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Die Erfindung betrifft einen Meßumformer zur Umformung der Winkelstellung
einer Welle in den Phasenwinkel einer Wechselspannung, bestehend aus einem mit der
Welle verdrehbaren Rotor, aus einem Stator und aus einem auf sich gegenüberstehenden
Flächen von Rotor und Stator angeordneten, aus Meß- und Abgriffselektroden gebildeten
Kondensatorsystem, dessen Elektroden Teilelektroden aufweisen, die sich über gleich
große Winkelsektoren erstrekkend und mit geraden und kreisbogenförmig verlaufenden
Randlinien versehen um die Drehachse des Rotors in periodischer Verteilung angeordnet
sind, bei dem Teile des Meßelektrodensystems auf einer Fläche gelegen zu mehreren
Teilelektroden vereinigt sind, die mit gegeneinander phasenverschobenen Wechselpotentialen
speisbar an den Abgriffselektroden der anderen Fläche eine Wechselspannung mit bei
Drehung des Rotors periodisch in Abhängigkeit vom Rotordrehwinkel variierenden Phasenwinkel
influenzieren.
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Elektrostatische Meßumformer dieser und ähnlicher Bauart sind bekannt
(Zeitschrift »Control Engineering«, Mai 1960, S. 109 bis 111, und deutsche Patentschrift
1098 858). Sie dienen zur Winkelstellungsmessung an drehbeweglich gelagerten Maschinenteilen,
an optischen Zielverfolgungsinstrumenten nach Art der bekannten Kinotheodolite,
an Drehachsen von Radarantennen u. dgl.
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Ihre Herstellung ist in hochauflösenden Formen relativ kompliziert.
Sie werden zunächst mechanisch durch Eingravieren des Elektrodenmusters in eine
Metallbelegung hergestellt und danach durch fotomechanische Reproduktion dieses
Originalmusters vervielfältigt. Die Herstellung dieses Originals erfolgt auf einer
üblichen Kreisteilmaschine, weshalb das Elektrodenmuster relativ einfach gehalten
werden muß.
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Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Meßumformer
der genannten Art zu schaffen, dessen Meß- und Abgriffselektroden zwecks einfacher
Herstellbarkeit auf einer Kreisteilmaschine gleichförmig geteilt sind, nur geradlinige
und kreisbogenförmig verlaufende Randlinien aufweisen und der dennoch eine Ausgangsspannung
an den Abgriffselektroden erzeugt, die einen Phasenwinkel aufweist, der weitgehend
linear mit dem Drehwinkel des Rotors variiert.
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Der vorliegenden Erfindung entsprechend wird ein Meßumformer der
eingangs näher bezeichneten Art vorgeschlagen, der sich dadurch kennzeichnet, daß
die geradlinig verlaufenden Randlinien der Teilelektroden des Meß- oder Abgriffselektrodensystems
gegen die geradlinig verlaufenden Teile des jeweiligen Gegenelektrodensystems um
den Umfang der Drehachse des Rotors gleichförmig um einen festen Winkel geneigt
angeordnet sind Es ist an Einrichtungen zur Winkelstellungsmessung mit Umformung
des Meßwerts in die Amplitude eines Wechselstroms an sich bekannt (vgl. die britische
Patentschrift 811669), die auf dem Rotor und dem Stator eines solchen Meßumformers
einander gegenüberliegend und in Mäanderform angeordneten, in induktiver Wechselwirkung
miteinander stehenden elektrischen Leiter dieser Meßumformer so anzuordnen, daß
ihre parallel verlaufenden Teile geneigt gegen den jeweiligen Durchmesser von Rotor
und Stator, d. h. geneigt gegen die Bewegungsrichtung des Rotors, verlaufen. Diese
Neigung ist jedoch auf dem Rotor und dem Stator gleichmäßig eingehalten und
dient
allein zur Verbesserung des Auflösungsvermügens. , Die bei Meßumformern nach der
Erfindung vorgeschlagene Neigung der Elektroden hängt von der Breite des Winkelsektors,
über den sich die Teilelektroden erstrecken, ab und ist so zu wählen, daß bei der
Abtastung des Elektrodenmusters ein Wechselpotential influenziert wird, das einen
Phasenwinkel des gewünschten Verlaufs aufweist.
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Das Muster dieses Meßumformers ist trotz Neigung seiner Teilelektroden
einfach auf einer Kreisteilmaschine herzustellen, wobei der Musterträger in üblicher
Weise mit einer garvierfähigen Belegung versehen wird und das Muster in diese Belegung
auf der Teilmaschine mittels des Teilwerkzeugs eingraviert wird. Die Eingravierung
der geneigten Randlinien des Musters erfolgt dabei jeweils nach einer Drehung des
Musterträgers um einen festen Winkel durch ein Reißerwerkzeug der Teilmaschine,
welches die Gravur nicht - wie üblich - in radialer zum Teilungszentrum der Maschine
verlaufender Weise, sondern - geradlinig - in einer Richtung, welche parallel zu
einem Durchmesser, d. h. nicht durch das Teilungszentrum, verläuft.
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Die Umformung der Winkelstellung des Rotors in den Phasenwinkel der
Umformungsspannung ist dabei in linearer Weise natürlich nur in begrenztem Umfang
durchführbar. Sie ist jedoch bei feiner werdender Unterteilung des Musters mit in
vielen Fällen praktisch hinreichender Genauigkeit möglich. So läßt sich relativ
leicht ein Muster dieser Art herstellen, das eine Ausgangsspannung erzeugt, deren
Phasenwinkel sich bei Drehung des Rotors um 40 um 2 stetig und hinreichend linear
ändert. Die Genauigkeit der Abbildung erfolgt dabei mit einem maximalen Fehler von
0,0020.
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Die Zeichnungen erläutern die Erfindung.
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F i g. 1 zeigt in Draufsicht auf den Stator des Umformers sein Meßelektrodenmuster;
F i g. 2 zeigt in Draufsicht auf den Rotor des Meßumformers sein Abgriffselektrodenmuster;
Fig. 3 zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Meßelektrodenmuster,
und Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des bei dem Umformer auftretenden
Abbildungsfehlers.
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In F i g. 1 (vgl. wegen der Bezeichnungen auch die F i g. 3) bezeichnet
1 eine runde Glasscheibe, die auf einer ihrer beiden kreisförmigen Oberflächen zwischen
den Rändern 2 und 3 eine z. B. durch Aufdampfen im Vakuum aufgebrachte Belegung
aus gravierfähigem Metall in Kreisringform aufweist. Der Kreisring 2, 3 ist durch
eine in seinem Innern gelegene Aussparung 4, die die Metallbelegung vollkommen durchschneidet,
in die beiden flächengleichen und voneinander elektrisch isolierten Kreisringe 2,
4 und 4, 3 zerlegt Diese Kreisringe sind jeweils wiederum in zwei elektrisch voneinander
isolierte Teile zerlegt. Diese Zerlegung erfolgt durch nach Art eines Mäanderbandes
verlaufende Aussparungen 5 und 6.
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Es entstehen so vier elektrisch voneinander isolierte Elektroden
7, 8, 9 und 10, deren fingerartig ineinandergreifende Teile sich über gleich große
Winkelsektoren der Breite a über den gesamten Umfang des Kreisrings 2, 3 erstrecken.
Die Aussparungen 5 und 6 setzen sich aus kreisbogenförmigen Teilen (z. B. 11) und
geradlinig verlaufenden Teilen (z. B. 12) zusammen. Die kreisbogenförmig verlaufenden
Aussparungen in der Belegung sind auf einer Kreisteilmaschine
mit
dem Mittelpunkt 29 des Kreisrings 2, 3 als Teilungszentrum hergestellt, und es sind
die geradlinig verlaufenden Teile der Aussparungen 5 und 6 unter einem festen Winkel
ß (vgl. F i g. 3) gegen die Richtung des jeweiligen Durchmessers der Scheibe 1 geneigt.
Das periodische Muster der Aussparung 5 ist um einen festen Betrag, z. B. um ein
Viertel seiner Periode - also um den Winkel &2 - gegen die Periode des Musters
der Aussparung 6 phasenverschoben in dem Kreisring 2, 4 angeordnet. Die vier Elektroden
7, 8, 9 und 10 sind über (nicht eingezeichnete) elektrische Anschlüsse mit jeweils
einer Wechselspannungsquelle verbindbar.
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In der Fig. 2 bezeichnet 20 eine Glasscheibe mit dem gleichen Durchmesser
wie die Scheibe 1. Sie trägt innerhalb des Kreisrings 21, 22 eine Metallbelegung,
die durch die nach Art eines Mäanderbandes verlaufende Aussparung 23 in zwei elektrisch
voneinander isolierte Teile 24 und 25 zerlegt ist. Die Teile der Aussparung 23 verlaufen
teils kreisbogenförmig (z. B. 26), teils geradlinig (z. B. 27). Die geradlinigen
Teile der Aussparung verlaufen überdies jeweils in Richtung des Durchmessers der
Scheibe 20, so daß die fingerförmig ineinandergreifenden Teile der Abgriffselektroden
24 und 25 sich über den Umfang der Scheibe 20 über stets gleich große Winkelsektoren
erstrecken. Diese Breite entspricht dem Winkel, also der Breite der Teilelektroden
auf der Scheibe 1.
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Beide Elektroden weisen (ebenfalls nicht dargestellt) elektrische
Anschlüsse auf, über die sie mit dem Eingang eines elektrischen Verstärkers verbindbar
sind, dem dann seinerseits elektrische Meßvorrichtungen zum Vergleich des Phasenwinkels
der Abgriffsspannung mit dem Phasenwinkel einer Speisespannung nachgeschaltet sind.
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Die beiden Scheiben 1 und 20 sind in ihrer Gebrauchslage koaxial
einander in geringem Luftabstand mit ihren Metallbelegungen gegenüberstehend gelagert,
und es ist z. B. die Scheibe 20 um ihrem Mittelpunkt 28 gegen die Scheibe 1 in einem
Lager verdrehbar gelagert.
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Bei Verdrehung des Rotors 20 gegen den Stator 1 tasten die Elektroden
24 und 25 die Elektroden 7, 8, 9 und 10 ab, und es wird auf ihnen eine zeitlich
veränderliche Ladung influenziert, die sich aus den einzelnen Kapazitäten zwischen
den Meßelektroden 7, 8, 9 und 10 und den Abgriffselektroden 24 und 25 und aus den
Speisespannungen der Meßelektroden errechnet. Damit der erwünschte lineare Zusammenhang
zwischen der Potentialdifferenz an den Elektroden 24 und 25 und dem Drehwinkel des
Rotors 20 gegeben ist, sollten sich die Kapazitäten, die von den Elektroden 24 und
25 und den Gegenelektroden 7, 8, 9, 10 gebildet sind, im wesentlichen sinusförmig
ändern, und es müssen die Speisepotentiale der Elektroden der Scheibe 1 bestimmte
Phasenverschiebungen gegeneinander aufweisen. Sie schwingen z. B. mit einer Phasenverschiebung
von jeweils <z/2, n und 3 r72 gegeneinander, wobei die Speisespannungen der Elektroden
7 und 8 und die Elektroden 9 und 10 jeweils um a/2 gegeneinander phasenverschoben
sind.
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Inwieweit der erwähnte Kapazitätsverlauf sinusförmig ist, zeigt die
F i g. 4. In ihr ist im linken Teil der Darstellung mit abfallendem Verlauf die
als Kondensatorfläche wirksame Fläche J F z. B. zwischen der Elektrode 24 und einer
Teilelektrode der Elektrode 7, die sich über den Winkel es erstreckt, als Funktion
des Rotordrehwinkels ç gezeichnet, wobei der Neigungswinkel ß der geraden Randlinien
12 der Meßelektroden gegen die Richtung des Durchmessers der Scheibe 1 als Parameter
dient. Im rechten Teil der Fig. 4 ist mit steigendem Verlauf die entsprechende Fläche
einer Nachbarelektrode und der Abgriffselektrode dargestellt. Ist ß 0 O (vgl. die
gestrichelt eingezeichneten Berandungen 50 und 51 in Fig. 3!), d. h., verlaufen
diese Randlinien in Richtung des Durchmessers, so fällt die Fläche als Funktion
von u von ihrem Maximum zum Minimum A F = 0 ab bzw. steigt von diesem Minimum zum
jeweiligen Maximum an. Die Funktion F ist periodisch und erreicht jeweils nach ç
= 2 : den gleichen Wert.
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Steigert man den Winkel ß, so existiert ein Winkel ß', für den sich
der Verlauf von A F stückweise dem Verlauf einer Sinusfunktion annähert. Wählt man
ß zu ß', so ist der mit dem Umformer erzielbare Abbildungsfehler ein Minimum. Es
liegt für einen Umformer mit a = 20 und einem mittleren Teilungsdurchmesser von
etwa 180 mm mit einem etwa 30 mm breiten Kreisring bei ß z 130.