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Die
Erfindung betrifft einen Stellungsfühler gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1.
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Derartige
Fühler
sind in unterschiedlicher Ausführung
auf dem Markt erhältlich
und enthalten als durch das Eingangsglied betätigte Komponente einen variablen
Widerstand, eine variable Induktivität oder eine variable Kapazität.
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Derartige
Stellungsfühler
oder Stellungsschalter haben sich im Einsatz für solche Stellungsmessungen
bewährt,
bei denen das Eingangsglied im wesentlichen stetig und langsam betätigt wird.
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Für manche
Anwendungen, insbesondere die Stellungsmessung von verschiedenen
rasch bewegten Maschinenteilen in Textilmaschinen, sind Stellungsfühler und
Steuerungsschalter notwendig, die mit nur kurzen Zeitkonstanten
arbeiten. Dies bedeutet, daß bei
Verstellung des Eingangsgliedes innerhalb einer Zeit von Bruchteilen
einer Millisekunde am Ausgang des Stellungsfühlers bzw. Stellungsschalters
das der neuen Stellung entsprechende Ausgangssignal erhalten werden
muß.
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Für industrielle
Anwendungen in Maschinen, in denen eine Vielzahl von Stellungen
gemessen bzw. überwacht
werden soll, ist ferner eine Anforderung an einen Stellungsfühler bzw.
Stellungsschalter, daß er
preisgünstig
hergestellt werden kann.
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Durch
die vorliegende Erfindung soll die Aufgabe gestellt werden, einen
Stellungsfühler
oder Stellungsschalter der eingangs angesprochenen Art so weiterzubilden,
daß bei
geringen Herstellungskosten die Reaktionszeit des Fühlers vermindert
ist.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch
einen Stellungsfühler
bzw. Stellungsschalter mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Stellungsfühler bzw.
Stellungsschalter ist der Meßoszillator
so ausgebildet, daß er
mit einer Frequenz mit mehr als 1 Mhz schwingt. Zur Realisierung
derartiger Eigenfrequenzen können
Kapazitäten
und/oder Induktivitäten verwendet
werden, die klein sind, also nur geringe elektrische Trägheit aufweisen.
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Dadurch,
daß man
das vom eigentlichen Fühlelement
abgegebene Fühlersignal
mit dem Ausgangssignal eines Referenzoszillators mischt, erhält man neben
einem (nicht verwendeten) oberen Seitenband ein niederfrequentes
Seitenband, welches durch preiswerte elektronische Komponenten ausgewertet
werden kann. Diese Auswertung erfolgt erfindungsgemäß unter
Verwendung eines Tiefpasses und eines an diesen angeschlossenen
Frequenz/Spannungswandlers.
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Das
Ausgangssignal des Frequenz/Spannungswandlers ist somit ein Maß für die Stellung
des Eingangsgliedes und folgt Änderungen
in der Stellung des Eingangsgliedes in sehr kurzem Zeitabstand von
Bruchteilen einer Millisekunde.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Mit
der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 wird erreicht,
daß die
Stellung des Eingangsgliedes über
den Stellhub hinweg eindeutig gemessen werden kann.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
3 ist dabei im Hinblick darauf von Vorteil, zu langsam erfolgende
Signaländerungen
in der hinter dem Tiefpass erfolgenden Auswertung zu vermeiden.
Wählt man
dabei die Zwischenfrequenz zu einem Zehntel oder einer Potenz hiervon,
so lassen sich die entsprechenden Schaltkreise besonders einfach
unter Verwendung von einer Standardkomponenten aufbauen, die typischerweise
in Zehnerpotenzen gestuft sind. Bei digitaler Ausführung kann
man die Differenz zwischen der Meßoszillatorfrequenz und der
Referenzoszillatorfrequenz auch gleich einem ganzzahligen Vielfachen
von 2 wählen,
z.B. zu 128 oder 256.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
4 ist im Hinblick darauf vorteilhaft, den Einfluß der Art eines Metalles, welches
Teil einer Bedämpfung
für einen
Schwingkreis darstellt, auszuräumen, da
die Unterschiede zwischen den verschiedenen Metallen zu hohen Frequenzen
hin verschwinden.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
5 ist im Hinblick auf eine gute Filterwirkung bei nur geringen Umladungsströmen von
Vorteil.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
6 ist wiederum im Hinblick auf die Realisierung der verschiedenen
Filterkettenglieder unter Verwendung von Standard-Baukomponenten von
Vorteil.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
7 ermöglicht
die Weiterverarbeitung des Ausgangssignales des Frequenz/Spannungswandlers auf
digitalem Wege.
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Dabei
kann man gemäß Anspruch
8 auf digitalem Wege leicht eine Linearisierung des Fühlerausgangssignales
(oder eine Logarithmierung oder andere Kennlinienumformung) bewerkstelligen,
indem man das digitalisierte Ausgangssignal des Frequenz/Spannungswandlers
zur Adressierung eines Kennlinienspeichers verwendet.
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Bei
einem Stellungsfühler
bzw. Stellungsschalter nach Anspruch 8 erhält man ein z.B. linearisiertes
analoges Ausgangssignal.
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Ein
Stellungsfühler
gemäß Anspruch
10 kann als Schalter eingesetzt werden, der bei Erreichen einer
vorgegebenen Stellung des Eingangsgliedes sein Ausgangssignal wechselt.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
11 ist im Hinblick auf das einfache Erzeugen einer elektromagnetischen
Schwingung von Vorteil.
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Dabei
ist dann die Weiterbildung gemäß Anspruch
12 dahingehend von Vorteil, eine möglichst starke Änderung
im Ausgangssignal in Abhängigkeit von
der Bewegung des Eingangsgliedes zu erhalten.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
In dieser zeigen:
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1:
ein Blockschaltbild eines rasch ansprechenden Stellungsfühlers mit
induktivem Fühlelement;
und
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2:
das Schaltbild eines Tiefpasses, der in der Schaltung nach 1 verwendet
wird.
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In 1 ist
mit 10 eine metallische Geberplatte bezeichnet, die senkrecht
zur Plattenebene beispielsweise durch eine Stange 12 bewegbar
ist.
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Die
Geberplatte 10 arbeitet mit einem insgesamt mit 14 bezeichneten
LC-Kreis zusammen, der eine in der Bahn der Geberplatte 10 angeordnete Spule 16 und
eine über
deren Klemmen geschalteten Kondensator 18 aufweist.
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Die
Spule 16 kann in der Praxis durch eine einzige oder eine
Mehrzahl im wesentlichen konzentrischer Leiterbahnen gebildet sein,
die auf einer Leiterplatte ausgebildet sind. Der Kondensator 18 kann ein
Keramikkondensator sein.
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Die
Größe des Kondensators 18 ist
auf die Induktivität
der Spule 16 so abgestellt, daß die Eigenfrequenz des LC-Kreises 14 über ein
MHz liegt, üblicherweise
zwischen 1 und 20 MHz. Es sind aber auch höhere Eigenfrequenzen des LC-Kreises 14 denkbar,
bis hin zu 100 MHz oder mehr.
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Zum
Aufrechterhalten einer Schwingung im LC-Kreis 14 ist ein
Verstärker 20 vorgesehen,
dessen Eingang über
einen Koppelkondensator 22 mit der in der Zeichnung oberen
Klemme der Spule 16 verbunden ist, und dessen Ausgang über einen
Rückkoppelkondensator 24 mit
dem oberen Ende des LC-Kreises 14 verbunden ist, wie dargestellt.
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Der
Koppelkondensator 22 und der Rückkoppelkondensator 24 sind
jeweils verglichen mit dem Kondensator 18 des LC-Kreises 14 klein.
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Der
Verstärker 20 hat
einen Verstärkungsfaktor
von deutlich mehr als 1, derart, daß er durch sein Eingangssignal rasch
in die Sättigung
getrieben wird, so daß man
am Ausgang des Verstärkers 20 eine
Rechteckspannung erhält.
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Wie
an sich von induktiven Gebern bekannt, ändert sich die Induktivität L der
Spule 16 mit dem Abstand s zwischen der Geberplatte 10 und
der Spule 16: L = L(s).
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Die
kleinste Induktivität
erhält
man für
die am engsten der Spule 16 benachbarte Endstellung der Geberplatte 10,
die größte Induktivität für weit von der
Spule 14 entfernte Geberplatte 10. Entsprechend der
Formel für
die Eigenfrequenz eines LC-Kreises entspricht die der Spule 16 benachbarte
Endstellung der Geberplatte 10 der höchsten im Betrieb erreichten
Eigenfrequenzen des LC-Kreises, während die Eigenfrequenz des
letzteren mit zunehmender Entfernung der Geberplatte 10 von
der Spule 16 abfällt und
sich dem asymtotischen Wert für
große
Abstände
s annähert.
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Das
Signal an der oberen Klemme der Spule 16 ( = obere Klemme
des Schwingkreises 14) gegen Erde wird nachstehend und
in den Ansprüchen
auch als Fühlersignal
bezeichnet.
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Aus
der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die Komponenten 10 bis 24 insgesamt
einen Mefloszillator 26 bilden, dessen Ausgangssignal von
der Stellung s der Geberplatte 10 abhängt.
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Das
Rechteck-Ausgangssignal des Mefloszillators 26 wird auf
den einen Eingang eines Mischers 28 gegeben, dessen zweiter
Eingang vom Ausgang eines Referenzoszillators 30 her beaufschlagt
ist. Der Mischer 28 kann ein Multiplikator, ein UND-Glied
oder ein ODER-Glied oder ein von solchen abgeleitetes Verknüpfungsgleid
sein.
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Der
Referenzoszillator 30 kann ein ähnlich wie der Meßoszillator 26 aufgebauter
analoger Oszillator sein, bei welchem aber die Spule des LC-Kreises
nicht mit einer Geberplatte zusammenarbeitet. Alternativ kann man
als Referenzoszillator 30 auch einen quarzgesteuerten Oszillator
verwenden.
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Die
Schwingungsfrequenz des Referenzoszillators 30 ist so eingestellt,
daß sie
größer bzw.
kleiner ist als die höchste
bzw. niederste Frequenz des Oszillators 26, die in der
inneren Endstellung der Geberplatte 10 erhalten wird. Auf
diese Weise ist sichergestellt, daß die Frequenz des unteren
Seitenbandes des Mischer-Ausgangssignales immer größer null
ist und eindeutig der Stellng der Geberplatte zugeordnet ist.
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In
der Praxis kann man die Eigenfrequenz des Referenzoszillators 30 z.B.
so wählen,
daß ihr Abstand
von der niedersten Eigenfrequenz des LC-Kreises 14 ein
Hundertstel dieser Eigenfrequenz beträgt. Bei den hier betrachteten
Spulengeometrien und Kapazitäten
des LC-Kreises 14 ist dann die oben genannte Bedingung
in der Regel erfüllt.
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Falls
gewünscht
kann man in diesem Beispiel den Frequenzabstand des Referenzoszillators aber
auch kleiner oder größer wählen, solange
gewährleistet
ist, daß die
Frequenz des unteren Seitenbandes des Mischer-Ausgangssignales eindeutig von
der Stellung der Geberplatte 10 abhängt und deutlich niederfrequenter
ist als die Eigenfrequenz des LC-Kreises 14, so daß die weitere
Signalverarbeitung durch Komponenten erfolgen kann, an deren Arbeitsgeschwindigkeit
keine besonderen Anforderungen gestellt werden, so daß Standardkomponenten
verwendet werden können.
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Das
Ausgangssignal des Mischers 28 wird auf einen Tiefpass 32 gegeben,
dessen Grenzfrequenz gleich hoch oder geringfügig größer ist als die der unteren
Seitenbande des Mischer-Ausgangssignales.
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Das
Ausgangssignal des Tiefpasses 32, dessen Frequenz sich
gemäß dem Abstand
s der Geberplatte 10 von der Spule 16 ändert, wird
auf einen Frequenz/Spannungswandler 34 gegeben. Dessen
Ausgangssignal ändert
sich somit in Abhängigkeit
vom Abstand s des Geberplatte 10 von der Spule 16.
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Das
Ausgangssignal des Frequenz/Spannungswandlers könnte schon als analoges Ausgangssignal
des Stellungsfühlers
verwendet werden.
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Beim
hier betrachteten Ausführungsbeispiel wird
jedoch noch eine Linearisierung vorgenommen, um ein linear vom Abstand
s abhängendes
Ausgangssignal bereitzustellen.
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Hierzu
ist der Ausgang des Frequenz/Spannungswandlers 34 mit dem
Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 36 verbunden. Durch
das Ausgangssignal des letzteren wird ein Linearisierungs-Kennlinienspeiche 38 adressiert,
der nach Art eine Look-Up-Table arbeitet: Für jeden Eingangswert, der nicht
notwendigerweise linear der Stellung der Geberplatte 10 zugeordnet
ist, enthält
der Linearisierungsspeicher 38 einen Wert, der in linearer
Weise der Stellung s der Geberplatte zugeordnet ist.
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Der
linearisierte digitale Stellungswert, der vom Linearisierungs-Kennlinienspeicher 38 abgegeben
wird, wird auf einen Digital/Analogwandler 40 gegeben,
welcher auf einer Fühler-Ausgangsleitung 41 ein
der Geberplattenstellung linear zugeordnetes analoges Ausgangssignal
bereitstellt.
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Der
Ausgang des Digital/Analogwandlers 40 ist ferner mit einem
Eingang eines Diskriminators 42 verbunden, dessen zweiter
Eingang mit einem Referenzwert 44 verbunden ist.
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Der
Diskriminator 42 erzeugt somit ein hochpegeliges Ausgangssignal
dann, wenn das Signal am Ausgang des Digital/Analogwandlers 40 einen vorgegebenen
Wert überschreitet.
Dieses Signal wird auf einer Schalter-Ausgangsleitung 44 bereitgestellt.
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2 zeigt
Einzelheiten einer von vielen möglichen
Ausführungsformen
des Tiefpasses 32. Das Eingangssignal gelangt über eine
Diode 54 auf einen ersten RC-Kreis 48, welcher
einen Widerstand 50 und einen gegen Erde geschalteten Kondensator 52 umfaßt.
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Ein
zweitera RC-Kreis 48A, der ähnlich aufgebaut ist, umfaßt einen
Widerstand 50A sowie einen Kondensator 52A. Ein
eingangsseitiger Trennverstärker 54A ist
mit dem Ausgang des RC-Kreises 48 verbunden.
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Ähnlichen
Aufbau weist ein RC-Kreis 48B auf, dessen Komponenten sinngemäß mit Bezugszeichen
versehen sind.
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Am
Ausgang des RC-Kreises 48 ist ein weiterer Trennverstärker 56 vorgesehen.
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Die
RC-Kreise 48, 48A und 48B haben gleiche
Zeitkonstante, wobei jedoch die Widerstände und die Kondensatoren sich
von einem Kettenglied zum nächsten
um den Faktor 10 unterscheiden. Ist der Wert des Widerstandes 50R und
der Wert des Kondensators 52C, so beträgt der Widerstand 48A 10R
und der Kondensator 52A C/10 und der Wert des Widerstandes 50b 100R
und der Wert des Konden sators 52B C/100.
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Derartige
Eimerketten-Filter zeichnen sich durch gute Filtereigenschaften
bei rascher Reaktion aus.
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Wichtig
bei derartigen Filtern ist, daß die
Polzahl (Kettenlänge)
nicht unter 3 beträgt.
In der Praxis sind Polzahlen zwischen 3 und 8 gut geeignet.