Anordnung zur galvanisch getrennten, kontaktlosen Messung des absoluten Wertes von
Impedanzen
Galvanisch getrennte, kontaktlose Messung von Impedanzen ist erforderlich, wenn zwischen der zu messenden Impedanz und dem Messstromkreis eine direkte galvanische Verbindung ausgeschlossen ist.
Es sind Messmethoden bekannt, bei denen die zu messende Impedanz über einen Isoliertransformator am Messstromkreis angeschlossen ist. Die Impedanzmessung erfolgt bei diesen Anordnungen entweder durch Stromund Spannungsmessung oder durch Kompensation in Brückenschaltung. Für die Messung ist eine Wechselstromquelle oder ein an einer Gleichstromquelle angeschlossener Wechselrichter erforderlich.
Wenn die zu messende Impedanz auf einem relativ zur Messeinrichtung bewegten Objekt angebracht ist, wäre eine Impedanzmessung über Schleifkontakte nachteilig, weil der Übergangswiderstand der Schleifstelle stark von der Verschmutzung abhängt. Für solche Fälle ist eine galvanisch getrennte, kontaktlose Messung besonders vorteilhaft.
Für die kontaktlose Übertragung der Impedanzmesswerte von bewegten Objekten aus sind Anordnungen bekannt, bei denen die Messwerte den auf dem bewegten Objekt erzeugten Hochfrequenz-oder Tonfrequenzsignalen überlagert und durch eine stillstehende Messeinrichtung empfangen, demoduliert und ausgewertet werden. Dabei ist es jedoch nachteilig, dass auf dem bewegten Teil ein Hoch- oder Tonfrequenzsender mit Stromquelle angebracht werden muss, der die Messung aufwendig und kompliziert gestaltet.
Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile; ihr Gegenstand ist eine Anordnung zur galvanisch getrennten, kontaktlosen Messung des absoluten Wertes von Impedanzen, mit einer zwei Wicklungen eines Rückkopplungstransformators enthaltenden Oszillatorstufe und einer Stromquelle, wobei der Rückkopplungstransformator eine dritte Wicklung aufweist, welche durch die zu messende Impedanz abgeschlossen ist.
Um die auf einem bewegten Objekt angebrachte Impedanz messen zu können, kann die dritte Wicklung des Rückkopplungstransformators so geformt und relativ zu den beiden anderen Wicklungen des Rückkopplungstransformators nur so beweglich sein, dass die magnetischen Flussverkettungen im Rückkopplungstransformator unverändert bleiben.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in den vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in der verringerten Störanfälligkeit und hohen Wirtschaftlichkeit.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen und Beispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt das Schaltschema einer galvanisch getrennten, kontaktlosen Impedanzmessanordnung.
Fig. 2 und 3 zeigen zwei verschiedene Impedanzarten, die an der dritten Wicklung des Rückkopplungstransformators wahlweise angeschlossen werden können.
Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsformen des Rückkopplungstransformators, bei welchen die dritte Wicklung auf einer drehenden Welle sitzt.
Fig. 6 zeigt eine analoge Anwendung bei translatorischer Bewegung.
Die Messeinrichtung nach Fig. 1 besteht aus einer Oszillatorstufe 1, welche einen Rückkopplungstransformator 2 enthält, und aus einer Demodulatorstufe 3 nebst einer Stromquelle 4. Die zu messende Impedanz 5 ist an der dritten Wicklung 6 des Rückkopplungstransformators 2 angeschlossen.
Der frequenzbestimmende Schwingkreis der Oszillatorstufe 1 besteht aus dem Kondensator 7 und der Wicklung 8. Die Widerstände 9 und 10 bilden zusammen den Basisspannungsteiler. In der Basiszuleitung des Transistors 11 ist die Rückkopplungswicklung 12 eingeschaltet. Durch die Rückkopplungswicklung 12 erhält der Transistor 11 in jeder Periode einen Öffnungsimpuls. Durch das periodische Öffnen des Transistors 11 wird der Schwingkreis in jeder Periode angestossen, und es entsteht dadurch eine ungedämpfte Schwingung im Schwingkreis. Die mit der zu messenden Impedanz 5 abgeschlossene dritte Wicklung 6 des Rück kopplungstransformators 2 beeinflusst den Kopplungsfaktor zwischen den Wicklungen 8 und 12. Bei kurzgeschlossener dritter Wicklung 6 kann keine ungedämpfte Schwingung mehr im Schwingkreis auftreten, weil die Spulen 8 und 12 entkoppelt sind.
Bei offenen Klemmen 13 und 14 der dritten Wicklung 6 des Rückkopplungstransformators 2 ist der Kopplungsfaktor ungestört. Wenn nun die zu messende Impedanz 5 von Null verschiedene endliche Werte aufweist, wird der Koppiungsfaktor nur teilweise gestört, und die Amplitude der Schwingungen im Schwingkreis erreicht nicht ihren vollen Wert. Die Spannung im Schwingkreis ist annähernd proportional zum absoluten Wert der zu messenden Impedanz.
Der Arbeitswiderstand des Transistors 11 besteht aus den Widerständen 15 und 16. Der Kondensator 17 überbrückt wechselstrommässig die Widerstände 9 und 15. Der Widerstand 16 reduziert den Einfluss des Streubereiches im Verstärkungsfaktor des Transistors 11.
Die Demodulatorstufe 3 wird von einer Anzapfung 18 der Wicklung 8 gesteuert. Wenn eine ungedämpfte Schwingung im Schwingkreis mit voller Amplitude auftritt, leitet der Transistor 19 periodisch, und die Ausgangsspannung an den Klemmen 20 und 21 ist praktisch gleich Null. Wenn durch Kurzschluss der Klemmen 13 und 14 der dritten Wicklung 6 im Schwingkreis keine ungedämpfte Schwingung mehr bestehen kann, so sperrt der Transistor 19. Die Ausgangsspannung ist an den Klemmen 20 und 21 gleich der Speisespannung.
Bei verschiedenen Werten der zu messenden Impedanz 5 ist die Ausgangsspannung an den Klemmen 20 und 21 annähernd umgekehrt proportional der zu messenden Impedanz 5. Dadurch ist es möglich, in einem bestimmten Bereich verschiedene Impedanzwerte kontaktlos in entsprechende Ausgangsspannungen umzuwandeln.
Der Widerstand 22 ist der Arbeitswiderstand des Transistors 19. Das aus dem Widerstand 23 und der Diode 24 bestehende Glied sichert das eindeutige Sperren des Transistors 19. Der Kondensator 25 glättet die Ausgangsspannung.
In Fig. 2 ist eine Impedanz mit zwei Extrem- werben dargestellt. Sie besteht nur aus einer Schleife mit dem elektrischen Kontakt 26 und kann an Stelle einer beliebigen veränderlichen Impedanz 5 an den Klemmen 13 und 14 angeschlossen werden. Durch diese Anordnung tritt die Kontaktstellung in Form eines elektrischen logischen Signals an den Klemmen 20 und 21 auf.
In Fig. 3 ist das Schaltschema einer Impedanz dargestellt, deren Grösse durch einen an den Klemmen 27 und 28 anschliessbaren äusseren Spannungs- oder Stromwert beeinflusst wird. Die verändbare Impedanz besteht aus dem Transistor 29 und dem Widerstand 30 und wird über die Gleichrichter 31 an den Klemmen 13 und 14 der Messeinrichtung angeschlossen. Der aus den Widerständen 32 und 33 bestehende Teiler bestimmt die Basisvorspannung des Transistors 29. Über den Teiler mit den Widerständen 34 und 35 fliesst der äussere Strom, der einen Spannungsabfall am Widerstand 35 hervorruft und der Basisvorspannung überlagert ist, die je nach ihrer Grösse eine Impedanz änderung im Transistor 29 zwischen Kollektor und Emitter verursacht. Der Basiswiderstand ist 36. Der Kondensator 37 wirkt als Olättungskondensator an der Basis des Transistors 29.
Die veränderliche Impedanz des Transistors 29 im Zusammenhang mit der Messeinrichtung ergibt an den Klemmen 20 und 21 eine der äusseren Spannung oder dem äusseren Strom umgekehrt proportionale Spannung.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Erfindung für Drehbewegungen ausführende Maschinen aufgezeichnet. Die kreisrund ausgeführte Wicklung 6 des Rückkopplungstransformators 2 ist auf einer rotierenden Welle konzentrisch befestigt. Die beiden anderen Wicklungen 8 und 12 des Rückkopplungstransformators sind zu der Achse der Welle 38 ebenfalls konzentrisch angeordnet und an einem feststehenden Teil 39 der Maschine befestigt. Somit wird die Flussverkettung im Rückkopplungstransformator durch die Drehbewegung der Welle 38 nicht verändert. Die Anschlüsse 13 und 14 der Wicklung 6 sind mit der zu messenden, auf dem drehenden Teil der Maschine angeordneten Impedanz abzuschliessen.
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsmöglichkeit des Rückkopplungstransformators an drehenden Maschinen. Die Wicklung 6 ist wieder kreisrund ausgeführt und konzentrisch auf der Welle 40 angebracht.
Der Rückkopplungstransformator hat einen am feststehenden Teil 41 der Maschine befestigten Eisenkern 42, auf dem die beiden anderen Wicklungen 8 und 12 sitzen. Die Drehbewegung der Welle 40 und damit auch der Wicldung 6 bewirkt keinerlei Änderung der Flussverkettung im Rückkopplungstransformator.
Die zu messende Impedanz sei wieder an den Klemmen
13 und 14 angeschlossen.
Fig. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung für Maschinen mit translatorischer Bewegung. Die Wicklung 6 des Rückkopplungstransforma- tors ist mit dem beweglichen Teil der Maschine kraftschlüssig verbunden. Die beiden anderen Wicklungen 8 und 12 sind auf dem feststehenden Teil der Maschine befestigt. Die bewegliche Wicklung 6 ist nach Fig. 6 als einzige Windung und in Form eines langen Rechtecks dargestellt, dessen Längsachse in der Bewegungsrichtung liegt. Sie ist mit einem elektrischen Schaltkontakt 43 abgeschlossen. Auch hier wird der Schaltzustand in logische elektrische Signale umgewandelt.
Die Wicklung 6 wird in der Praxis vorzugsweise als Spule mit mehreren Windungen ausgebildet.