DE1195958B - Messumformer zur Umformung der jeweiligen Winkellage einer Eingangswelle in eine proportionale elektrische Spannung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

GOId

Deutsche Kl.: 42 d-1/12

Nummer: 1195 958

Aktenzeichen: H 44849IX b/42 d

Anmeldetag: ■ 12. Februar 1962

Auslegetag: 1. Juli 1965

In elektrischen Meß- und Regelkreisen sollen häufig mechanische Drehwinkel in proportionale elektrische Signale umgeformt werden. Arbeitet der Meßgeber mit einem magnetischen Feld, so kann die angestrebte Wirkung entweder mittels Spulenkopplung oder variablen magnetischen Widerstandes erreicht werden. Für die erstgenannte Möglichkeit hat man das induktive Potentiometer oder den Drehtransformator und für die letztgenannte den Dreh-Differential-Transformator (Microsyn) entwickelt.

Im Falle eines elektrischen Feldes kann der Winkelstellungsabgriff nach dem Prinzip des variablen Kondensators erfolgen, und bei Vorhandensein eines elektrischen Widerstandes kann der jeweilige Widerstand abgegriffen werden, wie dies beim Drehpotentiometer und Drehspartransformator geschieht.

Entsprechend den meßtechnischen Verhältnissen, wie z. B. der notwendigen Größe des Meßwinkels, seiner zeitlichen Veränderung, eventuell notwendiger konstanter Phasenbeziehung zwischen mechanischem Eingangssignal und elektrischem Ausgangssignal, Größe, Gewicht und Form des Meßgebers und speziellen Anforderungen an den Geber, die sich aus der Arbeitstemperatur, Stoß und Vibration, Luftfeuchtigkeit und anderem ergeben, wird dem einen oder anderen System des Meßabgriffes der Vorzug gegeben werden.

Die bisher bekannten Winkelstellungsabgriffe sind mit konstruktionsbedingten Mängeln behaftet. Bei den Trägerfrequenzabgriffen können Störungen durch Kopplungen aus anderen Netz- und Signalleitungen in Erscheinung treten. Es können bei Schaltungen mit mehreren Gebern Änderungen der Phasenverschiebung zwischen Eingangsträgerspannung und Ausgangssignalspannung abhängig vom mechanischen Drehwinkel auftreten und eine Nachschaltung summierender Glieder unmöglich machen oder einschränken.

Bei Potentiometerabgriffen führt die Forderung nach einer hohen Auflösung zu großen Widerständen und macht sehr feine Abgriffselemente erforderlich. Solche Bauelemente sind den im allgemeinen harten Umgebungsbedingungen nicht mehr gewachsen. Schwierigkeiten ergeben sich z. B. aus dem Abheben der Schleifer, der ungenauen Funktionswiedergabe bei hohen Beschleunigungen der Geberwelle und der geringen Lebensdauer bei oszillierenden Abgriffen.

Der Erfinder hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen Meßgeber zu entwickeln, der sowohl mit Gleichspannungs- als auch mit Trägerfrequenzerregung arbeiten kann, kontinuierliche Meßeigenschaf-Meßumformer zur Umformung der jeweiligen
Winkellage einer Eingangswelle in eine
proportionale elektrische Spannung

Anmelder:

Ernst Heinkel Flugzeugbau G. m. b. H.,
Speyer/Rhein, Am neuen Rheinhafen 10

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Leonhard Bräuer, München

ten und hohes Auflösungsvermögen zeigt, ohne dabei die oben erläuterten Mängel aufzuweisen und insbesondere durch harte Umgebungsbedingungen beeinflußt zu werden.

Erfindungsgemäß ist mit der Eingangswelle eine Kurvenscheibe mit vorgegebenem Verlauf einer Meßkurve vereinigt, die mit einer Biegefeder, die in an sich bekannter Weise mindestens einen elastischen Längsänderungen unterworfenen Widerstandsmeßstreifen trägt, über eine verschiebbare Walze in Berührung steht.

Die Dehnungsmessung mit Dehnungsmeßstreifen ist an sich bekannt. Zur Messung des Widerstandes von Meßstreifen werden Trägerfrequenz-Brücken-Schaltungen angewendet. Bekannt ist auch die Verwendung von Dehnungsmeßwiderständen auf elastischer Grundlage.

Die Biegefeder kann einseitig eingespannt sein und in der Nähe der Einspannungsstelle den oder die Meßstreifen tragen. Die Biegefeder kann auch beidseitig auf Schneiden aufliegen und gegebenenfalls durch Federn in ihrer Stützlage gehalten sein.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind aus den Ansprüchen in Verbindung mit der Beschreibung und Zeichnung zu ersehen.

Die Erfindung hat folgende Vorzüge: Es kann ein großer mechanischer Drehwinkel erfaßt werden. Es

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sind keine Schleifkontakte erforderlich. Die Messung erfolgt stufenlos und hat große Genauigkeit und Linearität. Die Anlage ist verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Stoß, Vibration und Temperaturänderungen der Umgebung. Sie ist von geringer Baugröße und geringem Gewicht. Sie ermöglicht die Verwertung der Signalgabe ohne verwickelte und aufwendige Zusatzgeräte. Sie weist Phasenkonstanz zwischen mechanischem Eingangssignal und elektrischem Ausgangssignal auf. Sie ist unempfindlich gegen elektrische und magnetische Felder und ferromagnetische Stoffe.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Meßgeber mit einseitig eingespannter Biegefeder,

F i g. 2 einen Meßgeber mit beidseitig gelagerter Biegefeder,

F i g. 3 eine Prinzipskizze,

F i g. 4 eine weitere Prinzipskizze,

F i g. 5 die Biegefeder mit zwei Meßstreifen im Querschnitt,

F i g. 6 die Biegefeder mit vier Meßstreifen im Querschnitt,

F i g. 7 die Schaltung des Meßkreises im Falle zweier Meßstreifen gemäß F i g. 5,

F i g. 8 die Schaltung des Meßkreises im Falle von vier Meßstreifen,

F i g. 9 eine Prinzipskizze im Falle einer doppelt gelagerten Biegefeder,

Fig. 10 die dazugehörige Schaltung.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 ist eine Kurvenscheibe 1 mit einem nach einer archimedischen Spirale geformten Kurvenabschnitt 2 für einen Meßbereich von 90° auf einer Welle 3 angeordnet, die in ortsfesten Lagern gelagert ist und mit dem Meßobjekt, z. B. der Schwenkwelle eines bei einem Flugzeug vorgesehenen Ruders, gekuppelt ist. Am rechten Ende des Kurvenabschnitts ist ein Absatz 4 vorgesehen, der bei der Drehung der Kurvenscheibe entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn gegen ein gehäusefestes Widerlager 5 trifft und damit die Minimalauslenkung festlegt. Auf der Kurvenscheibe 1 ist ferner ein Ansatz 6 vorgesehen, der bei der Drehung der Kurvenscheibe im Uhrzeigersinn gegen das vorerwähnte Widerlager 4 zu liegen kommt und damit die Maximalauslenkung der Geberwelle 3 festlegt. Auf einem gehäusefesten Block 7 ist eine Blattfeder 8 mittels eines von Schrauben 9 gehaltenen Klemmstückes 10 befestigt. Die Blattfeder 8 liegt an ihrem freien Ende mit Vorspannung an einer Walze 11 an, die in Gehäuseschlitzen 12 zu beiden Seiten der Blattfeder 8 geführt ist und durch deren Vorspannung gegen den Kurvenabschnitt 2 gedrückt wird. In der Nähe der Einspannstelle der Blattfeder 8 ist oben und unten jeweils ein Dehnungsmeßstreifen 13 bzw. 13' angeordnet, von denen Anschlußkabel 14,15 für die Speisung und das Meßsignal ausgehen. Mit 16 ist ein isolierter Anschlußträger bezeichnet.

In Fig. 2 ist ein Meßgeber dargestellt, der, was die Kurvenscheibe anlangt, in der gleichen Weise gestaltet ist wie der in F i g. 1 gezeigte. An die Stelle der einseitig eingespannten ist jedoch eine beidseitig aufgelagerte Biegefeder 17 getreten. Diese ruht auf Schneiden 18,18' auf. Zu beiden Seiten der Walze 11, die in Gehäuseschlitzen 12 geführt ist, sind oben und unten Dehnungsstreifen 19,19' bzw. 20, 20' angeordnet.

F i g. 3 und 4 zeigen Prinzipskizzen für die Zuordnung des Meßbereiches von 90° zu der Walze 11 zwischen Kurvenscheibe 1 und einseitig eingespannter Blattfeder 8. In F i g. 3 ist in Minimalstellung die Blattfeder unter Vorspannung. In F i g. 4 ist in der Mittelstellung der Kurvenscheibe die Blattfeder nicht durchgebogen und wird durch die Spiralfeder 21 in Berührung mit der Kurvenscheibe gehalten.

In F i g. 5 und 6 ist die Anordnung der Meßstreifen im Querschnitt gezeigt, und zwar bei Anordnung von zwei bzw. vier Meßstreifen auf der einseitig eingespannten Biegungsfeder.

In F i g. 7 und 8 sind die zugeordneten Schaltungen dargestellt. Da die Dehnungen auf der einen Seite der Feder positiv und auf deren anderen Seite negativ auftreten, ergeben die in F i g. 7 und 8 gezeigten Brückenschaltungen einen im Vergleich zum einfachen Meßstreifen größeren Meßwert, und zwar gemäß F i g. 7 einen doppelt und gemäß F i g. 8 einen

ao vierfach so großen Meßwert.

In der Prinzipskizze gemäß F i g. 9 ist die Lage der Meßstreifen im Falle zweiseitiger Lagerung der Blattfeder dargestellt. Werden die vier Dehnungsmeßstreifen gemäß Fig. 10 so geschaltet, daß die beiden positiv und die beiden negativ gedehnten Streifen in Reihe in der Brücke liegen, hat man ein in doppelter Größe auftretendes Meßsignal. Diese Anordnung ergibt Unempfindlichkeit gegen Temperaturänderungen und außerdem gegen Änderungen der Symmetrie der Federlüngen zu beiden Seiten des Auflagepunktes der Walze.

Die Kurvenscheibe braucht nicht notwendigerweise in ihrem Meßbereich nach einer archimedischen Spirale geformt zu sein, es können vielmehr auch andersartige Kurven gewählt sein, die eine Verstellung der Biegefeder abweichend von der linearen Funktion, wie sie im Falle einer archimedischen Spirale auftritt, ermöglichen.

An die Stelle der handelsüblichen Dehnungsmeßstreifen können auch andere die Dehnung messende Elemente treten, z. B. die in den USA. unter der Bezeichnung »Semiconductor Strain Gages« entwickelten, die bei gleicher mechanischer Beanspruchung wesentlich größere Widerstandsänderungen ergeben.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Meßumformer zur Umformung der jeweiligen Winkellage einer Eingangswelle in eine proportionale elektrische Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Eingangswelle (3) eine Kurvenscheibe (1) mit vorgegebenem Verlauf einer Meßkurve (2) vereinigt ist, die mit einer Biegefeder (8), die in an sich bekannter Weise mindestens einen elastischen Längsänderungen unterworfenen Widerstandsmeßstreifen (13) trägt, über eine verschiebbare Walze (11) in Berührung steht.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (8) einseitig eingespannt ist und in der Nähe der Einspannstelle den oder die Meßstreifen (13,13') trägt.

3. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (17) beidseitig auf Schneiden (18,18') aufliegt und gegebenenfalls durch Federn in ihrer Stützlage gehalten ist.

4. Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen Feder (8 bzw. 17) und Kurvenscheibe (1) eingeschaltete Walze in einem Gehäuseschlitz (12) verschiebbar ist.

5. Meßumformer nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch Vorspannung der Biegefeder (8 bzw. 17) oder Anordnung eines besonderen Andrückmittels, z. B. einer Feder (21).

In Betracht gezogene Druckschriften:
K. Fink und Chr. Rohrbach: Handbuch der Spannungs- und Dehnungsmessung, VDI-Verlag, Düsseldorf (1958), insbesondere S. 269, Bild 23.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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