DD253670A1

DD253670A1 - Anordnung zur kapazitiven winkelwerterfassung

Info

Publication number: DD253670A1
Application number: DD29619986A
Authority: DD
Inventors: Christoph Lorenz; Uwe Neumann
Original assignee: Univ Rostock
Priority date: 1986-11-12
Filing date: 1986-11-12
Publication date: 1988-01-27

Abstract

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Winkelwerterfassung, wie sie vorzugsweise zur Stabilitaetsberechnung an Bord von Schiffen benoetigt wird und die Automatisierung des Schiffsbetriebes unterstuetzt. Gemaess der Erfindung besteht der Stator aus flaechengleichen, in zwei unterschiedlichen Ebenen aufgebauten, segmentfoermigen, einander gegenueberliegenden, paarig zueinander angeordneten Elektrodenbelaegen, waehrend der mittig zwischen den beiden Statorebenen eingeordnete Rotor aus jeweils vier, in zwei unterschiedlichen Ebenen rotationssymmetrisch angeordneten, segmentfoermig ausgefuehrten und gleichabstaendig ausgefuehrten Elektroden besteht, die mit den ihnen gegenueberliegenden Elektroden der anderen Ebene verbunden sind. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist um den Stator eine Abschirmung angeordnet, die mit jeweils einer Elektrode eines Statorpaares verbunden ist, waehrend dessen zweite Elektrode separat herausgefuehrt wird. Fig. 1

Description

Erfindungsgemäß besteht der Stator aus flächengleichen, in zwei unterschiedlichen Ebenen aufgebauten, segmentförmigen, einander gegenüberliegenden, paarig zueinander angeordneten Elektrodenbelägen, wobei der Abstand der Elektrodenpaare untereinander größer ist als jener zwischen den einzelnen Teilelektroden des Paares, während der mittig zwischen den beiden Ebenen des Stators eingeordnete Rotor aus jeweils vier, in zwei unterschiedlichen Ebenen rotationssymmetrisch angeordneten, segmentförmig ausgeführten und gleichabständig ausgeführten Elektroden besteht, die mit den ihnen gegenüberliegenden Elektroden der anderen Ebene verbunden sind.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist um den Stator eine Abschirmung angeordnet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist jeweils eine Elektrode eines Statorpaares mit der Abschirmung verbunden, während die zweite Elektrode jedes Statorpaares separat herausgeführt und außerdem mit der gleichen Elektrode der anderen Ebene verbunden ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden wird es erstmals möglich, den Richtungssinn der Winkeländerung in einfacher Weise zu erfassen. Die Anordnung der Elektroden gestattetes, auf Zuleitungen zum Rotor zu verzichten. Dadurch werden Meßfehler erheblich reduziert.

Ausführungsbeispiel

An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: die geometrische Anordnung der Statorelektroden sowie der Rotorelektroden in jeweils einer Ebene

Fig. 2: die Seitenansicht auf gesamte Anordnung zur kapazitiven Winkelwerterfassung

Fig. 3: die Schaltung der einzelnen Elektrodenbeläge von Stator und Rotor

Fig.4: das Blockschaltbild zur kapazitiven Winkelwerterfassung

Fig. 1 zeigt die geometrische Anordnung der Stator- und Rotorelektroden, wobei der Übersichtlichkeit wegen jeweils nur einer Ebene des Stators (1) bzw. Rotors (4) dargestellt ist.

Der Stator (1) besteht in jeder Ebene aus vier gleichgroßen segmentförmigen Elektroden (5,6,7,8 bzw. 17,18,19,20). Die geometrische Form dieser Elektroden (5, 6, 7,8 bzw. 17,18,19, 20) ergibt sich durch Aufteilung eines Kreises mit dem Radius r, und durch Entfernen je eines Kreissektors mit dem Radius r₂ inder Kreismitte. Die Elektroden (5, 6,7, 8 bzw. 17,18,19, 20) sind paarig zueinander angeordnet, wobei der Abstand zwischen den Elektrodenpaaren (5, 6 und 7, 8 bzw. 17,18 und 19, 20) größer ist als jener zwischen den Teilelektroden (5 und 7 bzw. 6 und 8 bzw. 17 und 19 bzw. 18 und 20) eines Paares, und schließen jeweils einen Winkel von 40° ein. Im Abstand a zur ersten Statorebene (2) befindet sich eine gleichartig aufgebaute zweite Statorebene (3), wobei deren Elektroden (17,18,19, 20) genau gegenüber den entsprechenden Elektroden (5,6,7,8) der ersten Statorebene (2) liegen und mit diesen verbunden sind, was Fig.3 zeigt.

Weiterhin ist um den Stator (1) eine Abschirmung (21, 22) angeordnet. Fig.3 zeigt, daß jeweils eine Elektrode (6, 7 bzw. 18,19) eines Statorpaares mit der Abschirmung (21, 22) verbunden ist. Die zweite Elektrode (5,8 bzw. 17, 20) jedes Statorpaares ist separat herausgeführt und außerdem mit der gleichen Elektrode (5-17 bzw. 8-20) der anderen Ebene verbunden. Der sich mittig zwischen den Statorebenen (2, 3) befindliche Rotor (4) besteht ebenfalls aus vier gleichgroßen segmentförmigen Elektroden (9, 10,11,12 bzw. 13,14,15,16) in jeder Ebene, die sich durch Aufteilen eines Kreises mit dem Radius r₃ und durch Entfernen von Kreissektoren mit dem Radius r₂ in der Kreismitte ergeben und ebenfalls jeweils einen Winkel von 40° einschließen, wobei der Abstand zwischen den Elektroden (9,10,11,12 bzw. 13,14,15,16) gleich ist. Für die Radien gilt: γ-ι>Γ3>γ₂. Der Rotor (4) besteht ebenfalls aus zwei völlig gleichartig aufgebauten Ebenen, wobei die Elektroden (9,10,11,12,13,14,15,16) so miteinander verschaltet sind, daß jede Elektrode (9,10,11,12) der einen Ebene mit der gegenüberliegenden (13,14,15,16) der anderen Ebene verbunden ist (9-14,10-13,11-16,12-15), wie es in Fig. 3 zu sehen ist. In Fig. 1 ist die Ruhelage des Systems dargestellt. Dabei Überlappensich die Elektroden (5, 6,7,8,9,10,11,12 bzw. 13,14,15,16,17,18,19,20) von Stator (1) und Rotor (4) genau mit der halben Fläche der Elektrode. Durch die in Fig. 3 angegebene Schaltung ergeben sich zwei Meßkapazitäten C_xi, C_x2, die inder Ruhelage gleich groß sind. Bei einer auftretenden Winkeländerung Δφ ergibt sich für beide Meßkapazitäten jeweils ein gleichgroßes AC, jedoch mit unterschiedlichem Vorzeichen

CJ₁ = C_x! + AC . .

CJ₂ = C_x2-AC

In Fig. 1 ist erkennbar, daß bei Verdrehung derRptorplatte(4) um Δφ ein Elektrodenpaar (5 und 6 bzw. 17 und 18 oder 7 und 8 bzw. 19 und 20) des Stators (1) mehr von den Rotorelektroden (9,10,11, 12,13,14,15,16) überdeckt wird, während für das zweite Elektrodenpaar (7 und 8 bzw. 19 und 20 oder 5 und 6 bzw. 17 und 18) die wirksame Fläche kleiner wird. In Fig. 4 ist das Blockschaltbild für die gesamte'kapazitive Winkelerfassung dargestellt. Durch eine dem Meßwandler nachgeschaltete Differenzbildung werden die Grundkapazitäten, wie sie zwischen den positiv geladenen Elektroden (5,8,17,20) und der Abschirmung (21, 22) entstehen, aufgrund ihrer Gleichheit durch den symmetrischen Aufbau eliminiert. Es ergibt sich damit für eine Winkeländerung Δφ eine Kapazitätsänderung von

Claims

Patentansprüche: .

1. Anordnung zur kapazitiven Winkelwerterfassung in Form eines Drehkondensators, dessen Stator aus Teilelektroden besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilelektroden (5,6,7,8,17,18,19,20) des Stators (1) flächengleiche, in zwei unterschiedliche Ebenen (2, 3) aufgebaute, segmentförmige, einander gegenüberliegende, paarig zueinander angeordnete Elektrodenbeläge sind, wobei der Abstand der Elektrodenpaare (5 und 6, 7 und 8,17 und 18, 19 und 20) untereinander größer ist, als jener zwischen den einzelnen Teilelektroden (5 und 7, 6 und 8,17 und 19,18 und 20) untereinander größer ist, als jener zwischen den einzelnen Teilelektroden (5 und 7, 6 und 8,17 und 19,18 und 20) des Paares.

2. Anordnung zur kapazitiven Winkelwerterfassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittig zwischen den beiden Ebenen (2,3) des Stators (1) angeordnete Rotor (4) aus jeweils vier, in unterschiedlichen Ebenen rotationssymmetrisch angeordneten, segmentförmig ausgeführten und gleichabständig ausgeführten Elektroden (9,10,11,12) besteht, die mit den ihnen gegenüberliegenden Elektroden (13,14,15,16) der anderen Ebene verbunden sind.

3. Anordnung zur kapazitiven Winkelwerterfassung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß um den Stator (1) eine Abschirmung (21, 22) angeordnet ist.

4. Anordnung zur kapazitiven Winkelwerterfassung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Elektrode (6, 7 und 18,19) eines Statorpaares mit der Abschirmung (21, 22) verbunden ist, während die zweite Elektrode (5,8) jedes Statorpaares separat herausgeführt und außerdem mit der gleichen Elektrode (17, 20) der anderen Ebene verbunden ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Winkelwerterfassung, wie sie vorzugsweise zur Stabilitätsberechnung an Bord von Schiffen benötigt wird. Darüber hinaus ist sie geeignet zur Anwendung bei der Automatisierung des Schiffsbetriebes, insbesondere Schlingerdämpfungs'anlage.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Nach der DE-OS 2215340 ist ein kapazitiver Winkelmeßumformer in Form eines Drehkondensators, bestehend aus einem Stator und einem Rotor, mit flächenhaften Elektroden bekannt, wobei der Stator aus Teilelektroden besteht, die durch Teilung eines Vollkreises entstandene Sektoren darstellen, von deren Spitze ein gleichschenkliges Dreieck abgeschnitten ist, während die geometrische Form derfür die Kapazitätsbildung wirksamen Elektrodenfläche des Rotors auf die geometrische Form der Segmente des Stators abgestimmt ist und die Form eines gleichschenkligen Dreiecks aufweist, bei dem die Schenkellänge der beiden gleichlangen Schenkel gleich dem Radius der Segmente des Stators ist, der von den gleichlangen Schenkeln des Dreiecks eingeschlossene Winkel gleich dem Innenwinkel eines Segments ist und die Drehachse des Rotors durch die von den gleichlangen Seiten des gleichschenkligen Dreiecks gebildete Ecke verläuft. Für diese Ausführung ist es notwendig, vom Rotor eine leitende Verbindung zu schaffen, die für dynamische Messungen eine Fehlerquelle aufgrund der auftretenden Beanspruchung bei Drehung darstellt. Die Aufteilung des Stators in vier gleichgroße Segmente, wobei der für die Segmentteilung gewählte Winkel 90° beträgt, erfordert noch Auswerteeinrichtungen, um eine Aussage über den Richtungssinn der Winkeländerung zu erhalten. Diese Aussage ist beim Schiffsbetrieb notwendig. Bei kleinen Winkeländerungen ist es mit der bekannten Lösung schwierig, exakte Meßwerte zu erhalten. Weiterhin können Störkapazitäten auftreten, die extra eliminiert werden müssen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, unter Verzicht auf Auswerteeinheiten eine definierte Aussage über den Richtungssinn der Winkeländerung zu gewinnen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur kapazitiven Winkelwerterfassung zu schaffen, deren elektrische Ausgangsgröße porportional einer, als Eingangsgröße dienende mechanischen Drehwinkeländerung ist, wobei durch eine neue Segmentanordnung eine fehlerfreie dynamische Messung ermöglicht wird.