DE1290345B - Messumformer zur Winkelstellungsmessung - Google Patents

Messumformer zur Winkelstellungsmessung

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DE1290345B
DE1290345B DEC41437A DEC0041437A DE1290345B DE 1290345 B DE1290345 B DE 1290345B DE C41437 A DEC41437 A DE C41437A DE C0041437 A DEC0041437 A DE C0041437A DE 1290345 B DE1290345 B DE 1290345B
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Schulz
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    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Zeichnungen erläutern die Erfindung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. Patentanspruch: 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 erstreckend und mit geradlinig 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 Gegenfläche eine Wechselspannung mit bei Drehung des Rotors in Abhängigkeit vom Drehwinkel periodisch variierendem Phasenwinkel influenzieren, dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinig verlaufenden Randlinien (12) der Teilelektroden (7, 8, 9, 10; 24, 25) des Meß- oder Abgriffselektrodensystems gegen die geradlinig verlaufenden Teile (27) des jeweiligen Gegenelektrodensystems um den Umfang der Drehachse (28) des Rotors (20) gleichförmig um einen festen Winkel ß geneigt angeordnet sind.
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SE330267B (de) 1970-11-09
CH465249A (de) 1968-11-15

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