DE1187384B

DE1187384B - Einrichtung zur Messung von Winkeln durch Impulszaehlung

Info

Publication number: DE1187384B
Application number: DEN13658A
Authority: DE
Inventors: Clifford Herbert Braybrook; Colin Roderick Borley
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1956-05-16
Filing date: 1957-05-15
Publication date: 1965-02-18
Also published as: US2934824A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOId

Deutsche Kl.: 42 d-2/50

Nummer: 1187 384

Aktenzeichen: N13658 IX b/42 d

Anmeldetag: 15. Mai 1957

Auslegetag: 18. Februar 1965

Auf dem Gebiet technischer Präzisionsmessungen besteht ein Bedarf an Geräten, die Winkel mit der großen Genauigkeit von etwa 1 Bogensekunde messen oder mit dieser Genauigkeit eingestellt werden können.

Die Erfindung bezweckt, die Einrichtungen zum Messen von Winkeln, die mit Impulszählung arbeiten, derart zu verbessern, daß mit diesen auch unter weniger streng vorgeschriebenen Betriebsbedingungen eine große Genauigkeit erzielbar ist.

Einrichtungen zur Winkelmessung mittels Impulszählung sind bereits bekannt. Sie verwenden einen mit Markierungen versehenen Rotor und elektrische Zählmittel zum Zählen der Impulse. Ebenso sind bereits Anordnungen zum Messen physikalischer Größen unter Verwendung eines Impulsgenerators bekannt. Dabei werden die fortlaufend erzeugten Impulse durch Steuerorgane für die Dauer des Zählvorganges den Zähleinheiten zugeführt. Weiterhin ist bereits eine Winkelmeßeinrichtung bekanntgeworden, die einen sich mit nahezu konstanter Winkelgeschwindigkeit drehenden Rotor enthält. Dieser Rotor trägt eine Markierung, welche beim Zusammentreffen mit einer fest angeordneten Bezugsmarkierung und einer entsprechend dem zu messen- den Winkel einstellbaren Markierung zusammenarbeitet. Dabei wird beim Zusammentreffen der Rotormarkierung mit der Bezugsmarkierung ein erstes Signal erzeugt, welches die Zufuhr der in einem Impulsgenerator erzeugten Impulse mit nahezu konstanter Frequenz zu einem elektrischen Zählmittel freigibt. Beim Zusammentreffen mit der entsprechend dem zu messenden Winkel eingestellten Markierung wird ein zweites Signal erzeugt, das die Zufuhr der Impulse zum Zählmittel unterbricht. Drehgeschwindigkeit des Rohres und Anzahl der Zählimpulse pro Meßwinkel bzw. Öffnungszeit des Zählers sind von der Frequenz des Impulsgenerators abhängig. Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren, daß es auf die Verwendung von Synchronmotoren beschränkt ist.

Dieser Nachteil wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung vermieden durch ein zweites Zählmittel, das gleichzeitig mit dem ersten Zählmittel gestartet wird und das durch ein beim Zusammentreffen der Rotormarkierung mit der genannten oder einer weiteren fest angeordneten Bezugsmarkierung erzeugtes drittes Signal gestoppt wird; sowie durch Rechenmittel zur Bildung des Quotienten aus dem Zählergebnis des ersten Zählmittels und dem Zählergebnis des zweiten Zählmittels und durch Mittel zur Anzeige dieses Quotienten als Maß für den zu messenden Winkel.

Einrichtung zur Messung von Winkeln
durch Impulszählung

Anmelder:

N.V. Philips' Gloeilampenf abrieken, Eindhoven

(Niederlande)

Vertreter:

Dr. P. Roßbach. Patentanwalt,

Hamburg. 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Clifford Herbert Braybrook, Horley, Surrey;

Colin Roderick Borley,

Estate Hildonborough, Kent (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 16. Mai 1956 (15 327),
vom 13. März 1957

Der Vorteil der neuen Einrichtung liegt in der großen Meßgenauigkeit, die von den Betriebsbedingungen des Meßobjektes und im größeren Maße auch von denen des Impulserzeugers unabhängig ist, da weder die Winkelgeschwindigkeit des Rotors noch die Wiederholungsfrequenz der Impulse genau bekannt oder genau konstant zu sein brauchen. Das Verhältnis zwischen den zwei Zählungen (die zwei Zeitmessungen darstellen) kann tasächlich eine genaue Winkelmessung ergeben, die unabhängig ist von Änderungen der Drehgeschwindigkeit und/oder der Impulsfrequenz und von Änderungen des Verhältnisses zwischen dieser Geschwindigkeit und Frequenz, sofern diese Änderungen sich nur derart allmählich vollziehen, daß sie innerhalb jeder beliebigen Zeitspanne, die gleich oder nahezu gleich der Zeit für eine Umdrehung ist, vernachlässigbar sind.

Die Impulse können jede beliebige Wellenform haben, sofern sie durch die angewandten Zählmittel gezählt werden können. Die Impulse können somit auch gleichgerichtete Perioden oder Halbperioden einer Sinuswelle sein.

Der Rotor kann eine hinreichende träge Masse und eine hinreichend niedrige Dämpfung besitzen, so daß unregelmäßige Änderungen der Geschwindigkeit innerhalb jeder bestimmten Dreh- oder Meßperiode

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beseitigt werden. Dazu kann der Rotor durch Druck- das Gerät für axiale Abweichungen von der Fluchtluftlager abgestützt werden, so daß im Betrieb eine lage empfindlich ist.

Berührung zwischen feststehenden und sich drehen- Die Vorteile der Anwendung solcher Autokolli-

den Teilen verhütet wird. matormarkierungen werden an Hand bevorzugter

Der Rotor kann z. B. als Turbine während der 5 beispielsweiser Ausführungsformen der Erfindung er-Meßperiode angetrieben werden, oder er kann wäh- läutert, die nachstehend an Hand schematischer rend dieser Periode nur durch eigene Massenkräfte F i g. 1 bis 3 der Zeichnung beschrieben werden,
gedreht werden. Wenn eine äußerste Genauigkeit ver- Das Gerät nach der Zeichnung enthält drei Hauptlangt wird, sollen die einem Freilauf anhaftenden teile, eine Grundplatte 1, einen durch Drehung ein-Geschwindigkeitsänderungen mitberechnet oder jeden- io stellbaren Tisch 2 und einen Rotor 3, der mit der falls berücksichtigt werden, sogar dann, wenn sie so Einstellachse des Tisches 2 koaxial ist. Im Betrieb gering sind wie im Falle der Druckluftlagerung. Dies dreht sich der Rotor 3 mit einer nahezu konstanten ist jedoch nicht erforderlich, wenn ein Luftstrahl auf Winkelgeschwindigkeit und, wenn eine Markierung 6 eine äußere Ringfläche des Rotors zum Antreiben am Rotor eine Markierung 7 der Grundplatte pasdes Rotors gerichtet wird. Eine solche Rotorfläche 15 siert, öffnen sich zwei Durchlässe Gx und Gr, wokann eine flache Oberfläche ohne - Rippen oder durch Impulse eines Impulsgenerators P zwei Zäh-Schaufeln sein, da auf diese Weise ein hinreichendes lern Cx und Cr zugeführt werden. Wenn dieselbe Drehmoment, ein äußerst glatter Lauf und eine Rotormarkierung eine einstellbare Markierung 8 am große Konstanz des Moments erzielt werden können. Drehtisch 2 passiert, wird der Durchlaß zum Zähler

Der Bezugswinkel kann ein feststehender Winkel 20 Cx geschlossen.

sein, der bei verschiedenen zu messenden Winkeln Wenn der gewählte Bezugswinkel 180° beträgt,

konstant gehalten wird; dies ist besonders dann der kann der Durchlaß zum Zähler Cr durch eine vierte

Fall, wenn der Bezugswinkel 360° beträgt. In die- Markierung 9 geschlossen werden, aber wenn der

sem Fall sind nur zwei Markierungen für die zweite Bezugswinkel 360° beträgt, kann der Durchlaß Gr

Zählung erforderlich, eine am Rotor und eine fest- 25 sich durch die Wirkung der Markierung? sowohl

stehende. Diese Markierungen können gewünschten- öffnen als auch danach schließen,

falls durch die für die erste Zählung angewandten Eine Umdrehung enthält etwa 1,3 · 10« Bogen-

Rotor- und Bezugsmarkierungen gebildet werden. Sekunden, so daß, wenn die Zählfrequenz etwa

Der Bezugswinkel kann auch das sich ändernde 1 MHz beträgt, die Winkelgeschwindigkeit des Ro-Komplement des zu messenden Winkels sein. Beide 30 tors etwa eine Umdrehung in der Sekunde sein muß. Winkel werden gleichzeitig durch jede Änderung der Von den zwei Zählern mißt der erste (Cx) die gegenseitigen Lagen der Bezugs- und Einstellmarkie- Zeit tx, in welcher der unbekannte Winkel χ durchrangen geändert. Bei einer Ausführungsform be- laufen wird, und der andere Zähler (Cr) mißt die tragen die zwei Komplementärwinkel insgesamt 360°, Zeit tr, in welcher der Bezugswinkel, z. B. 360 oder so daß eine zweite Zählung selbsttätig am Ende einer 35 180°, auf der Grundplatte durchlaufen wird. Dem ersten Zählung anfangen kann und umgekehrt, wo- unbekannten Winkel entspricht das Verhältnis txltr. bei insgesamt nicht mehr als drei Markierungen er- Dies erfordert selbsttätige Berechnung in einer Einforderlich sind. richtung D, die grundsätzlich auch erlaubt, eine Kor-

Unter »Markierungen« und »zusammenwirkenden rektion in der ersten Ordnung für die Verringerung Markierungen« sollen hierbei in breitem Sinne Mar- 40 der Rotorgeschwindigkeit durchzuführen. Diese Verkierungen verstanden werden, die schnell und genau ringerung tritt auf, wenn der Rotor während der auf erne mit diesen verbundene Einrichtung ein- Messung nur durch Massenkräfte gedreht wird,
wirken können, um den Augenblick der Zusammen- Das endgültige, berechnete Winkelmaß kann durch wirkung anzeigen zu können, d. h. den Augenblick, Anzeigemittel / angegeben und für Regelzwecke z. B. in dem eine Markierung an einer anderen in einer 45 bei einem Servosystem verwendet werden.
vorbestimmten relativen Lage oder Fluchtlage vor- Fig. 2 der Zeichnung zeigt in einer schematischen übergeht. Eine Rotormarkierung kann z. B. durch Draufsicht eine Einrichtung mit dem Rotor 3 in einen genau fixierten Magnet gebildet werden, und Form einer Scheibe oder eines Rades, mit einer eines kann eine zusammenwirkende, feststehende Max- zigen Markierung, die durch einen flachen Spiegel M kierung in Form eines magnetischen Aufnehmer- 50 gebildet wird. Zwei feststehende Autokollimatorkopfes angeordnet werden, oder es kann ein Mar- markierungen 17,18 im Winkelabstand Θ wirken mit kierungssystem einer optisch-elektrischen Art ange- verschiedenen Teilen des Spiegels M zusammen (diese bracht werden. Markierungen liegen in verschiedenen Höhen, um zu

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wirkt eine verhüten, daß der Strahl des einen Autokollimators

Rotorraarkierung, die durch eine flache, reflektierende 55 den anderen beeinflußt).

Oberfläche am Rotor gebildet wird, mit mindestens Die Wirkungsweise jedes Autokollimators wird einer feststehenden Markierung zusammen, die durch an Hand der Fig. 3 erläutert. Grundsätzlich ist ein einen Autokollimator gebildet wird. Autokolli- Autokollimator eine Kamera mit großer Linsenmatoren haben eine sehr große Winkelauflösung von öffnung, die auf Unendlich eingestellt ist. Die Rückz. B. 0,2 Bogensekunden und lassen sich leicht mit 60 wand hat einen ersten Schlitz 51, der hinten durch photoelektrischen Mitteln zur Steuerung der Zähl- eine Lichtquelle S belichtet wird, und einen zweiten mittel vereinigen. Ein Vorteil dieser Ausfuhrungs- Schlitz P1 mit einer Empfangsphotozelle P auf der form ist der, daß die Winkelmeseungen nicht von Rückseite. Das Licht der Quelle S nimmt nach dem Abstand zwischen der reflektierenden Markie- Durchgang durch eine Linse L die Form eines Parrung und dem oder jedem zusammenwirkenden 65 allelbündels an, und seine Richtung kann nur durch Autokollimator abhängen, während bei anderen Mar- den flachen Spiegel M geändert werden. Wenn der kierungssystemen, bei denen eine scharf definierte Spiegel M genau senkrecht zum Parallelbündel ist, Markierung am Rande des Rotors verwendet wird, kehrt das Licht wieder in den Brennpunkt beim

Schlitz51 zurück. Fig. 3 zeigt den Spiegel in zwei Lagen, eine, in der das fokussierte Bild des Schlitzes Sl vermöge des Strahlenweges R auf dem Schlitz Pl (Lage /1) liegt, und eine, in der das erwähnte Bild die Lage /2 hat. Während der Spiegel M sich dreht, durchläuft das Bild die Rückwand der Kamera, und es wird von der Photozelle ein Impuls erhalten, wenn das Bild den Schlitz Fl überquert. Daher beeinflußt der Abstand des Spiegels M von dem Autokollimator nicht die Wirkungsweise der Einrichtung zur Winkelmessung, so daß die Einrichtung nur richtungsempfindlich ist. Die Einrichtung ist weiterhin nicht empfindlich gegen Verschiebungen des Spiegels in der Richtung seiner Ebene (was infolge Spiels im Rotorlager auftreten könnte), so lange der Spiegel hinreichend groß ist, um das Bündel trotz solcher Verschiebungen zu empfangen. Obgleich in F i g. 2 die Betriebsachsen der Autokollimatoren die Drehachse des Rotors bzw. des Spiegels M schneiden, braucht dies nicht der Fall zu sein. Außerdem braucht die Achse des Rotors deshalb nicht gleichachsig mit derjenigen Achse zu sein, um welche der Autokollimator eingestellt wird. Obgleich nach F i g. 2 die Ebene der reflektierenden Oberfläche des Spiegels M dessen Drehachse enthält, kann die Spiegelfläche von dieser Achse verschoben und/oder in bezug auf diese um einen Winkel von einigen Grad geschwenkt werden; eine solche Schwenkung wird die Genauigkeit der Messung nicht wesentlich beeinflussen, wenn die Autokollimatoren nur gut in Flucht angeordnet sind.

Nach F i g. 2 wird ein Luftstrahl durch ein Mittel/ auf eine flache Ringfläche des Rotors 3 zum Antreiben des Rotors gerichtet, und der Rotor wird vollkommen von Druckluftlagern abgestützt.

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Claims

Patentansprüche:

messenden Winkel einstellbaren Markierung zusammenarbeitet, derart, daß beim Zusammentreffen der Rotormarkierung mit der Bezugsmarkierung ein erstes Signal erzeugt wird, welches die Zufuhr der in einem Impulsgenerator erzeugten Impulse mit nahezu konstanter Frequenz zu einem elektrischen Zählmittel freigibt, und daß beim Zusammentreffen mit der entsprechend dem zu messenden Winkel eingestellten Markierung ein zweites Signal erzeugt wird, das die Impulszufuhr zum Zählmittel unterbricht, gekennzeichnet durch ein zweites Zählmittel (Cr), das gleichzeitig mit dem ersten Zählmittel gestartet wird, und das durch ein beim Zusammentreffen der Rotormarkierung (6) mit der genannten (7) oder einer weiteren fest angeordneten Bezugsmarkierung (9) erzeugtes drittes Signal gestoppt wird; sowie durch Rechenmittel (D) zur Bildung des Quotienten aus dem Zählergebnis (tx) des ersten Zählmittels (Cx) und dem Zählergebnis (ir) des zweiten Zählmittels (Cr) und durch Mittel (/) zur Anzeige dieses Quotienten als Maß für den zu messenden Winkel.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotormarkierung (6) durch einen flachen Spiegel (M) gebildet wird und daß mindestens eine feststehende Markierung durch einen Autokollimator (17 bzw. 18) gebildet wird, der mit dem Spiegel (M) zusammenwirkt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel (/) zum Richten eines Luftstrahles auf eine Ringfläche des Rotors (3) zum Antreiben dieses Rotors.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Druckluftlager zum Abstützen des Rotors (3).

1. Einrichtung zum Messen von Winkeln In Betracht gezogene Druckschriften:

durch Impulszählung, mit einem mit etwa kon- Deutsche Patentschriften Nr. 595 939, 920 571,

starter Winkelgeschwindigkeit drehenden Rotor, 40 934 637, 961 661, 966 102;

der eine Markierung trägt, welche beim Zu- USA.-Patentschrift Nr. 2770 798;

sammentreffen mit einer festangeordneten Be- britische Patentschrift Nr. 441 881;

zugsmarkierung und einer entsprechend dem zu französische Patentschrift Nr. 980 052.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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