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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur elektrischen
Winkel- oder Längenmessung mit einem die Meßgröße in den Phasenwinkel einer elektrischen
Wechselspannung abbildenden elektromechanischen Meßumformer. bestehend aus zwei
relativ gegeneinander beweglichen Teilen (z.B. Rotor, Slator). zwischen denen eine
den Phasenwinkel einer dem Meßumformer entnehmbaren Ausgangswechselspinnu ng steucrnde
elektrische Wechselwirkung besteht, bei der die Ausgangswechselspannung des Meßumformers
über einen elektrischen Verstärker einer Meßvorrichtung zugeführt ist, der gleichzeitig
eine zweite als Vergleichsspannung dienende, einem Vergleichsspannungsgemerator
entnommene Wcchsclspannung festen Phasenwinkels zugcführt ist, und die Mittel zur
Anzeige der Differenz zwischen den Phasenwinkeln beider Wechselspannungen aufweist.
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Einrichtungen dieser Art weisen den Nachteil auf, daß die Ausgangsspannung
des z. B. kapazitiv wirksamen Mcßumformcrs (vergleiche z. 13. die Zeitschrift »Control
Engineering«, Mai 1960, S. 109 bis 111) infolge der Belastung des Meßumformerausgangs
mit nachgeordneten elektrischen Schaltelementen (Eingangswiderstand eines nachgeschalteten
Verstärkers oder Eingangswiderstand einer Phasenvergleichsei nrichtung) eine Phasendrehung
erfährt. wodurch Meßfehler auftreten. Wären die Eingangswiderstände dieser nachgeordneten
Schaltelemente konstant, so wären auch die durch diese hervorgerufenen Phasend reh
tingen konstant und könnten durch eine nachträgliche entgegengesetzte Phasendrehung
bcsciligt werden. In vielen Fällen insbesondere bei der Verwendung von Transistorverstärkern,
durch dic die Ausgangsspannungen vor der Zuführung zu der Vergleichseinrichtung
verstärkt werden sind clie Eingangswiderstände der Verstirker von der Temperatur
und von anderen Einflüssen abhängig, so daß eine zusätzliche, zeitlich veränderliche
Phasendrchung auftritt. Bei Präzisionsmessungen ist eine solche Drchung einem erheblichen
Meßfchler ialuiv. llclll.
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Erfindungsgemäß wird daher zur Beseitigung dieser Umstäde eine Einrichtung
zur elektrischen Winkel-oder Längenmessung der eingangs näher bezeichneten Art vorgeschlagen,
welche sieh dadurch kennzeichnet, daß cl ic Vergleichsspannung clei. Nl Meßvorrichtung
ebenfalls über einen dieser Vorrichtung vorgeschal-{CtCI1 Verstärker zugeführt ist
und dadurch. daß diesem Verstärker ein lediglich passive Schaltelemente enthaltendes
Scheinwiderstandsnetzwerk vorgeschaltet ist. das unter Einschluß seines Belast ungswiderstandes
hinsichtlich des Phasenwinkels der Vergleichsspannung das gleiche @bersetzungsverhältnis
aufweist WiC cler Meßumformer unter Einbeziehung seines 13clastungswiederstandes.
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In den Zeichnungen ist eine Einrichtung nach der Erfindung als Ausfßhrungsbeispiel
erläutert.
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1 1 g. 1 und 2 erläutern dcn prinzipiellen Aufbau ii eines Meßumformers
der hier verwendeten Art F i g. 3 zeigt ihren elektrischen Aufbau schematisch F
i g. 4 erläutert den elektrischen Aufbau des Meßumformers nach F und i g. 1 and
2 an Hand eines elektrischen Erstzschaltbildes; F i g. 5 bis 7 erläutern Ausführungsbeispiele.
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In j: i g. @ ist iii Teidarstellung uticl 1 @raufsicht der Rotor
des Meßumformers, eine Glasplatte 1, drgestellt. 1 Die Glasplatte 1 ist auf ihrem
1 Umfang ist einer üblichen Kreisteilung 2 versehen, the es es @m
Verbindung mit
einer geeigneten optischen Ablesevorrichtung gestattet. die Winkelstellung des Rotors
visucll zu bcstimmcn. Zur elektrischen Abbildung dieser Winkelstellung ist die Oberlliichc
des Rotors teilweise mit kreisringförmigen Metallbelegungen 3.
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4 und 5 versehen. Die Belegungen 4 und 5 sind jeweils durch mäanderförmig
verlaufende Aussparungen 6 und 7 in jeweils zwei elektrisch voneinander isolierte
Tcilc 8 und 9 bzw. 10 und 11 zerlegt.
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Die F i g. 2 zeigt in Teildarstellung und Draufsieht den Stator des
Mcßtllllformcrs. eine Glasplatte 12. Er weist auf seiner Oberfläche die kreisringförmigen
Metallbelegungen 13 und 14 auf. Die Belegung 13 ist durch eine mäanderförmige Aussparung
15 in zwei elektrisch voneinander isolierte Tcilc 16 und 17 zerlegt.
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In Gebrauchslage (1 i g. 3) sind die Mctallhclcgungen von Rotor 1
und Stator 12 einander in geringem Luftabstand gegenüberstehend angeordnet. und
der Rotor ist gegen den Stator um eine durch den Mittelpunkt der Metallbelegungen
gehende Drchachsc 18 drehbar gelagert. Die Teile 8,9, 10 und 11 der Belegungen 4
und 5 sind über Zuleitungen und über Schleifringe mit jeweils einer Spannungsquelle
19 19 verbunden. die jede Teilbelegung mit einer Wechselspannung speist. Die Spannungen
weisen die gleiche Frequenz auf. Sie sind jedoch gegeneinander in passender Weise
so phasenverschoben. daß auf der Metallbelegung des Stators zwischen den Belegungen
15 und 17 eine Wechselspannung influenziert wird. deren Phasenwinkel sieh bei Drehung
des Rotors I um die Achse 18 periodisch und stetig zwischen 0 ... 2 @ ändert, Die
Änderung ist dem Drehwinkel @ liiieat. zugeordnet. l)ie Teile 8, 9. 10. II der Belegungen
4 und 5 bilden als Elektroden mit den Teilen 16 und 17 der Belegung 13 als Getgenelektrode
ein System variabler kapazitiver Kopplung, welches als Wechselspannungsgenerator
t<ir aufgefaßt werden kann.
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Im übrigen ist die Anordnung nach F i g. 3 derart getroffen, daß
eine tlcr Elektroden 16 und 17 iii Masse gelegt und die andere wie dargestellt mit
dem Eingang eines Verstärkers 20 verbunden ist.
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Eine cler vier Speisespannungen des Meßumformers 1.
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12 dient als Vergleichsspannung für den Phasenwinkel seiner Ausgangsspannung.
Sie wird mittels eines Verstärkers 21 verstärkt. Die Ausgangsspanlltlll cll tlcr
Verstärker 20 und 21 sind einer Phasenmeßvorrichtung 22 zugeführt, clie die Phase
cler Ausgangsspannung des Meßumformers und damit die Stellung der Drchachse 18 digital
anzeigt.
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Von dem Generator 19 führt eine Leitung 24 an Masse. die als Bezugspunkt
für clie vier phasenverschobenen, dem Rotor 1 zugeführten Wechselspannungen dient.
Die freien Eingangsklemmen der Verstärker 20 und 21 sind dabei an Masse gelegt.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Die dem Rotor 1 zugeleiteten phasenverschobenen
Wechselspannungeii influenzieeren auf der nicht an Masse gelcgtcii Elektrode des
Stators 12 eine Ausgangswechselspannung, die dem Verstärker 20 20 zugeleitet ist.
Die Phasenlage cler Ausgangswechselspannung is dabei a abhängig von der Winkelstellung,
die der Rotor 1 und der Stastor 11 II gegeneinander einnehmen. Bedingt durch die
besondere Eigenart der mäanderförmigen Schnittlimen, durch clie die Kondensatorbelegungen
voll einander getrennt sind, ergibt sich dabei die Proportionalitär # n # q, wobei
unter q der Drehwinkel der Drehachse 10 und unter # der Phasenwinkel
zu
verstehen ist. um den die Ausglngsspannung gegenüber der Vergleichsspannung verschoben
ist.
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Die meist kleine Ausgangsspannung muß dabei zur Vermeidung von Störeffekten
möglichst nahe an ihrem Entstehungsort verstärkt werden. Dic Eingangswiderstände
der Verstärker 20 und 21, vorzugsweise die gesamten Venstärkeranordnungen, sind
gleich hinsichtlich ihrcs zeitlichen Vcrhaltcns (Tcmpcraturverhaltens) ausgebildet.
Außerdem wird in die Versorgungsleitung, die die Bezungsspannung dem Verstärker
21 zuführt,ein Kondensator C eingeschaltet.
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Dieser Kondensator hat dieselbe Kapazität wie die nicht geerdete
Elektrode des Stators 12 gegenüber sämtlichen Elektroden des Rotors,die man sich
dabei parallel geschaltet zu denken hat, Bei Anwendung dieser Maßnahmen erreicht
man, daß sich nur die Differenz der Eingangswiderstandsänderungen beider Versärker
auf das Meßergebnis auswirken kann. Da die Verstärker gleichartig aufgebaut sind,
ist diese Differenz schr vicl geringer als die Änderungen der Eingangswiderstände
selbst.
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Zur Erläuterung der Größe der Kapazität C sci auf die F i g.4 verwiesen.
die als Ersatzschaltbild fiir deti kapazitiven Phasenschieber 1. II aufzufassen
ist. In diesen' Ersatzschaltbild sind mit U1, U2, U3, U4 die vier phasenverschobenen,
dem Rotor 1 zugeführten Wechselspannungen bezeichnet.
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Die Teilkapazitäten zwischen der Abnahmeclektrode (das ist die nicht
an Masse gelege Elektrode clcs Stators) und den vier Speiseelektroden der anderen
Platte sind durch die Kondensatoren C1(q) bis C4(q) dargestellt. Von der Ausgangsklemme
A aus betrachtet stellt dieses TGebilde einen Generator dar.
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Seine Lecrlaufspannung U1.(q) ist die an der Abnahmeelektrode vorhandene
Spannung, wenn diese Elektrode unbelastet. d. h. der Verstärker 20 abgetrennt ist.
Den Generatorinnenwiderstand erhält man bekanntlich, wenn man sich alle Spannungsquellen
kurzgeschlossen denkt. Schließt man in Ii i g. 4 clie Spannungsquellen kurz, So
sieht man, daß cler Iunenwiderstand durch dieKapazität C1+C2+C3+C4 gebildet wird.
Das ist aber wie oben gesagt die @@ Kapazität (der Abnahmeelektrode gegen die gesamte
gegenüberstehende Platte. Diese Kapazität wird durch den kr Kondensator C in F i
g.3 nachgebildet.
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Die Eingangsspannung des Verstärkers 20 beträgt demnach R1 U@@ UL(q)
# . (1) RF @ @ @ Der mit der Vergleichsspannung gespeiste Verstärker 21, welcher
voraussetzungsgemäß ebenfalls dcii Eingangswiderstand R@ besitzt, wird über die
Kapazität C von der Vergleichsspannung gespeist, die hier mit U1 bezeichnet sein
möge. Seine Eingangsspannung beträgt Re U12 U1 # (2) R1 | Die Phasendifferenz zwischen
U@@ und U12 ist also gleich cler Phasendifferenz zwischen I; und 1 und zwar dem
von der Erfindung angestrebten Zweck entsprchend unabhängig oder wenigstens
nahezu
unabhängig von der Anderung der Eingangswiderstände RE der beiden Verstärker.
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Bei der bisher beschriebenen Anordnung ist noch nicht die Tatsache
berücksichtigt worden, daß die Abnahmeelektrode auch noch eine Kapazität gegen Masse
aufweist. Um auch diese Fehlerquelle zu eliminieren. wird diese Kapazität durch
den Kondensator C' am Eingang des Verstärkers 20 nachgebildet. Der Kondensator C'
ist mit seiner einen Seite geerdet und mit seinem anderen Ende an die Verbindungsleitung
zwischen dem Kondensator C und dem Verstiirkereingang von 21 angeschlossen.
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Die Erfindung läßt sich weiterhin so verbessern. daß auch noch Fehler,
die durch Abstandsänderungen zwischen Rotor und Stator während des Drehens entstehen
können. eliminiert werden. Hierzu wird vorgeschlagen, den Kondensator C mit seinen
beiden Elektroden jeweils auf Rotor und Stator anzuordnen.
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Zu diesem Zwecke sind die Belegungen 3 und 14 (s. F i g. 1 und 2)
vorgesehen worden, die als die beiden Elektroden des Kondensators C dienen können.
Ändert sich also der Abstand des Rotors vom Stator, was nach (1) auch eine Phasendrehung
der Meßspannung UE1 verursacht, so tritt diese Phasendrehung als Fehler nicht in
Erscheinung. weil durch die gleichartige Abstandsänderung der Elektroden des Kondensators
C eine gleich große Phasendrehung der Spannung UE2 gemäß Formel (2) erfolgt und
demgemäß die als Meßgröße dienende Phasendiffereiiz nicht beeinflußt wird. Diese
beiden Phasenwinkelfehler werden nämlich durch die Phasenvergleichseinrichtung 22
herausgehoben.
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Die Erlindung läßt sich auch unter Einbeziehung einer bereitgs bekannten
Maßnahme vewirklichen.
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Der in den Zeichungen dargestellte Meßumformer weist nämlich den Nachteil
auf, daß die Apannungszu-bzw. -abletiung zum bzw. vom Rotor iiber Kollektoren erfolgen
muß.
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Nach einem bekannten Vorgehen kann man die Kollektoren dadurch vermeiden.
daß man als Rotor die Scheibe mit der geringeren Zahl von Anschlüssen (also hier
die Scheibe 12 mit ihren zwei Anschlüssen) verwendet. während die Scheibe, die die
meisten Anachlüsse aufweist. zweckmäßig als Stator verwendet wird. Der Kollektor
zur Abnahme oder Zuleitung der Spannung vom Rotor kann dann dadurch eingespart werden,
daß man die Elektroden dieser Platte vergrößert und dieser Verzögerung gegenüber
auf dem Stator eine zusätzliche kreisringförmige Elektrode anbringt. Die Zulcitung
oder Ableitung der Spannung zum oder vom Rotor wird dann durch kapazitive Koppelung
über diese besondere Elektrode bewerkstelligt (Koppelkondensator).
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I) iescr Koppel kondensator sei mit C bezeichnet.
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Es ist dann ercichtlich, daß man die Kapazität C im Vergleichspfad
vor dem Eingang des Verstärkers 21 so bestimmen mtiß, daß sie auch noch die Koppelkapazität
( berücksichigt. Man berechnet sie. indem man die Kapazität cler Reihenschaltung
vom Koppel= kondensator C" mit den parallelgeschalteten Teilkapazitäten C1 (q) bis
C4(q) bestimmt.
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Wenngleich es im Prinzip möglich ist, die Eingangswechselspannungen
cles Meßumformers u und cl ie Bezugswechselpannung jeweils durch besondere Generatoren
herzustellen, ist es doch von großem Vorteil, sämtliche Spannungen von einem einzeigen
Generator abzuleiten. da so clie erforerliche genaue Frequenzgleichheit am einfachsten
und sichersten gewährleister
ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen.
daß die Ausdrücke »Masse« bzw. »geerdet« so zu verstehen sind, daß die Masse bzw.
Erde den gemeinsamen Bezugspunkt für die Ausgangswechselspannung und für die Bezugswechselspannung
darstellt. Dieser Bezugspunkt kann an ein Gehäuse oder an Erde gelegt sein, muß
es aber nicht notwendig.
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Die Erfindung ist nicht an den dargestellten Spezialfall gebunden,
bei dem eine der Elektroden des Stators 12 an Masse gelegt ist. Vielmehr könnte
diese Elektrode statt direkt auch über eine Impedanz an Masse gelegt sein. In dem
dargestellten Ausführungsbeispiel ist ja die an Masse gelegte Elektrode wirkungslos
und trägt nichts zur Ausgangsleistung bei. Ihr Vorhandensein hat dabei hauptsächlich
fertigungstechnische Gründe. Will man z.B. auch sie zur Erzeugung einer Ausgangswechselspannung
nutzbar machen, so ließe sie sich beispielsweise einer Phasenumkehrstufe zuführen,
deren Ausgangsspannung in geeigneter Weise mit der von der Abnahmeelektrode gelieferten
Ausgangsspannung in Reihe geschaltet und dem Verstärker 20 zugeleitet werden könnte.
Man erhielte dann eine stärkere Ausgangsleistung des Phasenschiebers.
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Der Eingang einer solchen Phasenumkehrstufe stellt nun aber eine
Impedanz dar, von der zunächst angenommen sei, daß sie konstant ist. Dann bedeutet
das also, daß die bisher an Masse gelegte Elektrode jetzt über eine Impedanz Z an
Masse liegt. In diesem Fall werden die Verhältnisse unübersichtlich. Es müssen dann
im Vergleichskanal die Kondensatoren C und C' durch Kopplungsdreipole ersetzt werden,
die die Kapazitäten beider Abnahmeelektroden gegen die Elektroden des Rotors sowie
die Teilkapazität gegenüber dem Bezugspunkt der von dem Generatorl9 erzeugten phasenverschobenen
Wechselspannungen und die Impedanz Z nachbilden. Ein solcher Kopplungsdreipol ist
in F i g. 5 (in Dreieckschaltung) und in F i g. 6 (Sternschaltung) dargestellt.
In diesen Ausführungsbeispielen ist angenommen. daß die Vergleichsspannung jeweils
an den Punkten a und a' in das Netzwerk eine und in den Punkten b und b' aus dem
Netzwerk austritt. Von den Punkten b und b' aus ist sie dem Verstärker 21 zugeleitet.
Diese Kopplungsdreipole bestehen aus einer Zusammenschaltung von Kondensatoren und
der Impedanz Z'. Dabei liegen die Punkte a' und b' in beiden Fällen an Masse bzw.
stellen den gemeinsamen Bezugspunkt für die phasenverschobenen Eingangswechselspannungen
des Phasenschiebers und für die Bezugsspannung dar.
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Die Form des Kopplungsdreipols ergibt sich aus einem Ersatzschaltbild,
das komplizierter ist als im Fall der F i g. 4. In F i g. 5 stellt C wieder die
Teilkapazität der Abnahmeelektrode gegen die Summe der Belegungen 8, 9, 10, 11 der
Rotorplatte dar. Mit C* ist die Teilkapazität der anderen über die Impedanz Z an
Masse gelegten Elektrode gegenüber den Belegungen 8, 9, 10, 11 bezeichnet, während
CK die Kapazität zwischen den beiden Elektroden der Abnahmeplatte (das ist beim
Ausführungsbeispiel die Statorplatte) bedeutet. Z' bildet die Impedanz Z nach.
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Dabei muß Z = Z' gelten. und Z' muß das gleiche Widerstandsverhalten
aufweisen wie die Impedanz Z.
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Der Kopplungsdreipol nach F i g. 6 läßt sich durch einfache Stern-Dreieck-Transformation
aus dem der F i g. 5 herstellen. Die Kapazitäten Ki. K2 und K3 sind mit den Gesetzen
der Stern-Dreieck-Transformation zu berechnen.
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Wenn hier als Ausführungsbeispiel ein solches gewählt worden ist,
bei dem der Phasenschieber kapazitiv arbeitet, so treten doch prinzipiell die gleichen
Probleme bei induktiv arbeitenden Systemen auf. Bei solchen Phasenschiebern hat
man sich den Rotor und den Stator mit Spulenelementen oder Stromschleifen belegt
zu denken, die mit Wechsclstrom gespeist werden und induktiv miteinander gekoppelt
sind. Auch in diesen Einrichtungen kann es notwendig sein, die von den Anderungen
der Verstärkereingangswiderstände hervorgerufenen Phasendrehungen im Vergleichskanal
nachzubilden. Dies ist in der F i g. 7 dargestellt, in der mit 30 der Generator
zur Erzeugung der Wechselspannungen für den Phasenschieber und für den Vergleichskanal
bezeichnet ist, während L, r und C"' induktive, ohmsche und kapazitive Schaltelemente
sind. die zu einem Netzwerk vereinigt sind. Dieses Netzwerk liegt vor dem Eingang
des Verstärkers, der sich im Vergleichskanal befindet. Sein Eingangswiderstand ist
ersatzschaltbildmäßig durch R. dargestellt. Auch in diesem Fall müssen beide Verstärker
gleichartig aufgebaut werden, zumindest aber gleiche Verstärkereingänge aufweisen.
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Für den Fall, daß eine Verstärkung der Ausgangsspannung des Phasenschiebers
oder der Vergleichsspannung nicht notwendig ist. ist sinngemäß dafür zu sorgen,
daß die beiden Eingänge der Phasenvergleichseinrichtung 22 gleichartige Eingangswiderstände
aufweisen.