Verschiebungs-Messvorrichtung mit zwei relativ zueinander verschiebbaren Stücken
Die Erfindung betrifft eine Verschiebungs-Messvorrichtung mit zwei relativ zueinander verschiebbaren Stücken, wobei eine erste Leiteranordnung auf dem einen Stück angebracht ist.
Bekannte Messvorrichtungen dieser Art haben den Nachteil, nicht genügend genau zu sein. Zwecks Verbesserung der Messgenauigkeit zeichnet sich die Vorrichtung nach der Erfindung aus durch eine zweite Leiteranordnung, die auf dem anderen Stück zwecks Kopplung von Wechselspannungen an die Ausgangsklemmen angebracht ist, wobei die zweite Leiteranordnung so geformt ist, dass eine mindestens annähernd konstante Amplitudenkopplung in allen Relativlagen der Stücke auftritt, und dass die Phase der Kopplung der Verschiebung zwischen den Stük ken proportional ist.
Die Verschiebung der Stücke kann linear erfolgen oder durch eine Drehung hervorgerufen werden.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten beispielhaften Ausführungsformen näher beschrieben, und zwar sind
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die einen Rotor und einen Stator sowie ein Muster auf dem Rotor zeigt,
Fig. 2 eine vergrösserte Aufsicht auf das Muster des Rotors,
Fig. 3 eine vergrösserte Aufsicht auf ein Muster des Stators, das dem Muster des Rotors gegenüberliegt,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Stromversorgung und des Ausganges der verschiedenen Teile des Statormusters,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Phasenbeziehungen von vier elektrischen Eingangsspannungen eines Teiles des Stators,
Fig. 6 eine Darstellung der Beziehungen zwischen dem Rotor- und dem Statormuster für einen Teil des Umsetzers bei einer ausgewählten relativen Stellung,
Fig.
7 ein Vektordiagramm, das die Wirkung der vier elektrischen Eingangsspannungen auf die Phase der resultierenden Ausgangsspannungen eines Teiles des Umsetzers zeigt,
Fig. 8 ein Vektordiagramm, das die resultierende Phase der Ausgangsspannungen nach einer Bewegung des Rotors relativ zu dem Stator um 900 (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in Fig. 6 zeigt,
Fig. 9 ein Vektordiagramm, das die resultierende Phase der Ausgangsspannungen nach einer Bewegung des Rotors relativ zu dem Stator um 1800 (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in Fig. 6 zeigt,
Fig. 10 ein Vektordiagramm, das die Resultierende der Ausgangsspannungen nach einer Bewegung des Rotors relativ zu dem Stator um 2700 (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in Fig. 6 zeigt,
Fig.
11 eine graphische Darstellung der Phasenabhängigkeit für die zwei gesonderten Teile des Umsetzers während der Drehung des Rotors,
Fig. 12 ein Blockschaltbild für die Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen des'Umsetzers,
Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines Umsetzers für eine Umwandlung einer linearen mechanischen Verschiebung in elektrische phasenmodulierte Ausgangssignale,
Fig. 14 und 15 perspektivische Ansichten des feststehenden Steuerteiles und des bewegbaren Abtastteiles des Umsetzers der Fig. 13 und
Fig. 16 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Abtast- und dem Steuermuster für einen Teil des linearen Umsetzers an einer bestimmten Stelle.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 enthält die nachfolgend kurz Umsetzer genannte Messvorrichtung 20 einen Stator 21 und einen Rotor 22, von denen jeder aus einem Material, z. B. Glas oder Kunststoff, hergestellt werden kann, das seine Abmessungen bei einer weiten Änderung seiner Umgebungsbedingungen beibehält. Der Stator 22 ist an einer Stange 23 mittels eines Flansches 24 befestigt, der an der Rückseite des Stators mittels mehrerer Schrauben 25 angebracht ist. Die Stange 23 ist ebenfalls an einem feststehenden Ständer 26 befestigt, der mittels Bolzen 28 an einem Träger 27 angebracht ist.
Der Rotor 22 ist an der Welle 29 mittels eines Flansches befestigt, der dem Flansch 24 gleichartig ist.
Die Welle ist durch einen Lagerblock 30 geführt, der an einem Träger befestigt ist. Ein Muster 31 ist in einer dünnen Schicht leitfähigen Materials, z. B. Kupfer, an der Innenfläche 32 des Rotors und ein Muster 33 aus gleichartigem Material an der Innenseite 34 des Stators 21 angebracht. In Fig. 1 sind der Rotor und der Stator getrennt dargestellt. Nach dem Zusammenbau des Umsetzers stehen sich jedoch die Teile mit einem möglichst geringen Abstand gegenüber.
Das Muster 31 des Rotors enthält Metallringe 35 bis 39, die konzentrisch zum Mittelpunkt des Rotors angeordnet sind (Fig. 2). Eine Mehrzahl von in gleichem Abstand angeordneten radialen Stegen 40 gleicher Abmessung erstreckt sich zwischen den Ringen 35 und 36 und eine Mehrzahl von gleichförmigen Stegen 41 erstreckt sich in derselben radialen Richtung wie die Stege 40 zwischen den Ringen 36 und 37. Die Stege 40 begrenzen eine Mehrzahl von Öffnungen 42 gleicher Grösse wie die Stege, und in gleicher Weise begrenzen die Stege 41 eine Mehrzahl von Öffnungen 43 von derselben Grösse wie die Stege 41. Die Stege 40 und 41 und die Öffnungen 42 und 43 bilden den einen Teil des Rotormusters.
In gleichartiger Weise begrenzen radiale Stege 44 Öffnungen 45 von selber Abmessung wie die Stege 44 zwischen den Ringen 37 und 38, und gleichartige Stege 46 in Richtung der Stege 44 begrenzen Öffnun- gen 47 von derselben Grösse wie die Stege 46 zwischen den Ringen 38 und 39. Die Stege 44 und 46 und die Öffnungen 45 und 47 bilden den anderen Teil des Rotormusters. Um die Wirkung einer nonischen Teilung zu erhalten, ist die Zahl der Stege 40 und 41 etwas verschieden von der Zahl der Stege 44 und 46. Bei dem dargestellten Muster sind 200 Stege 40 und 41 und 198 Stege 44 und 46 vorgesehen.
Das Muster 33 des Stators 21 hat fünf leitfähige Ringe 48 bis 52, die konzentrisch zu dem Mittelpunkt des Stators angeordnet sind (Fig. 3 und 4). Jeder Ring ist vollständig von dem Rest des Musters durch kreisförmige Streifen 53 und 54 an gegenüberliegenden Seiten jedes Ringes isoliert. Die Streifen sind in Fig. 4 angegeben, erscheinen jedoch in Fig. 3 wegen ihrer geringen radialen Breite nur als Linien. Zwischen den Ringen 48 und 49 und von diesen durch die Streifen 53 und 54 isoliert, sind zwei leitfähige Elemente 55 und 56 angeordnet, die voneinander durch einen Streifen 57 isoliert sind, der annähernd Sinusform hat und sich vollständig um das Muster 33 herum erstreckt. Gleichermassen sind Elemente 58 und 59 zwischen den Ringen 49 und 50 angeordnet und voneinander durch den Streifen 60 und von den Ringen durch die Streifen 53 und 54 isoliert.
Der Streifen 60 hat dieselbe Form wie der Streifen 57 und enthält dieselbe Zahl von Sinusschwingungen, jedoch sind diese um 90C - bezogen auf eine einzelne Schwingung - gegenüber denjenigen des Streifens 57 in Umfangsrichtung verschoben.
Die leitfähigen Elemente 55, 56, 58 und 59 bilden einen ersten Teil des Statormusters. Für die Zwecke der Beschreibung wird weiterhin die eine ganze einzelne Sinusschwingung des Streifens 57 oder 60 mit 360C (elektrisch) bezeichnet zur Unterscheidung von den Graden der mechanischen Drehung des Rotors.
Gleichermassen sind leitfähige Elemente 61 und 62 zwischen Ringen 50 und 51 angeordnet und durch isolierende sinusförmige Streifen 63 getrennt, während leitfähige Elemente 64 und 65 zwischen Ringen 50 und 51 angeordnet und durch einen sinusförmigen Streifen 66 getrennt sind. Jedes Element ist ebenso von dem anliegenden Ring entweder durch den Strei- fen 53 und 54 isoliert. Die Streifen 63 und 66 haben dieselbe Form und enthalten dieselbe Zahl von Sinusschwingungen, jedoch sind die Schwingungen um 90 (elektrisch) ausser Phase. Ein zweiter Teil des Statormusters enthält die erwähnten, leitfähigen Elemente 61, 62, 64 und 65. Die Streifen 57, 60, 63 und 66 sind in Fig. 4 dargestellt, jedoch in Fig. 3 wegen ihrer geringen radialen Breite nur als Linien zu sehen.
Wie ersichtlich, stehen die Stege 40, 41, 44 und 46 direkt den Streifen 57, 60, 63 und 66 gegenüber, wenn die zwei Muster einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Umfangsbreite jedes Steges und jeder anliegenden Öffnung in dem Rotormuster stimmt derart mit der gegenüberliegenden Sinusschwingung des Statormusters überein, dass je ein Steg und eine Öffnung einer Sinusschwingung gegenüberliegen. Die Streifen 57 und 60 enthalten somit 200 volle Sinusschwingungen und die Streifen 63 und 64 enthalten 198 volle Sinusschwingungen.
Die leitfähigen Elemente 55 bis 65 sind mit den einzelnen Leiterstegen des Rotors kapazitiv gekoppelt. Die Fläche jedes einzelnen Leiterelementes des Steuermusters ändert sich unter einem gegebenen Kopplerleitersteg sinusförmig mit der Verschiebung und erzeugt damit, wenigstens in erster Annäherung, eine sinusförmige Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von der Verschiebung. Die sinusförmigen Elemente 55, 56, 58 und 59 werden mit einer Bezugs trägerspannung von 30 kHz gespeist. Die sinusförmigen Muster 61, 62, 64 und 65 werden mit einer Bezugsträgerspannung von 30 kHz gespeist. Der Umsetzer ist in seinen Arbeitsbedingungen abhängig von der richtigen Anordnung der Elemente des elektrischen Feldes.
Elektrostatische Kopplungen von den unter Spannung stehenden sinusförmigen Mustern zu den Ausgangsleitern 48 bis 52 werden mittels der Leiterstege 40 und 46 des Rotors erreicht.
Die Verwendung eines 20 kHz- und eines 30 kHz-Bezugsträgers erlaubt, dass die zwei Ausgangssignale linear gemischt werden, und führt zu einem zusammengesetzten Ausgangssignal, das in einfacher Weise durch eine einzelne Kanalverbindung zu einem angeschlossenen Anzeige- oder Auswertungsapparat übertragen werden kann. Das zusammengesetzte Signal kann mittels bekannter selektiver Filterschaltungen an einem geeigneten Punkt in dem Auswertungsapparat getrennt werden.
Die elektrische Eingangs schaltung für das Statormuster ist in Fig. 4 dargestellt. Anschlussklemmen A und B eines Übertragers 67 sind mit einer Hochfrequenzquelle (von z. B. 20 kHz) verbunden. Die Ausgangsspannung des Übertragers liegt an Anschlussklemmen 68 und 69 der leitfähigen Elemente 55 und 56. Gleichermassen erzeugt die Hochfrequenz an den Klemmen C und D eines Übertragers 70 eine Spannung an den leitfähigen Elementen 58 und 59 (Klemmen 71 und 72). Die Eingangsspannungen an den Klemmen A und B und an den Klemmen C und D haben dieselbe Amplitude und Frequenz, jedoch sind sie um 90" (elektrisch) phasenverschoben.
Die Kurven 55', 56', 58' und 50' der Fig. 5 zeigen die Ein gangsspannungen an den leitfähigen Elementen 55, 56, 58 und 59 und die Phasenbeziehungen, die zwischen diesen Elementen bestehen. Die Phase an den Elementen 58, 56 und 59 eilt der Phase an dem Element 55 um 90, 180 und 270 (elektrisch) nach. Als Bezugspotential dient das Potential der Mittelpunkte der Sekundärwicklungen der Übertrager 67, 70, 73, 76, die in nicht dargestellter Weise miteinander verbunden und z. B. geerdet sind.
Von den Anschlussklemmen E und F eines Übertragers 73 gelangt Hochfrequenz (z. B. von 30 kHz) zu den Klemmen 74 und 75 der leitfähigen Elemente 61 und 62, und von den Anschiussklemmen G und H eines Übertragers 76 zu den Klemmen 77 und 78 der leitfähigen Elemente 64 und 65. Die Eingangsspannungen an den Klemmen E und F und den Klemmen G und H haben dieselbe Amplitude und Frequenz, je doch sind sie um 90" (elektrisch) phasenverschoben.
Daher entspricht die Phasenbeziehung zwischen den Eingangsspannungen der leitfähigen Elemente 61, 62, 64 und 65 der in Fig. 5 dargestellten Form. Die Phase an den Elementen 64, 62 und 65 eilt der Phase an dem Element 61 um 90, 180 und 270 nach. Der Ausgang des Umsetzers besteht aus der einzelnen Klemme 1, die über die Leitungen 79 bis 83 mit den Ringen 48 bis 52 verbunden ist. Im Betrieb des Umsetzers sind die leitfähigen Elemente des Statormusters kapazitiv mit den ihnen gegenüberliegenden Stegen des Rotormusters gekoppelt, und die Ringe 35 bis 39 des Rotormusters sind kapazitiv mit den Ausgangsringen 48 bis 52 des Statormusters gekoppelt, da diese Ringe einander gegenüberliegen.
Dadurch können die Leitungen 79 bis 83 nur dann alle zusammengeschaltet werden, wenn die Eingangsfrequenz an den Klemmen A, B und C, D von der Eingangsfrequenz an den Klemmen E, F und G, H verschieden ist. Für die Zwecke der Beschreibung sind als Frequenz an den Eingangsklemmen A, B und C, D 20 kElz und an den Klemmen E, F und G, H 30 kHz angenommen. Für den Fall jedoch, dass die Eingangsspannungen gleiche Frequenz haben, ist es erforderlich, getrennte Schaltungen für die Ringe 48 bis 50 und für die Ringe 50 bis 52 vorzusehen. Die sinusförmigen Än- derungen der Kapazität jedes Paares von Leitern addieren sich bei der relativen Verschiebung, während der Zeitpunkt, zu dem die Kopplung stattfindet, von der räumlichen Verschiebung abhängt.
Auf diese Weise kann die Amplitudenmodulation des Ausgangssignal, die auf der Leitung I auftritt, vernachlässigbar klein gemacht werden.
In Fig. 6 ist die Beziehung zwischen den Stegen und Ringen des Rotormusters zu den leitfähigen Elementen und Ringen des Statormusters vergrössert dargestellt, wobei das Statormuster in vollen und das Rotormuster in gestrichelten Linien wiedergegeben ist. Nur die sinusförmigen Streifen 57 und 60 und die diesen zugeordneten leitfähigen Elemente sind dargestellt, da diese Elemente zusammenwirken, um ein Signal zu erzeugen, dessen Phase sich relativ zu der Phase des Bezugssignals bei der Bewegung des Rotors ändert. Die in Fig. 6 nicht dargestellten Elemente des Umsetzers erzeugen ein zweites Phasensignal auf dieselbe Weise, wie nachfolgend für die dargestellten Elemente beschrieben wird. Die Eingangs- spannung jedes der leitfähigen Elemente 55, 56, 58 und 59 kann als Phasenbezug verwendet werden.
Für die Zwecke der Beschreibung wird die Eingangsspannung des Elementes 59 als Bezug gewählt. Eine Sinusschwingung auf dem Streifen 57 oder 60 entspricht 360" (elektrisch).
Wie aus Fig. 6 zu entnehmen ist, eilt die Sinusschwingung des isolierenden Streifens 57 der Sinusschwingung des Streifens 60 um 900 voraus, und die Stege 40 und 41 des Rotormusters liegen um 1800 verschoben zu den beiden Streifen. Die Stege 40 sind kapazitiv mit den ihnen gegenüberliegenden Flächen der leitfähigen Elemente 55 und 56 beiderseits des Streifens 57 gekoppelt. In der Stellung der Fig. 6 sind die gekoppelten Flächen der Elemente 55 und 56 einander gleich. Ebenso sind die Stege 41 kapazitiv mit den ihnen gegenüberliegenden flächen der leitfähigen Elemente 58 und 59 beiderseits des Streifens 60 gekoppelt. In der Stellung der Fig. 6 ist die kapazi tiv wirksame Fläche des Elementes 59 grösser als die Fläche des Elementes 58.
Die zusammengesetzte Wirkung der vier Flächen ist durch das Vektordiagramm der Fig. 7 dargestellt, in dem momentane Spannungsvektoren dargestellt und mit den Bezugszahlen der entsprechenden leitfähigen Elemente bezeichnet sind.
Die Eingangsspannungen der Elemente 55 und 56 sind um 1800 (elektrisch) gegeneinander phasenverschoben, und da die Flächen dieser Elemente, die den Stegen 40 gegenüberliegen, gleich sind, löschen die an die Stege 40 angekoppelten Signale einander aus.
Ebenfalls sind die Eingangsspannungen der Elemente 58 und 59 um 1800 phasenverschoben, aber da die Flächen dieser Elemente, die den Stegen 41 gegen überliegen, ungleich sind, ist das Ausgangssignal an den Stegen 41 ungleich. Das resultierende Ausgangs signal 84, das an die Stege 40 und 41 gekoppelt wird, wird durch die Ringe 35 bis 37 des Rotormusters kapazitiv auf die Ringe 48 bis 50 des Statormusters übertragen. Die Ringe 48 bis 50 sind wiederum mit der Ausgangsklemme I durch die Leitungen 79 bis 81 verbunden (Fig. 4).
Nachdem der Rotor 22 um 90 (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in Fig. 6 gedreht ist, werden die Flächen der Elemente 55 und 56, die den Stegen 40 gegenüberliegen, ungleich, wobei die Fläche des Elementes 55 die grössere ist, und die Flächen der Elemente 58 und 59, die den Stegen 41 gegenüberliegen, werden gleich. Die kapazitive Wirkung dieser Flächen bewirkt einen Spannungsvektor 85 (Fig. 8), der zeigt, dass die Phase des Ausgangssignals an der Klemme I um 90 relativ zu der Phase des Bezugssignals verschoben worden ist.
Eine weitere 900 (elektrisch)-Drehung des Rotors (somit zusammen 1800) führt zu gleichen Flächen der Elemente 55 und 60 und zu einer grösseren Fläche des Elementes 48 als die Fläche des Elementes 59, so dass der Vektor 86 (Fig. 9) das Ausgangssignal wiedergibt, das um 1800 in der Phase zu dem Bezugssignal verschoben ist.
Eine weitere 900 (elektrisch)-Drehung des Rotors (insgesamt 270 ) führt zu gleichen Flächen der Elemente 58 und 59 und zu einer grösseren Fläche des Elementes 56 als die Fläche des Elementes 55, so dass der Vektor 87 (Fig. 10) das Ausgangssignal darstellt, das zu dem Bezugssignal um 2700 phasenverschoben ist. Nach einer 360 -Drehung stellt wiederum der Vektor 84 das Ausgangssignal dar, das mit dem Bezugssignal in Phase ist. Der Vektor für das Ausgangs signal ändert sich kontinuierlich in der Richtung während der Drehung des Rotors, wie es durch die Vektordiagramme Fig. 7 bis 10 für die vier ausgewählten Stellungen zwischen Rotor und Stator dargestellt ist. Die Phase des Ausgangssignals wird um 360 während der 360 (elektrisch)-Bewegung zwischen dem Rotor und dem Stator verschoben.
Dabei bleibt die Frequenz des Ausgangssignals dieselbe wie für die vier Eingangssignale, welche mit 20 kllz angegeben wurde. Gleichermassen ergibt sich ein zweites Ausgangssignal in wechselnder Phase aus der Kopplung der Flächen der Elemente 61 und 62 mit den ihnen gegenüberliegenden Stegen 44 des Rotors und aus der Kopplung der Flächen der Elemente 64 und 65 mit den ihnen zugeordneten Stegen 46 des Rotors. Dieses zweite Ausgangssignal wird der Ausgangsklemme I über die Leitungen 81 bis 83 zugeführt und hat dieselbe Frequenz wie die Eingangs signale der Elemente 61, 62, 64 und 65, nämlich 30 kHz. Die Phase des zweiten Ausgangssignales wird sich relativ zu der Phase des Bezugssignales um 3600 (elektrisch) während der Bewegung von 360 (elektrisch) der sinusförmigen Trennstreifen 63 und 66 des Rotors ändern.
Das Ausgangssignal das von den Elementen 55, 56, 58 und 59, welche durch die Streifen 57 bzw. 60, die 200 Wellen aufweisen, voneinander getrennt sind, auf die 200 Stege 40, bzw. 41 übertragen wird, erfährt bei einer Drehung des Rotors um 360 (mechanisch) 200-mal eine Phasenverschiebung von 360 (elektrisch). Das Ausgangssignal, das von den durch die 198 Wellen aufweisenden Streifen 63 bzw. 66 voneinander getrennten Elementen 61, 62, 64, 65 auf die 198 Stege 44 bzw. 46 übertragen wird, erfährt dagegen bei einer Drehung des Rotors um 360 (mechanisch) nur 198-mal eine Phasenverschiebung von 3600 (elektrisch).
Diese beiden Ausgangssignale sind wegen des 1 % betragenden Unterschiedes der Wellenzahlen der Streifen 57 und 58 , bzw. 63 und 66 voneinander verschieden, wobei der Unterschied von der Winkellage des Rotors abhängt.
In Fig. 11 zeigt die Linie J die Phasenverschiebung des gemeinsamen Ausgangssignals, das von den Elementen 55, 56, 58 und 59 erhalten wird, in Abhängigkeit von der mechanischen Verschiebung. Die Linie K zeigt dagegen die Phasenverschiebung des gemeinsamen Ausgangssignals, das von den Elementen 61, 62 und 64 und 65 erhalten wird, in Abhängigkeit von der mechanischen Verschiebung. Eine elektrische Phasenverschiebung von 360 , die durch den Punkt L auf der Linie J dargestellt ist, ergibt sich aus 360 einer mechanischen Drehung des Rotors von = 200 1,8 mechanischen Graden, während dieselbe elektri- sche Phasenverschiebung, wie sie durch den Punkt M auf der Linie K dargestellt ist, aus einer Drehung des
360 Rotors von 1982 also ungefähr 1,82 mechanischen Graden resultiert.
Während der Rotordrehung vergrössert sich somit der vertikale Abstand zwischen den Linien J und K kontinuierlich, so dass die Phasendifferenz zwischen den Ausgangsspannungen der Elemente 55, 56, 58, 59 und der Elemente 61, 62, 64 und 65 kontinuierlich ansteigt. Nach einer mechanischen Drehung des Rotors von 1800 wird die Phasendifferenz 360 (elektrisch), und für jede vollständige mechanische Drehung des Rotors von 360 gehen die beiden Ausgangsspannungen durch zwei Umläufe der Phasenänderung, entsprechend 702 (elektrisch).
Wenn man die Phase des durch die Linie J darge- stellten Signals in bezug auf eine Bezugsfrequenz von 20 kHz misst, so erhält man ein sehr genaues Mass der Winkelverschiebung innerhalb jedes Winkelbereiches von 0-1,80, bzw. 1,8" bis 3,60 usw. Man weiss aber dann nicht ohne weiteres, in welchem Winkelbereich der gesuchte Messwert liegt, d. h. dieses Feinsignal ist mehrdeutig. Es ist daher nötig, ausser dem Feinsignal noch ein Grobsignal abzuleiten, das den Winkelbereich bestimmt. Hierzu wird das durch die Linie K dargestellte Signal benützt, wie nachfolgend anhand von Fig. 12 erläutert wird.
In Fig. 12 ist eine Schaltung gezeigt, durch die das Grobsignal von den zwei Ausgangsspannungen des Umsetzers erhalten werden kann. Das zusammengesetzte Signal, das die phasenverschobenen Ausgangssignale beider Teile des Umsetzers enthält, wird über eine an die Klemme I (Fig. 4) angeschlossene Leitung 88 dem selektiven Filter 89 zugeführt. Dieses Filter enthält selektive L-C-Kreise, die die phasenverschobenen Ausgangssignale trennen und auf gesonderten Leitungen 90 und 91 abführen. Das 20 kHz-Signal auf der Leitung 90 stellt 100 zyklische Phasenumläufe für je 1800 Winkeldrehung der Welle des Umsetzers dar, während das 30 kHz-Signal auf der Leitung 91 für jede halbe Umdrehung der Eingangswelle 99 zyklische Phasenumläufe darstellt.
Das Signal auf der Leitung 91 wird in der Schaltung 92 mit einem 50-kHz-Bezugsträger gemischt, der über eine Leitung 92' zugeführt wird. Dadurch wird auf der Leitung 93 eine Ausgangsspannung erzeugt, die dieselbe Frequenz hat wie die Ausgangsspannung des Filters 89 auf der Leitung 90, nämlich 20 kHz. Die beiden Leitungen 90 und 93 übertragen die beiden Signale auf den Phasendetektor 94. Der Phasendetektor erzeugt zwei um 90" phasenverschobene Gegentaktspannungen, deren relative Grösse jederzeit proportional der Phasenbeziehung zwischen den zugeführten 20 kHz-Eingangssignalen ist.
Da das auf der Leitung 93 erscheinende Mischsignal als Bezugsträger für den Nachrichtenträger auf der Leitung 90 dient, ruft die Phasenbeziehung nur eine zyklische Änderung der um 900 phasenverschobenen Signale auf der Leitung 95 für je 180 Grad Umdrehung der Eingangswelle des Umsetzers hervor. Wenn der feststehende 20 kHz-Bezugsträger (der auch den Klemmen A, B und C, D zugeführt wird) statt dem Mischer 92 direkt auf die Leitung 93 gegeben wird, dann ändern sich die um 900 phasenverschobenen Spannungen auf der Leitung 95 zyklisch 100-mal für je 1800 Umdrehung der Umsetzereingangswelle und ergeben somit das Feinsignal (nicht dargestellt).
Die Differenz zwischen der Zahl der Musterelemente auf den zwei Teilen des Umsetzers kann von der in der Ausführungsform beschriebenen Zahl abweichen, in welchem Falle das Grob-Ausgangssignal eine entsprechende Anderung in der zahlenmässigen Beziehung zu dem Fein-Eingangssignal haben würde.
Obwohl bei dem nachfolgend anhand von Fig. 13-16 beschriebenen Umsetzer eine lineare Verschiebung stattfindet, kann selbstverständlich dessen induktiver Aufbau auch auf eine Ausführungsform mit Winkelverschiebung angewendet werden, ebenso wie der vorstehend beschriebene kapazitive Umsetzer für die Messung einer linearen Verschiebung abgeändert werden kann. Die Grundelemente der Ausführungsform nach Fig. 13 bestehen aus zwei Leitermustern. Die Kopplung zwischen dem relativ bewegbaren Element 102 und dem feststehenden Element 101 erfolgt bei dieser Ausführungsform elektromagnetisch. Das Abtastmuster enthält eine tÇbertra- gungsleitung 103, die in der in Fig. 14 dargestellten Weise zusammengeschaltet und aufgebaut ist, um eine phasenverschobene Trägerschwingung zu erzeugen, deren Verschiebung eine Funktion der (räumlichen) Eingangsverschiebung ist.
Dabei ist eine Stromversorgung vorgesehen, die in ihrer Wirkungsweise von der geeigneten Verteilung ihrer Grundflussverkettung abhängt.
In Fig. 14 ist das Steuerelement allgemein mit 104 bezeichnet, und dieses enthält eine Mehrzahl von parallelen, in einer Ebene angeordneten Leiterelementen 103, die sich zurück und nach vorne in einer Zick-zacklinie längs einer nicht leitenden Grundplatte 105 erstrecken und zur Bildung eines Serienkreises verbunden sind. Es sind 100 Leiterelemente bei dieser speziellen Ausführungsform für die Beschreibung ausgewählt, die somit 50 Polpaare bzw.
Paare nebeneinanderliegender Leiter enthalten, durch die der Stromlluss entgegengesetzt gerichtet ist.
Die gesamten Abmessungen des Steuerelementes und die Abmessungen seiner Teile können über einen weiten Bereich variieren, abhängig von der speziellen Anwendung, für die der Umsetzer bestimmt ist, und ebenfalls abhängig von der gewünschten Arbeitsweise für die spezielle Anwendung. Der Steuerkreis, der für die Zwecke der Darstellung gezeigt ist, kann etwa 13 cm lang sein. Das Wellenmuster der Leiterelemente hat eine Weite von Spitze zu Spitze von etwa 5 cm.
Die Breite eines Leiters beträgt etwa 0,065 cm und der Abstand zwischen den Leitern beträgt ebenfalls etwa 0,065 cm. An den Spitzen der Leiterelemente 103 bilden Leiterstreifen 106 eine Serienverbindung zwischen den Elementen. Die Breite dieser Streifen kann geändert werden, um eine kapazitive Kompensation für Signaländerungen längs der Länge des Steuerelementes zu erzeugen, falls solch eine Korrektur während der Eichung oder im Betrieb notwendig sein sollte. Die Steuer- und Abtastelemente können mit einer geeigneten Befestigungsanordnung versehen sein, die eine lineare Bewegung der Elemente zueinander ermöglicht. Eine solche Befestigung ist in Fig. 13 gezeigt, bei der das Steuerelement 101 oberhalb einer Grundplatte 107 mittels Füssen 108 fest gelagert ist, von denen je einer an jeder der vier Ecken des Steuerelementes angeordnet ist.
Abtastelemente 109 nach der in Fig. 15 dargestellten Art sind für eine lineare Bewegung oberhalb des Steuerelementes und parallel zu diesem mittels zweier Schlitten 110 befestigt, an denen die Befestigungsplatte 112 der Abtastelemente angebracht ist und die auf zwei Führungsstangen 111 gleiten. Die Stangen 111 können durch geeignete Mittel, so z. B. durch Pfosten 112 und Querplatten 113, fest gelagert sein. Eine Schubstange 114 dient zum Verbinden des Abtastelementes 109 mit dem Objekt, dessen Bewegung gemessen werden soll. Die Schubstange kann gleitbar in einer Isolierbüchse 115 in einer der Querplatten 113 gelagert sein. Die Schubstange und die Büchse 115 können auch zueinander schraubend bewegt werden.
In diesem Falle sind drehende Kupplungen 116 vorgesehen, um eine freie Drehung der Schubstange in bezug auf das Abtastelement zuzulassen. Dadurch kann der Umsetzer für die Messung entweder einer linearen oder einer Winkelverschiebung verwendet werden, je nachdem ob die Schubstange 114 eine gleitende oder eine drehende Bewegung innerhalb der Büchse 115 ausführt.
Wie aus Fig. 13 zu ersehen ist, können Verbindungssätze 117 mit der Befestigungsplatte 102 des Abtastelementes so verbunden sein, dass sie die Verbindung zu den Ausgangsleitungen 118 des Abtastelementes herstellen. Obwohl in dem gewählten Beispiel der Umsetzer mit einem feststehenden Steuerelement und einem beweglichen Abtastelement ausgebildet ist, kann der Umsetzer natürlich auch mit einem bewegbaren Steuerelement und einem feststehenden Abtastelement ausgebildet sein.
Verschiedene Ausführungsformen des Abtastele mentes mit unterschiedlicher Ausbildung und einem weiten Bereich der Aussenabmessungen können gewählt werden. Das Abtastelement, wie es in Fig. 15 beispielsweise dargestellt und mit der Bezugszahl 109 versehen ist, kann aus zwei Schaltungen 119 und 120 bestehen, von denen jede eine Mehrzahl in Serie geschalteter Leiterelemente 121 und 122 enthält, die so im Winkel zueinander angeordnet sind, dass sie eine Mehrzahl von Zick-zackleitwegen 123, 124, 125 bilden, die im wesentlichen parallel und räumlich in Phase zueinander liegen. die Leitwege können elektrisch durch Leiterstreifen 126 und 127 parallel geschaltet sein. In der speziellen Ausführungsform bildet jeder Leitweg 123, 124, und 125 eine dreieckförmige Welle.
Es werden zwei identische Schaltungen verwendet, die im wesentlichen parallel liegen und in der Phase um <RTI ID
Dadurch wird sichergestellt, dass die verteilte Kapazität zwischen dem Abtast- und dem Steuerelement mit der Bewegung des Steuerlementes im wesentlichen konstant bleibt. Die Amplitude des Ausgangssignals wird dann im wesentlichen konstant, und die Ausgangsnachricht befindet sich vollständig innerhalb des Phasenbereiches.
Wie vorstehend bemerkt, ist es wünschenswert, stehende Wellen zu vermeiden, da diese zu systematischen Fehlern in der Anzeige beitragen. Eine Verringerung von stehenden Wellen wird dadurch erreicht, dass eine abgestimmte R-C-Schaltung längs des Steuerelementes verwendet wird.
Da eine grosse Blindkomponente im Wellenwiderstand Frequenzfehler hervorrufen kann, ist die Auswahl geeigneter Materialien, insbesondere Dielektrika, und der Abmessungen und der Form der Teile des Gerätes sehr wichtig. Ebenfalls muss die Auswahl der Materialien in bezug auf den Einfluss der Dämpfung, der Temperaturabhängigkeiten und der Ausbreitungsgeschwindigkeit vorgenommen werden.
Da das Trägersignal für die Versorgung des Umsetzers so gewählt wird, dass es eine Wellenlänge hat, die gleich der Länge des Abtastelementes oder eines Bruchteiles davon ist, kann eine Kapazitätssonde verwendet werden, um ein Signal von den Endstreifen 106 des Leitermusters 103 einzuführen, das eine grobe Phasenverschiebung anzeigt, um eine Vieldeutigkeit in der Ablesung der feinen Phasenverschiebung, die über jedem Paar der parallelen Elemente des Leiters 103 erhalten wird, zu verhindern. Die Sonde kann an dem bewegbaren Element 102 so befestigt werden, dass sie nur auf die Endstreifen 106 einkoppelt.