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.
Arrangement for galvanically isolated, contactless measurement of the absolute value of
Impedances
Galvanically isolated, contactless measurement of impedances is necessary if a direct galvanic connection between the impedance to be measured and the measuring circuit is excluded.
There are measurement methods known in which the impedance to be measured is connected to the measurement circuit via an insulating transformer. With these arrangements, the impedance is measured either by current and voltage measurement or by compensation in a bridge circuit. An AC power source or an inverter connected to a DC power source is required for the measurement.
If the impedance to be measured is attached to an object that is moved relative to the measuring device, an impedance measurement using sliding contacts would be disadvantageous because the contact resistance of the sliding point is heavily dependent on the contamination. In such cases, a galvanically isolated, contactless measurement is particularly advantageous.
For the contactless transmission of the impedance measured values from moving objects, arrangements are known in which the measured values are superimposed on the high-frequency or audio-frequency signals generated on the moving object and are received, demodulated and evaluated by a stationary measuring device. In this case, however, it is disadvantageous that a high-frequency or audio-frequency transmitter with a power source must be attached to the moving part, which makes the measurement expensive and complicated.
The present invention avoids these disadvantages; Its object is an arrangement for the galvanically isolated, contactless measurement of the absolute value of impedances, with an oscillator stage containing two windings of a feedback transformer and a current source, the feedback transformer having a third winding which is terminated by the impedance to be measured.
In order to be able to measure the impedance applied to a moving object, the third winding of the feedback transformer can be shaped and only movable relative to the other two windings of the feedback transformer in such a way that the magnetic flux linkages in the feedback transformer remain unchanged.
The advantages achieved with the invention consist in the versatile application possibilities, in particular in the reduced susceptibility to failure and high economic efficiency.
The invention is explained in more detail with reference to the drawings and examples.
Fig. 1 shows the circuit diagram of a galvanically separated, contactless impedance measuring arrangement.
Figures 2 and 3 show two different types of impedance that can be optionally connected to the third winding of the feedback transformer.
Figures 4 and 5 show embodiments of the feedback transformer in which the third winding sits on a rotating shaft.
6 shows an analogous application in the case of translational movement.
The measuring device according to FIG. 1 consists of an oscillator stage 1, which contains a feedback transformer 2, and a demodulator stage 3 along with a current source 4. The impedance 5 to be measured is connected to the third winding 6 of the feedback transformer 2.
The frequency-determining resonant circuit of the oscillator stage 1 consists of the capacitor 7 and the winding 8. The resistors 9 and 10 together form the base voltage divider. The feedback winding 12 is switched on in the base lead of the transistor 11. Through the feedback winding 12, the transistor 11 receives an opening pulse in each period. As a result of the periodic opening of the transistor 11, the oscillating circuit is triggered in every period, and this creates an undamped oscillation in the oscillating circuit. The third winding 6 of the feedback transformer 2, which is terminated with the impedance 5 to be measured, influences the coupling factor between the windings 8 and 12. When the third winding 6 is short-circuited, no undamped oscillation can occur in the resonant circuit because the coils 8 and 12 are decoupled.
With open terminals 13 and 14 of the third winding 6 of the feedback transformer 2, the coupling factor is undisturbed. If the impedance 5 to be measured now has finite values that differ from zero, the coupling factor is only partially disturbed and the amplitude of the oscillations in the resonant circuit does not reach its full value. The voltage in the resonant circuit is approximately proportional to the absolute value of the impedance to be measured.
The working resistance of the transistor 11 consists of the resistors 15 and 16. The capacitor 17 bridges the resistors 9 and 15 in terms of alternating current. The resistor 16 reduces the influence of the scatter range in the gain factor of the transistor 11.
The demodulator stage 3 is controlled by a tap 18 of the winding 8. If an undamped oscillation occurs in the resonant circuit with full amplitude, transistor 19 conducts periodically and the output voltage at terminals 20 and 21 is practically zero. If there is no longer any undamped oscillation in the resonant circuit due to a short-circuit between terminals 13 and 14 of third winding 6, transistor 19 blocks. The output voltage at terminals 20 and 21 is equal to the supply voltage.
With different values of the impedance 5 to be measured, the output voltage at the terminals 20 and 21 is approximately inversely proportional to the impedance 5 to be measured. This makes it possible to convert different impedance values contactlessly into corresponding output voltages in a certain range.
The resistor 22 is the working resistance of the transistor 19. The element consisting of the resistor 23 and the diode 24 ensures that the transistor 19 is unequivocally blocked. The capacitor 25 smooths the output voltage.
In FIG. 2 an impedance with two extreme values is shown. It consists only of a loop with electrical contact 26 and can be connected to terminals 13 and 14 in place of any variable impedance 5. As a result of this arrangement, the contact position occurs in the form of an electrical logic signal at terminals 20 and 21.
In FIG. 3 the circuit diagram of an impedance is shown, the size of which is influenced by an external voltage or current value that can be connected to the terminals 27 and 28. The variable impedance consists of the transistor 29 and the resistor 30 and is connected via the rectifier 31 to the terminals 13 and 14 of the measuring device. The divider consisting of resistors 32 and 33 determines the base bias of transistor 29. The external current flows through the divider with resistors 34 and 35, causing a voltage drop across resistor 35 and superimposed on the base bias, which, depending on its size, has an impedance caused change in transistor 29 between collector and emitter. The base resistance is 36. The capacitor 37 acts as a saturation capacitor at the base of the transistor 29.
The variable impedance of the transistor 29 in connection with the measuring device results in a voltage at the terminals 20 and 21 which is inversely proportional to the external voltage or the external current.
FIG. 4 shows an embodiment of the invention for machines performing rotary movements. The circular winding 6 of the feedback transformer 2 is mounted concentrically on a rotating shaft. The two other windings 8 and 12 of the feedback transformer are also arranged concentrically to the axis of the shaft 38 and attached to a stationary part 39 of the machine. The flux linkage in the feedback transformer is therefore not changed by the rotary movement of the shaft 38. The connections 13 and 14 of the winding 6 are to be terminated with the impedance to be measured, which is arranged on the rotating part of the machine.
Fig. 5 shows another embodiment of the feedback transformer on rotating machines. The winding 6 is again designed to be circular and attached concentrically to the shaft 40.
The feedback transformer has an iron core 42 attached to the stationary part 41 of the machine on which the other two windings 8 and 12 are seated. The rotary movement of the shaft 40 and thus also of the winding 6 does not cause any change in the flux linkage in the feedback transformer.
The impedance to be measured is again at the terminals
13 and 14 connected.
Fig. 6 shows schematically an embodiment of the invention for machines with translational movement. The winding 6 of the feedback transformer is positively connected to the moving part of the machine. The other two windings 8 and 12 are attached to the fixed part of the machine. The movable winding 6 is shown in FIG. 6 as a single turn and in the form of a long rectangle, the longitudinal axis of which lies in the direction of movement. It is completed with an electrical switching contact 43. Here, too, the switching status is converted into logical electrical signals.
In practice, the winding 6 is preferably designed as a coil with several turns.