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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Meßumformer mit gegeneinander
bewegbaren Elektrodenteilen, wobei die Kondensatorelektroden im Winkel zur Bewegungsrichtung
und in zyklischer Reihenfolge angeordnet sind, derart, daß das von den Elektroden
erzeugte Signal zeitlich proportional der zeitlichen Verschiebung der bewegbaren
Teile ist, und wobei sich die kapazitiv miteinander verkoppelten Elektrodenteile
vom Stator und Rotor so in Abstand gegenüberstehen, daß bei gleichzeitiger Verdrehung
der Elektrodenteile ein Ausgangssignal entsteht, das zwischen Maximum und Minimum
schwankt und die relative Position von Stator und Rotor anzeigt, und wobei ferner
die Kondensatorelektroden aus Leitflächen gebildet sind, die durch eine in Umfangsrichtung
ver laufende wellenförmige Trennlinie in ein Leiterpaar getrennt sind.
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Elektrische Meßgeräte zum Umsetzen von mechanischen linearen oder
Winkel-Verschiebungen in elektrische Ausgangssignale, die ein Maß für die Verschiebung
darstellen, sind bereits bekannt. Im allgemeinen weisen derartige bekannte Einrichtungen
feststehende Windungen und dazu relativ bewegbare Windungen auf, die gegenseitig
kapazitiv oder induktiv gekoppelt sind. Bei diesen bekannten Geräten werden Änderungen
der elektrischen Kopplung zwischen den zwei Teilen, entsprechend der relativen Bewegung,
normalerweise durch Zuführung eines Steuersignals zu einer der bewegbaren Windungen
gemessen und die Amplitude des Signals ermittelt, das in der komplementären Windung
als ein Maß der relativen Verschiebung zwischen den beiden Teilen erzeugt wird.
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Bekannte Meßumformer zur Verschiebungsmessung (USA.-Patentschrift
2674729, 2650352 und 2671892) weisen eine Anzahl von Nachteilen auf, die die Genauigkeit
und den Verwendungsbereich der Geräte wesentlich beeinträchtigen. Die nachteiligste
Wirkung ist darauf zurückzuführen, daß bei den bekannten Umformern das elektrische
Ausgangssignal in Form einer Amplitudenmodulation auftritt und daß die in den Umformern
erhaltenen Amplituden der Ausgangssignale direkt oder indirekt durch mehrere andere
Faktoren als die Verschiebung des einen Teiles gegen den anderen beeinflußt werden
können. Während die Wirkungen einiger dieser Fehlerursachen durch sorgfältigen Aufbau
und Verwendung des Gerätes verringert werden können, sind die Wirkungen von anderen
Fehlerquellen schwierig oder unmöglich zu kontrollieren, und alle Fehlerquellen
begrenzen die dem Gerät eigene Meßgenauigkeit.
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Eine andere wesentliche Quelle der Ungenauigkeit bei diesen bekannten
Umsetzern mit induktiver Kopplung liegt in der verteilten Eigenkapazität zwischen
den Teilen des Umformers, insbesondere zwischen dem Steuer und dem Abtastteil, und
in unerwünschten Änderungen in der verteilten Kapazität zwischen den relativ zueinander
bewegbaren Teilen. Diese unerwünschten Kapazitäten und deren Änderungen führen zu
kapazitiven Spannungen, die als eine Komponente der Ausgangssignalspannung auftreten.
Dadurch ist eine Amplitudenänderung der Ausgangssignalspannung nur bis zu dem Betrag
abhängig von der Änderung der induktiven Kopplung, durch den der gewünschte induktive
Kopplungseffekt von dem unerwünschten kapazitiven Kopplungseffekt überschritten
wird. Die Änderungen der verteilten Kapatität bei den bekannten Umsetzern sind wegen
der
Größe der sich ändernden übereinanderliegenden Fläche der Leiterteile des Steuer-
und Abtastteiles relativ groß.
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Eine weitere Ungenauigkeitsquelle bei bekannten Umformern wird durch
eine geringe Exzentrität der ringförmig angeordneten Teile oder durch eine geringe
Abweichung von der Fluchtlinie bei einer linearen Anordnung verursacht. Bei bekannten
Umformern verursachen solche Unregelmäßigkeiten erhebliche Ungenauigkeiten.
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Ferner begrenzt bei diesen bekannten Umformen der Geräuschpegel des
Systems die unterste Auslösung des Gerätes.
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Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Umformer ist die Vieldeutigkeit
der Ausgangsnachricht, die von der mehrteiligen Anordnung herrührt. Daher ist es,
um diese Vieldeutigkeit umzusetzen, notwendig, diese Ausgangsnachrichten in einer
Hilfseinrichtung zu speichern.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, ist ein kapazitiver Meßumformer
mit gegeneinander bewegbaren Elektrodenteilen bekannt (USA.-Patentschrift 2674729),
bei dem die Kondensatorelektroden im Winkel zur Bewegungsrichtung in zyklischer
Reihenfolge angeordnet sind, so daß das von den Elektroden erzeugte Signal zeitlich
proportional der zeitlichen Verschiebung der bewegbaren Teile ist, und die kapazitiv
miteinander verkoppelten Elektrodenteile von Stator und Rotor stehen sich dabei
in Abstand gegenüber, so daß bei gegenseitiger Verdrehung der Elektrodenteile ein
Ausgangssignal entsteht, das zwischen Maximum und Minimum schwankt und die relative
Position von Stator und Rotor anzeigt Bei dieser bekannten Anordnung sind an Stator
und Rotor zwei im wesentlichen gleiche Leiterelemente angeordnet, die aus einem
Leiterband bestehen, welches durch eine dielektrische Trennlinie voneinander getrennt
ist.
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Auch bei dieser bekannten Anordnung ergeben sich noch Ungenauigkeiten,
in den die RelaÜ'bewegung zwischen dem Stator und Rotor anzeigenden Ausgangssignalen.
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Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Meßumformer
der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß eine noch größere Genauigkeit des
Ausgangssignals für die Anzeige der Relativbewegung zwischen Stator und Rotor gegeben
ist.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, siaß die Kondensatorelektroden
wenigstens tier Leitungselemente einschließen, die paarig angeordnet sind, und die
Leitungselemente eines jeden Paares durch einen im wesentlichen sinusförmigen dielektrischen
Raum getrennt sind, und diese Trennwände in beiden Leiterpaaren außer Phase miteinander
liegen, daß eine Anordnung die Elemente in Phasenverschiebung um 900 verbindet und
die Gegenelektroden durch durch Stege leiterartig verbundene Metallringe gebildet
sind.
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Vorzugsweise sind dabei die Trennräume um 900 und die Eingangssignale
um 1800 außer Phase in den Leitungselementen eines jeden Paares und in Phasenverschiebung
um 900 in den Leitungselementen beider Paare, wobei Leiterstreifen zwischen den
Leiterpaaren auf deren gegenüberliegenden Seiten durch Trennräume getrennt angeordnet
sind und die Stege der leiterförmigen Gegenelektroden je eine Breite entsprechend
einer Hälfte der Wellenlänge der sinusförmigen Räume aufweisen, und wobei einer
der
Leiterringe gegenüber jedem Leiterstreifen angeordnet und mit
den Stegen so verbunden ist, daß das Ausgangssignai mit den Leiterstreifen gekoppelt
wird, wobei die Phase des Ausgangssignals in bezug auf das Bezugssignal die Resultierende
der gekoppelten Signale von der Fläche der durch die Stege abgedeckten Elemente
ist.
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Dabei können insgesamt vier Paare von Leitung elementen und eine
entsprechende weitere Anzahl von leiterförmigen Gegenelektroden vorgesehen sein,
wobei die Wellenlänge dor sinusförmigen Trennräume der zusätzlichen Leitungselemente
von der Wellenlänge der Trennräume der ersten LOeitungselemente so abweicht, daß
die Phase des Ausgangssignals von einem Satz der Leitungselemente der Phase des
anderen Ausgangssignals während der Relative bewegung der sich gegeneinander bewegenden
Elektrodenteile nacheilt.
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Der Umformer gemäß Erfindung bringt mehrere wesentliche Vorteile.
So wird, da die kapazitive Kopplung bei einer Relativbewegung zwischen Rotor und
Stator konstant gehalten wird ; eine Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung
erhalten3 die mit bekannten Geräten nicht zu erreichen sind, Ein weiterer wesentlicher
Vorteil des Umformers gemäß Erfindung besteht in der Möglichkeit der Verwendung
von hochfrequenten Eingangs- und Ausgangssignalen, die eine Auswahl von Frequenzen
und Parametern des Umformeraufbaus derart ermöglichen, daß eine Verzögerung von
2 # oder eines Bruchteiles oder eines Vielfachen davon über einen Abstand der Umformerwindungen
gleich der gewünschten Verschiebung der Anordnung erhalten wird. Es können hochfrequente
Eingangs- und Ausgangssiguale mit nur einer oder mehreren Frequenzen, von denen
wenigstens eine die gewtinschte Verzögerung erzeugt, angewendet werden. Ein Weiterer
Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der vorstehend erwähnten Zeitverzögerung von
2 a. Da ein hohes Auflösungsvermögen für jedes Polpaar des primären Phasensignals
möglich ist, ergibt das sekundäre Phasensignal, das von der Zeitverzögerung um 2
# abgeleitet ist, einen eindeutigen Signalbereich über eine räumliche Verschiebung
einer Vielzahl von Polpaaren mit einer Genauigkeit, die der über eine räurnliche
Verschiebung eines Polpaares erreichten gleich ist.
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Das phasenmodulierte Ausgangssignal, das für die Umformer gemäß Erfindung
kennzeichnend ist, ist mit amplitudenmodulierten Signalen vergleichbar, und kann
einfacher und sehr viel genauer umsetzt und gezählt werden, und es kann auch in
Zahlensystemen verwendet werden, die einen phasenmoduliegen Eingang benötigen.
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Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung dargestellten beispielhaften
Ausführungsformen höher beschrieben, und zwar sind r i g. 1 eine perspektivische
Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die den Rotor und den Stator sowie
das Muster auf dem Rotor zeigt, F i g. 2 eine vergrößerte Aufsicht auf das Muster
des Rotors, Fig. 3 eine vergrößerte Aufsicht auf das Muster des Stators, das' dem
Muster des Rotors gegenüber liegt, Fig 4 eine schematische Darstellung der Stromversorgung
und des Ausganges der verschiedenen Teile des Statormusters,
Fig. 5 eine graphische
Darstellung der Phasenbeziehungen der vier elektrischen Eingänge eines Teiles des
Stators, Fig. 6 eine Darstellung der Beziehungen zwischen dem Rötor- und dem Statormuster
für einen Teil des Umsetzers bei einer ausgewählten relativen Stellung3 Fig. 7 ein
Vektordiagramm, das die Wirkung der vier elektrischen Eingänge auf die Phase des
resultierenden Ausganges eines Teiles des Umsetzers zeigt, Fig. 8 ein Vektordiagramm,
das die resultierende Phase des Ausganges nach einer Bewegung des Rotors relativ
zu dem Stator um 900 (elektrisch) in RicEltnng des Pfeiles in Fig. 6 zeigtj Fig.
9 ein Vektordiagramm, das die resultierende Phase des Ausganges nach einer Bewegung
des Rotors relativ zu dem Stator um 1800 (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in
Fig. 6 zeigt3 Ring. 10 ein Vektordiagramm, das die Resultierende des Ausganges nach
einer Bewegung des Rotors relativ zu dem Stator um 2700 (elektrisch) in Richtung
des Pfeiles in F i g. 6 zeigt, Fig. 11 eine graphische Darstellung der Phasenabhängigkeit
für die zwei gesonderten Teile des Umsetzers während der Drehung des Rotors, Fig.
12 ein Blockschaltbild für die Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den beiden
Ausgängen des Umsetzers.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 enthält der Umsetzer 2 einen
Stator 21 und einen Rotor 22, Viin denen jeder aus einem Material, z. B. GIas oder
Kunststoff, hergestellt werden kann, das seine Abmessungen bei einer weiten Änderung
seiner Umgebungsbedingungen beibehält. Der Stator 21 ist an einer Stange 23 mittels
eines Flansches 2-4 befestigt, der an der Rückseite des Stators mittels mehrerer
Schrauben 25 ; angebracht ist. Die Stange 23 ist ebenfalls an einem feststehenden
Ständer 26 befestigt, der mittels Bolzen 23 an einem Träger 27 angebracht ist.
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Der Rotor 22 ist an der Weile 29 mittels eines Flansches befestigt-,
der dem Flansch 24 gleichartig ist.
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Die Welle ist durch einen Lagerblock 30 geführt, der an einem Träger
befestigt ist. Ein Müster 31 ist in einer dünnen Schicht leitfähigen Materials,
z. B.
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Kupfer, an der Innenfläche 32 deS Rotors und ein Muster 33 aus gleichartigem
Material an der Innenseite 34 des Stators 21 angebracht. In F i g. 1 sind der Rotor
und der Stator getrennt dargestellt. Nach dem Zusammenban des Umsetzers stehen sich
jedoch die Teile mit einem möglichst geringen Abstand gegegenüber. Das Muster 31
des Rotors enthält Metallringe 35 bis 39, die konzentrisch zum Mittelpunkt des Rotors
angeordnet sind (F i g. 2). Eine Mehrzahl von in gleichem Abstand angeordneten radialen
Stegen 40 gleicher Abmessung erstreckt sich zwischen den Ringen 35 und 36, und eine
Mehrzahl von gleichförmigen Stegen 41 erstreckt sich in derselben radialen Richtung
wie die Stege 40 zwischen den Ringen 37 und 38. Die Stege 40 begrenzen eine Mehrzahl
von Öffnungen 42 gleicher Größe wie die Stege, und in gleicher Weise begrenzen die
Stege 41 eine Mehrzahl von Öffnungen 43 von derselben Cr^Qe wie die Stege 41. Die
Stege 40 und 41 und die Öffnungen 42 und 43 bilden den einen Teil des Rotormusters.
In gleichartiger Weise begrenzen radiale Stege 44 Öffnungen 55 von selber Abmessung
wie die Stege 44 zwischen den Ringen 37 und 38,
und gleichartige
Stege 46 in Richtung der Stege 44 begrenzen Öffnungen 47 von derselben Größe wie
die Stege 46 zwischen den Ringen 38 und 39. Die Stege 44 und 46 und die Öffnungen
45 und 47 bilden den anderen Teil des Rotormusters. Um die Wirkung einer nonischen
Teilung zu erhalten, ist die Zahl der Stege 40 und 41 um einen bestimmten Betrag
unterschiedlich von der Zahl der Stege 44 und 46. Bei dem dargestellten Muster sind
200 Stege 40 und 41 und 198 Stege 44 und 46 vorgesehen.
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Das Muster 33 des Stators 21 hat fünf leitfähige Ringe 48 bis 52,
die konzentrisch zu dem Mittel--punkt des Stators angeordnet sind (Fig.3 und 4).
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Jeder Ring ist vollständig von dem Rest des Musters durch kreisförmige
Räume 43 und 44 an gegenüberliegenden Seiten jedes Ringes isoliert. Die Räume sind
in F i g. 4 angegeben, erscheinen jedoch in F i g. 3 wegen ihrer geringen radialen
Breite nur als Linien. Zwischen den Ringen 48 und 49 und von diesen durch die Räume
53 und 54 isoliert sind zwei leitfähige Elemente 55 und 56 angeordnet, die voneinander
durch einen Raum 57 isoliert sind, der annähernd Sinusform hat und sich vollständig
um das Muster 33 erstreckt. Gleichermaßen sind Elemente 58 und 59 zwischen den Ringen
49 und 50 angeordnet und voneinander durch den Raum 60 und von den Ringen durch
die Räume 53 und 54 isoliert. Der Raum 60 hat dieselbe Form wie der Raum 57 und
enthält dieselbe Zahl von Sinusschwingungen, jedoch sind diese um 900 (elektrisch)
außer Phase. Die leitfähigen Elemente55, 56, 58 und 59 bilden den einen Teil des
Statormusters. Für die Zwecke der Beschreibung wird die eine Sinusschwingung des
Raumes 57 oder 60 mit 3600 (elektrisch) zur Unterscheidung von den Graden der mechanischen
Drehung des Rotors bezeichnet.
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Gleichermaßen sind leitfähige Elemente 61 und 62 zwischen Ringen
50 und 51 angeordnet und durch sinusförmige Räume 63 getrennt, während leitfähige
Elemente 64 und 65 zwischen Ringen 50 und 51 angeordnet und durch einen sinusförmigen
Raum 66 getrennt sind. Jedes Element ist ebenso von dem anliegenden Ring entweder
durch den Raum 53 oder 54 isoliert. Die Räume 63 und 66 haben dieselbe Form und
enthalten dieselbe Zahl von Sinusschwingungen, jedoch sind die Schwingungen um 900
(elektrisch) außer Phase. Der andere Teil des Statormusters enthält die leitfähigen
Elemente 61, 62, 64 und 65. Die Räume 57, 60, 63 und 66 sind in F i g. 4 dargestellt,
jedoch in F i g. 4 wegen ihrer geringen radialen Breite nur als Linien zu sehen.
Wie ersichtlich, stehen die Stege 40, 41, 44 und 46 direkt den Räumen 57, 60, 63
und 66 gegenüber, wenn die zwei Muster aneinanderliegend angeordnet sind. Die Umfangsbreite
jedes Steges und jeder anliegenden Öffnung in dem Rotormuster stimmt mit Radius
der gegenüberliegenden Sinusschwingung überein, so daß ein Steg und eine Öffnung
einer Sinusschwingung gegenüberliegen. Die Räume 57 und 60 enthalten somit 200 volle
Sinusschwingungen, und die Räume 63 und 64 enthalten 198 volle Sinusschwingungen.
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Eine abgeglichene Anordnung kann durch Festlegung der sinusförmigen
Flächen in verschachtelter Weise mit einem Minimum an isolierender Fläche zwischen
den zwei Mustern erhalten werden. Die Verwendung der zwei in dieser Weise abgeglichenen
Paare führt zu einer räumlich um 900 phasenverschobenen Anordnung. Der Ausgang aller
vier
Muster kann durch einen einzelnen Leitersteg gekoppelt werden. Die Fläche jedes
einzelnen Leiters des Steuermusters ändert sich unter einem gegebenen Kopplerleitersteg
sinusförmig mit der Verschiebung und erzeugt damit, wenigstens in erster Annäherung,
eine sinusförmige Änderung der Kapazität gegen die Verschiebung. Die sinusförmigen
Elemente55, 56, 58 und 59 werden mit einem Bezugsträger von 20 kHz gespeist. Die
sinusförmigen Muster 61, 62, 64 und 65 werden mit einem Bezugsträger von 30 kllz
gespeist. Der Bezugsträger ist eine zugeführte Spannung, und der Umsetzer ist in
seinen Arbeitsbedingungen abhängig von der richtigen Anordnung der Elemente des
elektrischen Feldes. Elektrostatische Kopplungen von den unter Spannung stehenden
sinusförmigen Mustern zu den Ausgangsleitermustern 48 bis 52 werden mittels der
Leiterstege 40 und 46 des Rotors erreicht.
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Die Verwendung eines 20-kHz- und eines 30-kHz-Bezugsträgers erlaubt,
daß die zwei Ausgangssignale linear gemischt werden und führt zu einem zusammengesetzten
Ausgangssignal, das in einfacher Weise durch eine einzelne Kanalverbindung zu einem
angeschlossenen Anzeige- oder Auswertungsapparat übertragen werden kann. Das zusammengesetzte
Signal kann mittels bekannter selektiver Filterschaltungen an einem geeigneten Punkt
in dem Auswertungsapparat getrennt werden.
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Die elektrische Eingangsschaltung für das Statormuster ist in F i
g. 4 dargestellt. Anschlußklemmen A und B sind mit einer Hochfrequenzquelle (von
z. B.
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20 kHz) verbunden und mit einer Induktanz 67 gekoppelt, die wiederum
einen Hochfrequenzeingang an die Anschlußklemmen 68 und 69 an den leitfähigen Elementen
55 und 56 legt. Gleichermaßen erzeugt der Hochfrequenzeingang an den Klemmen C und
D und der Induktanz 70 eine Hochfrequenzzuführung zu den leitfähigen Elementen 58
und 59 an den Klemmen 71 und 72. Die Eingangsspannungen an den Klemmen A und B und
an den Klemmen C und D haben dieselbe Amplitude und Frequenz, jedoch sind sie um
900 (elektrisch) phasenverschoben.
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Ebenso besteht wegen der Induktanz 67 und 70 eine Phasendifferenz
von 1800 (elektrisch) zwischen den Klemmen 68 und 69 und den Klemmen 70 und 72.
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Wenn die Phase an der Klemme 68 des leitfähigen Elementes 55 als Bezugspunkt
herangezogen wird, zeigen die Kurven 55', 56', 58' und 59' der F i g. 5 die Eingangsspannungen
zu den leitfähigen Elementen 55, 56, 58 und 59 und die Phasenbeziehung, die zwischen
diesen Elementen besteht. Die Phase an den Elementen 58, 60 und 59 eilt der Phase
an dem Element 55 um 90, 180 und 2700 (elektrisch) nach.
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Die AnschlußklemmenE und F und die Induktanz 73 legen einen Hochfrequenzeingang
(z. B. von 30 kHz) an die Klemmen 74 und 75 der leitfähigen Elemente 61 und 62,
und die Anschlußklemmen G und H und die Induktanz 76 legen einen Hochfrequenzeingang
an die Klemmen 77 und 78 der leitfähigen Elemente 64 und 65. Die Eingangsspannungen
an den Klemmen E und F und den Klemmen G und H haben dieselbe Amplitude und Frequenz,
jedoch sind sie um 900 (elektrisch) phasenverschoben.
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Wegen der Induktanz 73 und 76 herrscht eine Phasendifferenz von 1800
zwischen den Klemmen 74 und 75 und zwischen den Klemmen 77 und 78. Daher entspricht
die Phasenbeziehung zwischen den Eingangsspannungen der leitfähigen Elemente 61,
62, 64
und 65 der in F i g. 5 dargestellten Form. Wenn die Eingangsphase
an dem Element 61 als Bezug herangezogen wird, eilt die Phase an den Elementen 64,
62 und 65 um 90, 180 und 2700 nach.
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Der Ausgang des Umsetzers besteht aus der einzelnen Klemme I, die
über die Leitungen 79 bis 83 mit den Ringen 48 bis 52 verbunden ist. Im Betrieb
des Umsetzers sind die leitfähigen Elemente des Statormusters elektrostatisch mit
den anliegenden Stegen des Rotormusters gekoppelt, und die Ringe 35 bis 39 des Rotorsmusters
sind elektrostatisch mit den Ausgangsringen 48 bis 52 des Statormusters gekoppelt,
da diese Ringe aneinander anliegen. Dadurch können die Leitungen 79 bis 83 nur alle
zusammengeschaltet werden, wenn die Eingangsfrequenz an den Klemmen A, B und C,
D von der Eingangsfrequenz an den Klemmen E, F und G, H verschieden ist. Für die
Zwecke der Beschreibung sind als Eingang an den Klemmen A, B und C, D 20 kHz und
an den Klemmen E, F und G, H 30 kHz angenommen. Für den Fall jedoch, daß die Eingangsspannungen
gleiche Frequenz haben, ist es erforderlich, getrennte Schaltungen mit den Ringen
48 bis 50 und mit den Ringen 50 bis 52 zu verbinden. Bei einer Anordnung der abgeglichenen
Leiterpaare 55, 56 und 58, 59 in einer räumlichen Phasenverschiebung von 900 können
die sinusförmigen änderungen der Kapazität gegen die Verschiebung jedes Paares addiert
werden, um eine Netzkopplung der Anordnung in dem Amplitudenbereich zu erhalten,
während der Zeitpunkt, zu dem die Kopplung stattfindet, von der räumlichen Verschiebung
abhängen kann. Auf diese Weise kann die Amplitudenmodulation des Ausgangssignales,
die auf der Leitung I auftritt, vernachlässigbar klein gemacht werden.
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In Fig. 6 ist die Beziehung zwischen den Stegen und Ringen des Rotormusters
zu den leitfähigen Elementen und Ringen des Statormusters dargestellt, wobei das
Statormuster in vollen und das Rotormuster in gestrichelten Linien wiedergegeben
ist. Nur die sinusförmigen Räume 57 und 60 und die diesen zugeordneten leitfähigen
Elemente sind dargestellt, da diese Elemente zusammenwirken, um ein Signal zu erzeugen,
dessen Phase sich relativ zu der Phase des Bezugssignals auf die Bewegung des Rotors
hin ändert. Die in Fig. 6 dargestellten Elemente des Umsetzers erzeugen ein zweites
Phasensignal in nachfolgender Weise. Der Eingang jedes der leitfähigen Elemente
55, 56, 58 und 59 kann als Phasenbezug verwendet werden. Für die Zwecke der Beschreibung
wird der Eingang des Elementes 59 als Bezug gewählt. Eine Sinusschwingung des Raumes
57 oder 60 entspricht 3600 (elektrisch).
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Wie aus Fig. 6 zu entnehmen ist, eilt die Sinusschwingung des Raumes
57 der Sinusschwingung des Raumes 60 um 900 voraus, und die Stege 40 und 41 des
Rotormusters liegen 1800 entgegengesetzt zu den beiden Räumen. Die Stege 40 sind
elektrostatisch mit den anliegenden Flächen der leitfähigen Elemente 55 und 56 an
entgegengesetzten Seiten des Raumes 57 gekoppelt. In der Stellung der Fig. 6 sind
die Flächen gleich. Ebenso sind die Stangen 41 elektrostatisch mit den anliegenden
Flächen der leitfähigen Elemente 58 und 59 an den entgegengesetzten Seiten des Raumes
60 gekoppelt. In der Stellung der F i g. 6 ist die anliegende Fläche des Elementes
59 größer als die Fläche des Elementes 58. Die zusammengesetzte Wirkung der vier
Flächen ist durch das Vek-
tordiagramm der F i g. 7 dargestellt, in dem die Phasenvektoren
mit den Bezugszahlen der entsprechenden leitfähigen Elemente bezeichnet sind. Die
Eingänge der Elemente 55 und 56 sind 1800 (elektrisch) phasenverschoben, und da
die Flächen dieser Elemente, die an den Stegen 40 anliegen, gleich sind, löschen
die an die Stege 40 angekoppelten Signale einander aus. Ebenfalls sind die Eingänge
der Elemente 58 und 59 um 1800 phasenverschoben, und da die Flächen dieser Elemente,
die an den Stegen 41 anliegen, ungleich sind, ist das Ausgangssignal in den Stegen
41 ungleich. Das resultierende Ausgangssignal, das an die Stege 40 und 41 gekoppelt
wird, wird elektrostatisch an die Ringe 48 bis 50 des Statormusters durch die Ringe
35 bis 37 des Rotormusters gekoppelt. Die Ringe 48 bis 50 sind wiederum mit der
Ausgangsklemme 1 durch die Leitungen 79 bis 81 verbunden.
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Nachdem der Rotor 22 900 (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in
Fig. 6 gedreht ist, werden die Flächen der Elemente 55 und 56, die an den Stegen
40 anliegen, ungleich zu der Fläche des Elementes 55, die die größere ist, und die
Fläche der Elemente 58 und 59, die an den Stegen 41 liegen, werden gleich. Die Netzwirkung
dieser Flächen führt zu einem Vektor 85 (F i g. 8), der zeigt, daß die Phase des
Ausgangssignals an der Klemmel um 900 relativ zu der Phase des Bezugssignals verschoben
worden ist. Eine weitere 900 (elektrisch) Drehung des Rotors (somit zusammen 1800)
führt zu gleichen Flächen der Elemente 55 und 60 und zu einer größeren Fläche des
Elementes 48 als die Fläche des Elementes 59, so daß der Vektor 86 (F i g. 9) das
Ausgangssignal wiedergibt, das um 1800 in der Phase zu dem Bezugssignal verschoben
ist. Eine weitere 900 (elektrisch) Drehung des Rotors (insgesamt 2700) führt zu
gleichen Flächen der Elemente 58 und 49 und zu einer größeren Fläche des Elementes
56 als die Fläche des Elementes 55, so daß der Vektor 87 (Fig. 10) das Ausgangssignal
darstellt, das zu dem Bezugssignal um 2700 phasenverschoben ist.
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Nach einer 3600-Drehung stellt wiederum der Vektor 84 das Ausgangssignal
dar, das mit dem Bezugssignal in Phase ist. Der Vektor für das Ausgangssignal ändert
sich kontinuierlich in der Richtung während der Drehung des Rotors, wie es durch
das Vektordiagramm für die vier ausgewählten Stellungen zwischen Rotor und Stator
dargestellt ist. Die Phase des Ausgangssignals wird um 3600 während der 3600 (elektrisch)
Bewegung zwischen dem Rotor und dem Stator verschoben. Jedoch bleibt die Frequenz
des Ausgangssignals dieselbe wie die vier Eingangssignale, welche mit 20 kHz angegeben
wurde. Gleichermaßen ergibt sich ein zweites Ausgangssignal in wechselnder Phase
aus der Kopplung der aneinanderliegenden Flächen der Elemente 61 und 62 mit den
Stegen 44 des Rotors und aus der Kopplung der aneinanderliegenden Flächen der Elemente
64 und 65 mit den Stegen 46 des Rotors. Dieses zweite Ausgangssignal wird mit der
Ausgangsklemme I über die Leitungen 81 bis 83 verbunden und hat dieselbe Frequenz
wie die Eingänge zu den Elementen 61, 62, 64 und 65, nämlich 30 kHz. Die Phase des
zweiten Ausgangssignals wird sich relativ zu der Phase des Bezugssignales um 3600
(elektrisch) während der Bewegung des Rotors von 3600 (elektrisch) der sinusförmigen
Räume 63 und 66 ändern. Dennoch geht das Ausgangssignal, da die Räume 57 und 60
200 Wellenlängen
und die Räume 63 und 66 198 Wellenlängen enthalten,
von den Leitungen 79 bis 81 durch 200 Hz der 3600-Phasenverschiebung, und das Ausgangssignal
von den Leitungen 81 bis 83 geht durch 198 Hz der 3600-Phasenverschiebung für jede
vollständige Drehung des Rotors von 3600 (mechanisch).
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Wegen der Differenz in der Zahl der Stege 40, 41 und 44, 46 sind diese
zwei Sätze der Stege nicht in Ausrichtung über dem Rotormuster und ändern sich in
einer relativen Stellung an verschiedenen Orten um das Muster herum.
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In Fig. 11 ist die Phasenverschiebung gegen die mechanische Verschiebung
aufgetragen. Die Linie zeigt die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der mechanischen
Verschiebung des Ausgangssignals, die von den Elementen 55, 56, 58 und 59 erhalten
wird. Die Linie K zeigt die Phasenverschiebung gegen die mechanische Verschiebung
des Ausgangssignals, die von den Elementen 61, 62 und 64 und 65 erhalten wird. Eine
elektrische Phasenverschiebung von 3600, die durch den Punkt auf der Linie dargestellt
ist, ergibt sich aus einer mechanischen Drehung des Rotors von 1,8 mechanischen
Graden, während dieselbe elektrische Phasenverschiebung, wie sie durch den Punkt
auf der Linie K dargestellt ist, aus einer Drehung des Rotors von ungefähr 1,82
mechanischen Graden resultiert. Während der Rotordrehung vergrößert sich somit der
vertikale Abstand zwischen den Linien J und K kontinuierlich, so daß die Phasendifferenz
zwischen den Ausgängen der Elemente 55, 56, 58, 59 und der Elemente 61, 62, 64 und
65 kontinuierlich ansteigt.
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Nach einer mechanischen Drehung des Rotors von 1800 wird die Phasendifferenz
3600 (elektrisch), und für jede vollständige mechanische Drehung des Rotors von
3600 gehen die beiden Ausgänge durch zwei Umläufe der Phasenänderung, entsprechend
720° (elektrisch).
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Da der Ausgang der abgeglichenen Elemente 55, 56 und 58, 59 von einem
sinusförmigen Muster mit zwei Wellen, die zyklischer sind als der Ausgang der abgeglichenen
Elemente 61, 62 und 64, 65, abgeleitet ist, kann der Ausgang des zweiten Satzes
der um 900 verschobenen Muster verwendet werden, um auf den Ausgang des ersten Satzes
der um 900 phasenverschobenen Muster zu arbeiten, um alle außer zwei zyklischen
Phasenumläufen pro einzelner Umdrehung der Eingangswelle 29 abzuziehen. Dies erzeugt
ein Grobsignal, welches verwendet werden kann, um eine Vieldeutigkeit in der Ablesung
oder Identifizierung der Phasenvoreilung über jede einzelne zyklische Welle des
Umsetzermusters zu verhindern und so ein Feinsignal zu erzeugen.
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In Fig. 12 ist eine Schaltung gezeigt, durch die das Grobsignal von
den zwei Ausgängen des Umsetzers erhalten werden kann. Das zusammengesetzte Signal,
das die phasenverschobenen Ausgangssignale beider Teile des Umsetzers enthält, wird
über die Leitung 88 dem selektiven Filter 89 zugeführt. Dieser harmonische Filter
enthält selektive L-C-Kreise, die die phasenverschobenen Nachrichtensignale trennen
und auf gesonderten Leitungen 90 und 91 abführen.
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Das 20 kHz-Signal auf der Leitung 90 stellt 100 zyklische Phasenumläufe
für je 1800 Winkeldrehung der Welle des Umsetzers dar, während das 30 kHz-Signal
auf der Leitung 91 99 zyklische Phasenumläufe für jede halbe Umdrehung der Eingangswelle
darstellt. Das Signal auf der Leitung 91 wird gemischt
mit einem 50 kHz-Bezugsträger
92' in der Schaltung 92, und es wird dadurch ein Ausgangsnachrichtenträger auf der
Leitung 93 erzeugt, der dieselbe Frequenz, nämlich 20 kHz, wie der Nachrichtenträger
auf der Leitung 90 hat. Die beiden Leitungen 90 und 93 übertragen die beiden Nachrichtenträger
zu dem Phasendetektor 94. Der Phasendetektor erzeugt zwei um 900 phasenverschobene
Gegentaktspannungen, deren relative Größe jederzeit proportional der Phasenbeziehung
zwischen den zugeführten 20 kHz-Eingangssignalen ist. Da das auf der Leitung 93
erscheinende Signal als Bezugsträger für den Nachrichtenträger auf der Leitung 90
dient, ruft die Phasenbeziehung nur eine zyklische Änderung der um 900 phasenverschobenen
Signale auf der Leitung 95 für je 1800 Umdrehung der Eingangswelle des Umsetzers
hervor. Wenn der feststehende 20-kHz-Bezugsträger, der dem Umsetzer zugeführt wird,
auf die Leitung 93 gegeben würde, dann würden die um 900 phasenverschobenen Spannungen
auf der Leitung 95 sich durch 100 Perioden ändern, entsprechend dem Feinsignal für
je 1800 Umdrehung der Umsetzereingangswelle. In dieser Weise kann die Grundschaltung
nach F i g. 12 parallel verdoppelt werden, um verschiedene Grade der Umdrehung für
eine gegebene Verschiebung der Eingangswelle hervorzurufen.
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Die Differenz zwischen der Zahl der Musterelemente auf den zwei Teilen
des Umsetzers kann von der in der Ausführungsform beschriebenen Zahl abweichen,
in welchem Falle das Grob-Ausgangssignal eine entsprechende Anderung in der zahlenmäßigen
Beziehung zu dem Fein-Eingangssignai haben würde.