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Anordnung zur digitalen Messung einer technisch-physikalischen Größe
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur digitalen Messung einer technisch-physikalischen
Größe, bei der mittels eines Impulsgebers (Feingeber) jeweils pro Einheit der Meßgröße
Impulse erzeugt und in einer Zähleinrichtung (Feinzähler) aufsummiert werden, wobei
ein mit dem Feingeber synchron arbeitender Impulsgeber, ein Grobgeber, vorgesehen
ist, mit einem Auflösungsvermögen, das kleiner als das des Feingebers ist und von
dessen Marken Impulse abgeleitet werden, die jeweils den Zählstand des Feinzählers
synchronisieren.
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Die digitale Messung von technisch-physikalischen Größen gewinnt
in der Meß- bzw. Steuerungs- und Regelungstechnik immer größere Bedeutung. Der Grund
ist vor allem darin zu sehen, daß mit der digitalen Meßmethode bei tragbarem Aufwand
eine wesentlich höhere Genauigkeit als bei der analogen Meßmethode erreicht werden
kann.
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Digitale Wegmeßeinrichtungen werden beispielsweise bei Werkzeugmaschinen
zur Positionierung des Supportes benötigt. Die Lageerfassung erfolgt z. B. dadurch,
daß von einem als Nullpunkt definierten Ausgangspunkt Längen- oder Winkeleinheiten
summiert werden. Dieses Verfahren wird neuerdings als »Inkrementalverfahren« bezeichnet.
Beim Inkrementalverfahren werden damit Einheiten der Meßgröße addiert. Ihr Wert
ergibt sich aus der Zahl der erfaßten Einheiten.
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Beim Inkrementalverfahren können jedoch Fehler aufreten, die als
solche nicht ohne weiteres erkannt werden und die somit die Anzeige im unerwünschten
Sinne verfälschen. Dies geht aus folgender Betrachtung hervor. Bei dem Inkrementalverfahren
werden bekanntlich mittels eines Impulsgebers (Analog-Digital-Wandler) jeweils pro
Einheit der Meßgröße Impulse erzeugt, die in einer Zähleinrichtung aufsummiert werden.
Die Zahl der Impulse ist damit ein Maß für den Wert der Meßgröße. Durch Einstellung
eines Sollwertes an einer Vergleichseinrichtung können in bekannter Weise bei Erreichen
eines bestimmten Zahlenwertes, d. h. bei einem bestimmten Wert der Meßgröße, Schaltvorgänge
ausgelöst werden.
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Im Interesse einer hohen Genauigkeit sollen diese Impulsgeber ein
möglichst groß es Auflösungsvermögen haben. Unter Auflösungsvermögen versteht man
die kleinste Einheit der Meßgröße, für die noch ein Impuls erzeugt werden kann.
Da die meisten Impulsgeber zur Impulserzeugung aneinandergereihte, abtastbare Marken
verwenden, müssen diese Marken sehr dicht beieinander liegen. Bei einer derartigen
Feinteilung können unter Umständen Teilungsfeh-
ler vorhanden sein, z. B. wenn bei
einem Strichrastermaßstab hundert Striche pro Millimeter vorgesehen werden. Eine
genaue Zuordnung zwischen Impulszahl und dem Wert der Meßgröße ist dann nicht mehr
gewährleistet. Hinzu kommt, daß auch bei der Zählung der Marken Fehler auftreten
können. Infolge der notwendigen hohen Zählfrequenz werden nämlich vorzugsweise elektronische
Zähler verwendet, deren Zählstellung z. B. von Netzstörimpulsen verändert werden
kann. Außerdem wird der Feinzähler durch die hohe Zählfrequenz sehr beansprucht.
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Es ist bekannt, die Fehlermöglichkeiten wesentlich einzuschränken,
wobei vermieden wird, daß ein einmal aufgetretener Fehler durch die gesamte Zählung
mit hindurchgeschleppt wird.
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Bei der bekannten Anordnung erfolgt dies dadurch, daß ein mit dem
Feingeber synchron arbeitender Impulsgeber, ein Grobgeber, vorgesehen ist mit einem
Auflösungsvermögen, das kleiner als das des Feingebers ist und dessen Impulse jeweils
den Zählstand des Feinzählers synchronisieren.
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Tritt bei der Zählung im Feinzähler ein Fehler auf, so wird dieser
durch den nächsten Synchronisiebimpuls des Grobgebers ausgeglichen und tritt somit
im Endergebnis nicht in Erscheinung. Es wird damit ein höheres Maß an Sicherheit
bezüglich der Zuordnung von Zählergebnis und dem Wert der Meßgröße erreicht.
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Die Synchronisation des Feinzählers kann z. B. in der Weise erfolgen,
indem dem Grobgeber ein Zähler zugeordnet ist, der lediglich die Grobimpulse zählt.
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Der Feinzähler hat eine Kapazität, die der Anzahl der Impulse des
Feingebers zwischen zwei Grobimpulsen entspricht. Durch jeden Grobimpuls wird der
Feinzähler auf den Anfangswert, vorzugsweise auf »0« zurückgestellt. Der Wert der
Meßgröße ergibt sich aus der Summe beider Zählstände.
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Man kann die Synchronisation auch so vornehmen, indem man dem Feinzähler
eine Kapazität gibt, die mindestens der Impulszahl des Feingebers für den Maximalwert
der Meßgröße entspricht und den Feinzähler durch jeden Grobimpuls auf die durch
die relative Lage dieses Impulses gegebene Sollstellung bringt. Dies kann z. B.
über eine progressiv weitergeschaltete Voreinstellung erfolgen oder dadurch, daß
man lediglich die Stufen des Feinzählers, deren Zählkapazität der Zahl der Impulse
des Feingebers zwischen zwei Grobimpulsen entspricht, durch die Grobimpulse auf
die Sollstellung bringt.
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Bei diesen Schaltungen werden, wenn der Nullpunkt der Bewegung beliebig
sein kann, d. h. nicht mit einer Marke des Grobgebers zusammenfällt, Addiervorrichtungen
benötigt, um den Gesamtweg anzuzeigen. Dieser Rechenvorgang benötigt jedoch eine
gewisse Zeit, d. h., das Ergebnis steht nicht immer an.
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Diesen Nachteil zu vermeiden, gelingt bei der eingangs erwähnten
Anordnung zur digitalen Messung erfindungsgemäß dadurch, daß neben dem Feinzähler
ein das auf die Zahl der Marken des Feingebers zwischen zwei Marken des Grobgebers
bezogene Komplement der eingezählten Impulse anzeigender Komplementärzähler sowie
ein Vergleichszähler angeordnet sind, die beide über durch die Marken des Grobgebers
gesteuerte Schalter mit den Impulsen des Feingebers beaufschlagt werden, wobei der
Komplementärzähler nur vom Beginn der Messung bis zum folgenden Impuls des Grobgebers
und der Vergleichszähler durch jeden Impuls des Grobgebers angeschaltet ist, und
daß eine die Zählstände beider Zähler vergleichende Einrichtung angeordnet ist,
die bei Übereinstimmung beider Zählstände einmal das Synchronisiersignal für den
Feinzähler zum anderen ein Signal zur Rückstellung bzw. zur Öffnung des Schalters
am Eingang des Vergleichszählers erzeugt.
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An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
wird die Erfindung nunmehr näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Linienrastermaßstab
als Feingeber, wobei die Grobimpulse von Hilfsmarken erzeugt werden, die in bestimmten
Abständen auf demselben Maßstab angebracht sind, Fig.2 ein Ausführungsbeispiel der
Anordnung zur Synchronisation des Feinzählers.
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In Fig. 1 ist ein Linienrastermaßstab (Spur 1) dargestellt, der in
Verbindung mit einem nicht dargestellten Abtaster als Feingeber dient. Die gegebenenfalls
vorzusehenden Elemente zur Richtungserfassung, z. B. ein zweiter phasenverschobener
Linienraster, sind ebenfalls der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Es
kann z. B. ein Rastermaßstab mit magnetischen Marken oder auch ein solcher mit Strichen,
die foto elektrisch abgetastet werden, vorgesehen sein. An Stelle des linearen Maßstabes
kann z. B. auch ein kreisförmiger Impulsgeber, z. B. eine fotoelektrische bzw. induktiv
abgetastete Schlitz- bzw. Segmentscheibe, vorgesehen sein. Natürlich können auch
andere bekannte Impulsgeber verwendet werden.
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Bezüglich der beispielsweisen Anwendung bei Werkzeugmaschinen kann
der Maßstab am Maschinenbett, der Abtaster am bewegten Support angeordnet werden.
Die Anzahl der abgetasteten, über die Impulse des Abtasters erfaßten und in einem
Zähler,
dem Feinzähler, summierten Marken der Spur 1, des Feinrasters, ist ein Maß für den
zurückgelegten Weg.
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Zur bekannten Korrektur von Fehlanzeigen im hochbeanspruchten Feinzähler
sind den Marken des Feinrasters, d. h. der Spur 1 in bestimmten Abständen Hilfsmarken
1I bis 1Iv zugeordnet, die ebenfalls abgetastet werden und die den Zählstand des
Feinzählers mit der durch die Hilfsmarken gekennzeichneten Sollstellung synchronisieren.
Es soll dabei im folgenden beispielsweise ein derartiger Abstand der Hilfsmarken
angenommen werden, daß auf jedes Intervall 100 Marken des Feinrasters fallen.
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Zur Durchführung obiger Synchronisation wurden in der Beschreibungseinleitung
bereits Schaltungen erwähnt. Bei diesen Schaltungen werden, wenn der Nullpunkt der
Bewegung beliebig sein kann, d. h. nicht mit einer Marke des Grobgebers zusammenfällt
Addiervorrichtungen benötigt, um den Gesamtweg anzuzeigen. Dieser Rechenvorgang
benötigt jedoch ein gewisse Zeit, d. h., das Ergebnis steht nicht immer an.
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Die Schaltung nach Fig.2 mit beliebiger Nullpunkteingabe vermeidet
diese Rechenzeit und stellt damit eine besonders vorteilhafte Schaltung dar. Der
zurückgelegte Weg ist jederzeit an einem einzigen Zähler ablesbar. Dieser Zähler'ist
der Feinzähler 74, der eine Zählkapazität aufweist, die mindestens der Zahl der
Marken auf Spur 1 längs der gesamten zurückzulegenden Strecke entspricht. Neben
dem Feinzähler 74 sind zwei weitere Zähleinrichtungen, ein Komplementärzähler Z5
und ein Vergleichszähler Z6, vorgesehen. Der Zähler Z5 hat die Aufgabe, den Komplementwert
der Impulszahl zwischen dem Nullpunkt der Bewegung und der ersten Marke des Grobgebers
zu bilden, bezogen auf die Zahl der Marken auf Spur 1 in einem Intervall der Spur
2.
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Dies geschieht am einfachsten, jedoch nicht notwendigerweise dadurch,
daß der Zähler Z5 von einem eingestellten Wert, der der Zahl der Marken auf Spur
1 in einem Intervall der Spur 2 entspricht, rückwärts zählt.
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Im Eingangskreis dieser Zähler liegen zwei Schalter S 1, S2, von
denen der Schalter S1 beim Abtasten der ersten Hilfsmarke geöffnet und der Schalter
S2 jeweils beim Abtasten einer Hilfsmarke geschlossen wird. Es ist weiterhin eine
Vergleichseinrichtung VG vorgesehen, die üblicherweise bei Übereinstimmung beider
Zählstände ein Synchronisiersignal an den Vergleichszähler 76 gibt sowie den Schalter
S2 öffnet.
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Man muß bei der Synchronisation allgemein beachten, ob der Feinzähler
in einem Grobintervall mehr als »hundert« oder weniger gezählt hat, da man im ersten
Fall keinen Übertragungsimpuls an die nächste Dekade geben darf. Diese Randbedingung
läßt sich durch eine einfache Verriegelungsschaltung ohne weiteres einhalten.
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Die Wirkungsweise der vorteilhaften Schaltungsanordnung nach F i
g. 2 ist folgende: Als Zahlenbeispiel bzw. als Nullpunkt sei wieder eine Anordnung
nach F i g. 1 gewählt, d. h. hundert Marken auf Spur 1 in einem Intervall der Spur
2.
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Nach Nullstellung aller Zähler soll der Zählvorgang am Punkt »O« (Fig.
1) beginnen Sobald die Hilfsmarke 1' auf Spur 2 festgestellt wird, wird S 1 geöffnet
und S2 geschlossen. In diesem Zeitpunkt steht der Zähler 74 gemäß dem gewählten
Ausführungsbeispiel
auf 40, der Zähler Z5 hat von 100 auf 60 rückwärts
gezählt. Da S 1 während des nachfolgenden Zählvorgangs nicht mehr geschlossen wird,
bleibt der Zählstand des Zählers Z5 erhalten. Von der Marke 1' an beginnt der Vergleichszähler
76 zu zählen. Hat er 60 gezählt, d. h. ist der Punkt A erreicht, so gibt das Vergleichsglied
VG seine Signale ab, d. h., der Feinzähler 74, der zu diesem Zeitpunkt auf 100 stehen
soll, wird im gewünschten Sinne durch die Marke 1' verzögert synchronisiert, der
Zähler 6 wird auf »0« gestellt und der Schalter S2 geöffnet. Bis zum Abtasten der
Marke 1" zählt der Feinzähler wieder um 40 weiter; durch die Marke 1" wird jedoch
der Schalter S2 wieder geschlossen, so daß nach weiteren sechzig abgetasteten Marken
auf Spur 1 (Sollzählstand 200 im Feinzähler) das Vergleichsglied VG wieder ein Signal
erzeugt und die erläuterten Vorgänge auslöst. In derselben Weise erfolgt die Abtastung
der nachfolgenden Marken. Der zurückgelegte Weg ist damit jederzeit sofort am Feinzähler
74 abzulesen. Bezüglich der Anforderung an die Güte der Bauelemente ist zu sagen,
daß der Zähler Z5 sehr genau zählen soll, da er den nicht synchronisierbaren Anfangswert
(»0« - erste Hilfsmarke) vorgibt. Dies läßt sich jedoch ohne weiteres erreichen,
da der Zähler ZS nur sehr wenig beansprucht wird.
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Es ist denkbar, jeweils bei der Synchronisation den Zählstand des
Feinzählers elektronisch zu beobachten und bei ständiger Abweichung, d. h. beispielsweise
bei einem systematischen Fehler, ein Warnsignal zu geben.
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Bei richtungsabhängiger Zählung ist es zweckmäßig, die Hilfsmarken
anders, als in Fig. 1 dargestellt, auszubilden, nämlich als kleine Rechtecke, die
sich über ein Intervall, d. h. für das obige Zahlenbeispiel über hundert Marken
auf der Spur 1 erstrecken, wobei zwischen zwei derartigen Hilfsmarken jeweils ein
freies Intervall ist. Die Übergänge dunkel/hell bzw. hell/dunkel liefern damit richtungsabhängige
Impulse.
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Neben der bereits erwähnten Anwendung der Wegmessung bzw. Winkelmessung
bei Werkzeugmaschinen sei auf die Fördertechnik (Krane, Aufzüge), auf Schneidmaschinen
usw. hingewiesen.
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Sofern die erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung zur digitalen Erfassung
anderer Meßgrößen, z. B. einer Zeit, einer Durchflußmenge, einer Spannung, eines
Volumens, einer Drehzahl od. dgl., dient, kommen üblicherweise andere Geber, als
in F i g. 1 dargestellt, zur Anwendung. In der F i g. 2 ist damit für den allgemeinen
Fall Spur 1 durch den Feingeber und die Spur 2 durch den Grobgeber ersetzt zu denken.
Für die Ausbildung der Geber bzw. für die Herstellung eines synchronen Arbeitens
ergeben sich dabei etwa folgende Möglichkeiten.
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Man kann entsprechend wie bei F i g. 1 ein Bauelement als Grob- und
Feingeber ausbilden, was im allgemeinen jedoch einer nachträglichen Anbringung der
Grobskala bedarf, da ein derartig ausgebildetes Element normalerweise nicht handelsüblich
ist.
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Es ist auch denkbar, sofern Fehler weniger infolge einer Fehlteilung
als infolge einer Fehlzählung auftreten, zwei gleiche, handelsübliche, miteinander
gekuppelte Feingeber zu verwenden, wobei der eine, entsprechend untersetzt, als
Grobgeber dient. Ein
handelsüblicher Impulsgeber ist z. B. der Reed-Kontakt, ein
aus zwei federnden, sich überlappenden und in einer Gasatmosphäre eingeschlossenen
Metallfahnen bestehender Kontakt, der durch umlaufende Dauermagnete betätigt wird.
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Sofern man zwei Geber mit genügend unterschiedlichem Abstand der
Marken zur Verfügung hat, z.B. für eine Zeitmessung zwei mit verschiedener Frequenz
schwingende Quarze, kann man sie kuppeln und den einen als Grob-, den anderen als
Feinzähler verwenden.
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Die Genauigkeit des Grobgebers soll im allgemeinen mindestens gleich,
vorzugsweise besser als die des Feingebers sein.
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Die Auswahl der Geber hängt natürlich stark vom Anwendungsfall ab.
Es lassen sich jedoch praktisch für jede Meßgröße Geber finden, die die analogdigitale
Umwandlung vornehmen. Es wird bezüglich der Messung von mechanischen Größen beispielsweise
auf die fotoelektrisch abgetastete Schlitzscheibe, auf Geber mit magnetisch abtastbaren
Marken bzw. auf solche mit einer umlaufenden Segmentscheibe, deren Segmente einen
Schwingkreis (Schlitzinitiator) oder ein Magnetfeld (induktiver Geber) beeinflussen,
hingewiesen.