwinden in der Summenspannung U + Uz zu allen Zeiten M'-+. wobei fo die Frequenz der periodischen Phasen winkelmessvorgänge und L eine beliebige ganze Zahl bezeichnen, alle Ausdrücke, in denen k # n ist, der Form
EMI6.3
Die Differenzen in (8) sind nämlich-wie man sich durch Einsetzen von (7) in (8) überzeugtimmer dann Null, wenn k-L- (o
M-./0 ist, worin m eine beliebige ganze Zahl bezeichnet.
Die Gleichung (9) geht durch Einsetzen von oi = 227f über in - f, L-k das heisst also, es lassen sich in (2) bei vorgegebener Wandlerspeisefrequenz f und bei vorgegebener Appa ratekonstante n alle örtlichen Oberwellen der Ordnungszahl k kompensieren, für die (10) bei jedem ganzzahligen Wert L ein passendes m (L) gibt. Setzt man speziell (11) m = h-L, wobei la eine beliebige positive ganze Zahl bezeichnet, so folgt aus (10) (12) k = h. nf.
Dies bedeutet: Sind fo und f unter Ber cksichti gung von n derart gewÏhlt, da¯ f/fo.n eine ganze ou Zahl ist, so folgt aus (12), dass jede örtliche Oberwelle der Ordnungszahl k (mit k = 1, 2, 3... und k # n) kompensierbar ist. Wählt man also z. B. für f"= 10 Hz, für n = 180 und f = 1800 Hz, so ist in (12) k = h, das heisst, es ist durch Zusatz einer Spannung der Form (6) mit k = 1, 2, 3... und k # n bei entsprechender Wahl bzw.
Einstellung der a, ; und % k der Kompensationsspannungen jeder beliebige Störanteil in (5) in dem Sinne kompensierbar, dass jeder Term der Form (8) unabhängig von jeweiligen Drehwinkel ç des Wandlerrotors im Augenblick der Phasenwinkelmessung den Momentanwert Null aufweist, wobei der Momentanwert der eigentlich interessierenden Messspannung A (cuf-n-Q'') gleichfalls Null ist.
Mit Einrichtungen dieser Art ist es also nicht m¯glich, zu jedem beliebigen Zeitpunkt eine fehlerfreie Phasenwinkelmessung durchzuführen. Vielmehr existieren-nach Art eines Schwebungsvorgangeslediglich gewisse Zeitpunkte, in denen dieses möglich ist. Diese Zeitpunkte werden durch die Wandlerspeisespannung und durch die Apparatekonstante n bestimmt. Selbstverständlich müssen dabei auch die Perioden der zu kompensierenden Fehler berücksich- tigt werden. Die Einschränkung der Möglichkeit der Phasenwinkelmessung auf bestimmte Zeitpunkte bedeutet jedoch praktisch keine Einschränkung der Brauchbarkeit der Einrichtung, da es im Falle einer periodischen Phasenwinkelmessung immer möglich sein wird, die einzelnen Messzeitpunkte entsprechend zu synchronisieren.
Anderseits ist mit solchen Einrichtungen selbstverständlich auch eine nichtperiodische Messung möglich, jedoch muss in diesem Falle für eine entsprechende Lage des Messzeitpunktes gesorgt sein.
In den Fig. 5, 6 und 7 ist eine einfache Einrichtung dieser Art schematisch dargestellt.
Es handelt sich dabei um eine Messeinrichtung an optischen Zielverfolgungsinstrumenten nach Art der bekannten Kinotheodolite, die dort z. B. zur Ermittlung der Winkelstellung einer Kinotheodolitachse anwendbar ist. Bei derartigen Geräten besteht ja bekanntlich das Bedürfnis, mit den photographischen Zielbildregistrierungen, die mittels einer Reihenbildkamera ausgeführt werden, gleichzeitig die Orientierung des Kameraobjektivs im Raum zu registrieren, weshalb jede Drehachse des Gerätes mit Mitteln zur Registrierung ihrer Winkelstellung zum Zeitpunkt der Zielbildaufnahme ausgestattet ist.
In Fig. 5 bezeichnet 1 eine Kinotheodolitachse.
Sie ist mit den Rotoren zweier elektro-mechanischer Wandler 2 und 3 gekuppelt. Beim Wandler 2 handelt es sich z. B. um eine induktive Vorrichtung nach Art der bekannten Drehmelder mit der Apparatekonstante n = 1. Der Wandler 2 ist beispielsweise nach Art der elektrostatischen Phasenschieber, z. B. der in der eingangs erwähnten deutschen Auslegeschrift beschriebenen Art, mit der Apparatekonstante n = 180 ausgebildet.
Der Wandler 2 erzeugt also ausgangsseitig eine Wechselspannung mit dem Phasenwinkel ?2 = (PI der Wandler 3 eine solche mit ?3 = 180 ?, so da¯ also eine Drehung der Achse 1 um 360 eine Phasenwinkeländerung an VJ2 von 2z und an 3 von 180mal 2n zur Folge hat, das heisst, einPhasenwinkelintervall von 2? ist an 3 einem Drehwinkel von 2 äquivalent und an AU2 dem Drehwinkel von 360 .
Mit 30 ist ein HF-Oszillator bezeichnet. Seine Ausgangsspannung ist über eine Leitung 4 einer Fre quenzteilerstufe 5 zugeführt, der an ihrem Ausgang eine Wechselspannung entnehmbar ist, die z. B. eine Frequenz von 400 Hz aufweist und als Speisespannung für den Wandler 2 dient. Die in einem Verstärker 6 verstärkte Ausgangsspannung des Wandlers 2 ist einer Leitung 6'zugeführt. Der Wandler weist keine oder nur unwesentliche periodische Phasenfehler auf. Die Spannung der Leitung 6'ist einer Impulsformerstufe 7 zugeführt. Diese erzeugt an ihrem, Ausgang auf einer Leitung 8 z. B. immer dann, wenn die Spannung der Leitung 6'einen Momentanwert von Null aufweist, einen Nadelimpuls.
Die Anordnung ist so getroffen, dal3 die Nadelimpulsfolge der Leitung 8 gleichfrequent zur Frequenz der Spannung der Leitung 6'ist.
Eine Eingangsspannung des Wandlers 2 ist über eine Leitung 9 einer Impulsformerstufe 10 zugeführt, die analog der Impulsformerstufe 7 ausgebildet ist.
Sie erzeugt auf einer Leitung 11 eine zur Eingangsspannung des Wandlers gleichfrequente Impulsfolge mit bezüglich der Wandlerausgangsspannung zeitlich konstanter Impulslage.
Die Impulsfolgen der Leitungen 8 und 11 sind einer elektronischen Torschaltung 12, die in eine Leitung 13, 13'eingeschaltet ist, zugef hrt. Das Tor 12 ist normalerweise geschlossen. Beim Auftreten eines Impulses auf einer Leitung 15 wird das Tor 12 aktiviert, das heisst, ein dem Aktivierungsimpuls folgender Impuls der Leitung 11 kann das Tor 12 (13) U,--) A-sin ( (ot-I 80-99) + a,,-sin (cot-15-gg-X,,,) aufweist, das heisst, es treten in (5) nur die örtlichen Harmonischen mit der Ordnungszahl k = 15 auf.
Eine solche örtliche Harmonische kann z. B. durch eine Exzentrizität zwischen dem Rotor und dem Stator des Wandlers herbeigeführt werden, so dass also am Phasenwinkel der Wandlerausgangsspannung ein periodischer Phasenfehler mit der Periode 360 /15 = 24 vorhanden ist.
Zur FestTegung der Frequenz der Kompensationsspannung für den Ausgangswandler mu¯ zunächst die Speisefrequenz für den Wandler festgelegt werden. Auf Grund seiner Konstruktion verlangt dieser kapazitive Phasenschieber 3 eine Speisefrequenz, die ungefähr 1 kHz beträgt. Seine Apparatekonstante beträgt n = 180, und es wird verlangt, dass die periodisch durchzuführende Winkelmessung mit einer öffnen. Bei geöffnetem Tor gelangen über die Leitung 13, 13'Impulse des Oszillators 30 in einen elektronischen Impulszähler 16. Der Leitung 4 ist eine Frequenzteilerstufe 14 nachgeschaltet, deren Ausgangsimpulse der Leitung 13 zugeführt sind.
Der auf den das Tor 12 öffnenden Impuls der Leitung 11 nachfolgende Impuls der Impulsfolge der Leitung 8 schliesst das Tor 12 wieder. Die während der Zählzeit Tt des Zählers 16 (vgl. Fig. 6, in der die Impulse der Leitung 8 mit U8 und die Impulse der Leitung 11 mit U,, bezeichnet sind) in den Impulszählor gelangte Impulsanzahl ist demzufolge dem zu messenden Phasenwinkel der Ausgangsspannung des Wandlers 2 proportional Die Anordnung ist so getroffen, dass die vom Zähler 16 angezeigte Impulsanzahl unmittelbar den vollen Winkelgraden der Winkelstellung der Achse 1 entspricht (z. B. 165 ).
Die Speisespannung für den Wandler 3 ist ebenfalls dem Oszillator 30 entnommen. Die Ausgangsspannung des Oszillators ist einer Frequenzteilerstufe 31 und einem Verstärker 32 zugef hrt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 32 gelangt in eine Phasenschiebervorrichtung 33, der-wie es die spezielle Konstruktion des Wandlers dieses Ausfüh- rungsbeispiels verlangt-vier Wechselspannungen entnehmbar sind, die jeweils um 90 gegeneinander phasenversclloben sind. Sie sind dem Wandler 3 ein gangsseitig zugeführt.
Der Einfachheit wegen soll für die Erläuterung dieses Ausführungsbeispiels angenommen sein, dass die Ausgangsspannung des Wandlers 3 die Form Frequenz/ == 10 Hz möglich ist, da die Reihenbildkamera des Kinotheodolits mit dieser Bildfolgefre quenz die zu verfolgenden Objekte photographisch registriert. Unter Beachtung dieser konstruktiven Forderungen ergibt sich mit k = 15 aus (12), dass die Speisespannung eine Frequenz von f = 1080 Hz aufweisen muss, da die Bedingung (12) mit h = 9 mit diesen Zahlenwerten erfüllt ist.
Die Frequenz der Zusatzkompensationsspannung bestimmt sich deshalb aus
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weshalb (15),==(1--)./=(1--)-1080Hz=990 Hz beträgt. Der Phasenwinkel und die Amplitude der Kompensationsspannung Uz muss gesondert aus der Fourieranalyse der Wandlerausgangsspannung bestimmt werden.
In der Anordnung nach Fig. 5 beträgt deshalb das TeilverhÏltnis der Frequenzteilerstufe 31 m'= 2000 und die Oszillatorfrequenz 2, 16 MHz, so dass dem Phasenschieber 33 eine 1080-Hz-Spannung zugeführt ist. Die 1080-Hz-Ausgangsspannung des Wandlers 3 ist einem Verstärker 34 zugeführt. Zur Herstellung der Kompensationsspannung ist die 1080-Hz-Wech selspannung am Ausgang der Teilerstufe 31 einer Teilerstufe 40 zugeführt, deren Ausgangsspannung eine Frequenz von 90 Hz aufweist. Die 90-Hz-Spannung ist einer Misch-und Filtervorrichtung 41 zugeführt, der gleichzeitig vom Ausgang des Verstär- kers 32 eine 1080-Hz-Spannung zugeführt ist.
Die Differenzfrequenz beider Spannungen ist am Ausgang der Filterungsvorrichtung 41 abgreifbar, so dass einer Vorrichtung 42 eine 990-Hz-Spannung zuführ- bar ist. Die Vorrichtung 42 dient zur Einstellung der Amplitude und des Phasenwinkels der 990-Hz-Span- nung. Die letztere ist einer Leitung 43 zugeführt und wird zu der Spannung einer Leitung 34', die die Ausgangsspannung eines Verstärkers 34 führt, mit negativem Vorzeichen addiert.
Die Summenspannung ist einer Impulsformerstufe 44 zugeführt, die jeweils z. B. beim Nulldurchgang der Summenspannung einen Nadelimpuls erzeugt.
Die resultierende gleichfrequente Nadelimpulsfolge ist einer Leitung 45 zugeführt.
Eine der Eingangsspannungen des Wandlers 3 ist über eine Leitung 47 einer der Impulsformer- stufe 44 analog aufgebauten Impulsformerstufe 48 zugeführt. Die durch sie erzeugte Nadelimpulsfolge gelangt über eine Leitung 49 zu einer elektronischen Torschaltung 46, der auch die Impulsfolge der Leitung 45 zugeführt ist. Ein Impuls der 1080-Hz-Nadelimpulsfolge der Leitung 49 dient für das normale- weise geschlossene Tor 46 als Startimpuls und öffnet dieses. Die Öffnung des Tores ist erst dann möglich, wenn auf der Leitung 15 ein Aktivierungsimpuls zum Tor 46 gelangt ist. Der dem Öffnungsvorgang nachfolgende Impuls der Leitung 45 dient als Stopimpuls und schliesst das Tor 46. Das Tor 46 ist in einer Leitung 50, 50'gelegen, die den Ausgang des Oszillators 30 mit dem Eingang eines zweiten elektronischen Impulszählers 51 verbindet.
Die zwischen einem Start-und einem Stopimpuls über das Tor 46 in den Zähler 51 gelangende Impulsanzahl ist dem Feinmesswert, das heisst der Phasenwinkeldifferenz der Wandlerausgangsspannung, bezogen auf eine seiner Eingangsspannungen, proportional. Die angezeigte Impulsanzahl entspricht den Bruchteilen eines Winkelgrades der Stellung der Achse 1 (z. B. 0, 067 ), wobei die Anordnung so getroffen ist, dass die höchste Binärstelle nicht mit angezeigt wird. Die Auslöse" bzw. Aktivierungsimpulse der Leitung 15 müssen phasenstarr zur Speisefrequenz des Wandlers 3 erzeugt sein. Sie sind deshalb ebenso wie die Speisespannungen dem Oszillator 30 entnommen.
Die 90 Hz-Ausgangsspannung des Teilers 40 ist einer Fre quenzteilerstufe 60 zugeführt, die auf die Leitung 15 eine 10-Hz-Impulsfolge liefert.
In der Fig. 7 sind die beschriebenen Verhältnisse noch einmal verdeutlicht. Im Impulsdiagramm dieser Figur ist mit U die Nadelimpulsfolge der Leitung 45, mit U49 die Nadelimpulsfolge der Leitung 49 und mit U15 die Nadelimpulsfolge bzw. Auslöseimpuls- folge der Leitung 15 bezeichnet. Die Auslöseimpulse der Leitung 15 wählen aus der Vielzahl der Messintervalle T bestimmte Intervalle T im Abstand tf, = lof,, aus, die lediglich zu Messzwecken herangezogen werden. Alle übrigen Messintervalle sind unbrauchbar, sofern sie nicht der Bedingung (12) genügen.
Es sei in diesem Zusammenhang noch bemerkt, dass mit der beschriebenen Anordnung unter Zugrundelegung der verwendeten Zahlen auch peri odische Messungen mit der Frequenz f} = 5 Hz durchführbar sind.
Im übrigen ist die bisher beschriebene Anordnung so getroffen, dass nach Beendigung der Zähl- vorgänge in den Zählern 16 und 51 deren Zähl- ergebnisse z. B. auf Magnetband, Lochkarten, durch Photographieren, durch Drucken oder dergleichen derart gespeichert werden, dal3 die einzelnen Mess- ergebnisse eindeutig den jeweils dazugehörigen Zielbildregistrierungen der Kinotheodolitreihenbildkamera zugeordnet werden können.
Praktisch kommt man meistens mit der Hinzu fügung einer einzigen Kompensationsspannung zur Wandlerausgangsspannung nicht aus, so dal3 die Einrichtung durch weitere Mittel der beschriebenen Art zwecks Erzeugung weiterer Kompensationsspannungen ergänzt werden muss. Es sei weiterhin bemerkt, dass es neben der beschriebenen Möglichkeit ebenso denkbar ist, die Kompensationsspannungen nicht der Wandlerausgangsspannung, sondern der Wandlerspeisespannung zuzuführen, was den Vorteil mit sich bringt, dass mechanische Instabilitäten am Wandler in gleicher Weise auf die Kompensationsspannungen und auf die Ausgangsspannung einwirken.
In jedem Falle ist es mit Einrichtungen der beschriebenen Art möglich, jede störende Nichtlinearität zwischen dem Rotordrehwinkel und dem Phasenwinkel der Wandlerausgangsspannung zu beseitigen. Dabei kommt es auf die spezielle Ausbildung der Wandler nicht an. Die Kompensation ist also insbesondere auch bei den zur Ermittlung der vollen Winkelgrade dienenden Wandlern möglich, die eine kleine Appa ratekonstante, z. B. von n = 2, aufweisen.
Es sei abschliessend noch bemerkt, dass das von zwei Impulsen begrenzte, aus der Wandlerausgangsspannung ableitbare, dem Phasenwinkel der Wandlerausgangsspannung entsprechende Mel3intervall nicht notwendig bei Einrichtungen nach der Erfindung ausgezählt werden muss. Vielmehr interessiert man sich z. B. für den Zahlenwert der Länge dieses Intervalls in Regelungs-oder Steuerungseinrichtun- gen, in denen dieses Zeitintervall z. B. einem Istwert einer Regelgrösse entspricht, nicht, sondern steuert beispielsweise mit den dazugehörigen Impulsen bistabile Schaltelemente oder dergleichen. Auch in solchen Fällen ist die Erfindung sinnvoll anwendbar.
Abschliessend soll auch bemerkt werden, dass die Erfilndung nicht nur bei solchen Einrichtungen anwendbar ist, bei denen elektro-mechanische Wandler kapazitiver Ausbildung beispielsweise der im Aus führungsbeispiel beschriebenen Natur eingesetzt sind.
Es sind daneben Wandler ähnlicher Funktion bekannt, deren Wirkungsweise auf induktiven Prinzipien beruht. Hierzu gehören beispielsweise auch die bekannten induktiven Drehmelder, die in Einrichtungen zur elektrischen Ferniibertragung der Winkelstellung einer Welle oder dergleichen Anwendung finden. Auf jeden Fall ist bei Einrichtungen nach der Erfindung der Vorzug gegeben, dass bereits weitgehend kompensierte Wandler, von denen sich nach träglich herausstellt, dass ihre Funktion noch nicht zufriedenstellt, auch in präzisen Winkelmess-oder Längenmessvorrichtungen eingesetzt werden können.