DE1423823C - Kapazitiver Meßumformer - Google Patents

Description

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Die l-ilinilimg betiilft einen kapazitiven Meßiiin- Größe der sich ändernden übereinanderliegenden

f.Uliier nut gegeneinander bewegbaren Eleklrodenlei- Fläche der l.eilerteile des Steuer- und Abtastteiles

len. v\,,k'i die knndciisaioreleklroden im Winkel /ur relativ groß.

lleviei'ungsiichiung; und in zyklischer Reihenfolge an- Eine weitcie Ungenauigkeitsi|uelle bei bekannten

ι:·-ιΐκΙιΐι·ι -.in,I, derart, daß tlas von ilen Elektroden er- 5 Umformern wird durch eine geringe Exzentrität der

zeugte Signal zeitlich proportional der zeitlichen Ver- ringförmig angeordneten Teile oder durch eine ge-

schiebung der bewegbaren Teile ist, und wobei sich ringe Abweichung von der Fluchtlinie bei einer linea-

die kapazitiv miteinander verkuppelten Elektroden- reu Anordnung verursacht. Bei bekannten Llmfor-

teik· v,hu Si.iii.i- und Rotor so in Abstand gegenüber- mein verursachen solche Unregelmäßigkeiten erlieb-

sielu-n tlaß bei gleich/eiliger Verdrehung der Elek- ία licht Ungenaiiigkeiten.

iioiknieile ein Ausgaug.signal entsteht, das zwischen Ferner begrenzt bei diesen bekannten Umformern

Ma\imum und Minimum schwankt und die relative der Geräuschpegel des Systems die unterste Auslö-

l'osiiiun von Statur und Rotor anzeigt, und wobei sung des Gerätes.

fernei tlie kondensatotelektroden aus Leitflächen ge- Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Umformer

bildet sind, die dmo eine in Umfangsrichtung vcr- 15 ist die Vieldeutigkeit der Ausgangsnachncht, die von

Lullende wtlleufiirmige Trennlinie in ein Leiterpaar der mehrteiligen Anordnung herrührt. Daher ist es,

getrennt sind. _{um t}ii_cse Vieldeutigkeit umzusetzen, notwendig, diese

1 lektiisehe Meßgeräte zum Umsetzen von media- Ausgangsnachrichten in einer Hilfseinrichtung zu

nischeu linearen oder Winkel-Verschiebungen in speichern.

elektrische Ausgangssignale, die ein Maß für die 20 Um diese Nachteile zu vermeiden, ist ein kapa-

\ ei Schiebung darstellen, sind bereits bekannt. Im zitiver Meßumformer mit gegeneinander beweg-

allgeineineii weisen derartige bekannte Einrichtungen baren Eleklrotlenteileii bekannt (USA.-Patentschrift

IcsKtcliemL Windungen und dazu relativ bewegbare 2 67-1729), bei dem tlie Kondensatorclektroden im

Windungen auf, tlie gegenseitig kapazitiv oder intluk- Winkel zur Hewegungsricluung in zyklischer Keihen-

liv gekoppelt sintl Mei diesen bekannten Geräten 35 folge angeordnet sind, so daß das von den Elektro-

weulen Änderungen der elektrischen Kopplung /wi- den erzeugte Signal zeitlich proportional der zeit-

scheii den zwei Teilen, CiUs₁PIeChC.Λ der relativen liehen Verschiebung tier bewegbaren Teile is., und

Hi-.ve !ΐιιιμ. η.'inialerwei.se tlusdi Zuführung eines die kapazitiv miteinander verkoppelten Elektroden-

Steiiei -.ignal. zu einer der bewegbaren Windungen teile von Stator und Rotor stehen sich dabei in Ab-

i'i-iii,-,-.en und die Amplitude ties Signals ermittelt, 30 stand gegenüber, so dall bei gegenseitiger Verdrehung

d.i. in der kninpiementäien Windung als ein Maß tier der F.lektiodenteile ein Ausgangssignal entsteht, tlas

leLitiv.'ii \Ίίμ liieliiing /wi-.ihen ilen beiden Teilen /wischen Maximum und Minimum schwankt und

ei/ein·! '..nil. die relative Position von Stator und Rotor anzeigt.

HeIMiIiIi. Mißiiml'oimcr /ur Vei-ichiebungsuies- Hei dieser bekannten Anordnung siiiü an Stator und

..um' iUSA. P.iieni-.dinli 2 (i71 72¹', 26.SOIS^ und J5 Rotor zwei im wesentlichen gleich¹; L.eiterclcmcnlc

_'(ι Ί υ').!) vvei en eine .Λη/ahl von Nachteilen auf, angeordnet, die aus einem Leiterband bestehen, wel ■

du- die Genauigkeit und den Veiv.eiulungsbcicich dies durch eine dielektrische Trennlinie voneinander

der (leiäle we,entlieh beeinträchtigen Die naclilei- getrennt ist.

liiisie Wi 1 KiMiL.' i-.t darauf /urück/.iiliihieu, daß bei Audi bei tlieser bekannten Anordnung ergeben

den Ui..inulin I nnloinieru tlas elektrische Ausgangs- 1" sich noch Ungcnuuigkeilcu, in den tlie Relativbevve-

i-.'ii,il 111 I um ruler Amplitudenmodulation aufliitl guiig zwischen dem Stator und Rotor anzeigenden

und (I ιΙΊ die in den Umformern erhaltenen Ainpli Ausgangssignalen.

nid; 11 d 1 \u\:Miigs agn.de direkt oder indirekt duich Is ist die der l.rlinduiig zugrunde liegende Auf·

iiiiliuie .iiukie lakloien als die Verschiebung des gäbe, einen Meßumformer tier eingangs erwähnten

einen leiles gigen den anderen beeinflußt weiden 15 Art so auszubilden, tlaß eine noch größere Gen,111-

kiMiii'.-n Wählend die Wirkungen einiger diesel Feh- inkeit ties Ausgangssignals für die Anzeige tier KcIa-

IeIiIi .,κ heu duich soigl'ältigen /\ufbau und Verwen- livbewcmuig zwischen Stator und Rotor gegeben ist.

dun;' de·, (ieiäiii .rniiH'.eit werden können, sind tlie Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht,

W !!!.'.!!!!'eil ν., ii a in lei en Fehlei ijuel len schwierig otler daß dk Kondeus.iiorelektroden wenigstens vier I ei·

L.Ii zu koiiliollicicn, und alle Fdileiiiuellen 50 lungseleinenle einschließen, die paarig angeordnet

ii uzen die dem Geiäl eigene Meßgenauigkeit. sind, und tlie I citungse'einente eines jeden Paares

mc andeic wi ii'iiilichc Ouclle der Uiigcnuiiigkcil durch einen im wesentlichen sinusförmigen dielek-

dieseii liekauiiii 11 I imsetzern mit induktiver Kopp- tiisihcn Raum ucliciiut sind, und diese Trennwände

liegt in dei ν ei teilten Eigenkapazilät zwisihcn in beiden Leilei paaren außer !'hase miteinander lie

den I eilen des Umformers, insbesondere zwischen 55 gen, dall eine Anordnung die Elemente in Phasen-

(1(JiIi Sleiiei und dein Ablaslleil, und in unerwünsch- verschiebung um ¹JO'' verbindet und die Gcgeneiek-

li-ii Aiideiuiii't ii in der verteilten Kapazität zwischen Moden durch durch Stege leiterartig verbundene

1I1 η ιιΊ,ιΐιν ziii in nid. 1 bewegbar cn Teilen Die^f 1111- Melallringe gebildet sind.

et vv 1111,1 litt 11 Kap izit,ih η und deren Andeiuiu'.cn Voizug-.wei ,e sind dabei die Tieuuräimie um ')()'

luliit 11 zu k.ip.i/ilivcu Spannungen, die als eine Koni fm und die Eingaiigssirinale um IHO ' außer Phase in den

poiunle dti Nu .i'ani's'.it'ualspannuug auftreten. Da I eiliingselcinenltn eines jeden Paares und in Pha·

dun Ii ist fine 'Nnipliliidenändciung der Aus|',aiii',ssi senversdiiebiuig um ¹M)' in den t.citungselementcn

)!iialsp,iniiiini', mn bis zu dem Uelrag ίΐΙ)Ιιϋιιμί|; von beider Paaie, wobei I cilcistreifen zwischen den l.ei-

tl'M Amidine der indul.livcn Kopplung, durch den tcipaaien auf deren gegenüberliegenden Seilen durch

dei i'evvüiiM hl. induktive Kopplungselfekt von dem Γκ, 'l'ieiiiiriuiini- gclicunt angeordnet sind und die Siege

inn : λ iinst hu -η kapazitiven Kopplungselfekl über der leileilöiinigen Gegenelcklroden je eine Ureite

sdiiitlcn wild. Die Änderungen der verleihen Knpa cnlsprechcnd einer tlälfle der Wellenlänge der siniis-

iii:ii lni dt π bekaiinleii Uiiisct/ern sind wegen der förinigcn Räume aufweisen, und wobei einer der

l.eiiemnge gegenüber jedem Leiterstreifen angeordiLt und mit den Stegen so verbunden ist, dull das Ausgangssignal mit den Lederstreifen gekoppelt «ird, wnbei die Phase des Ausgang.ssignals~in he/uu „Hl das Bezugssignal die Resultierende der gekoiv , .kcn Signale von der Fläche der durch die Stege .ibüedeekten Elemente ist.

Dabei können insgesamt vier Paare von Leitungs-.. lementen und eine entsprechende weitere Anzahl v..11 leiterförmigen Gegenelektroden vorgesehen sein, • iilici die Wellenlänge der sinusförmigen Trennraiiine der zusätzlichen Leitungsclemente von der V. ellenlange der Trennräume der ersten Leitungseleineiite so abweicht, daß die Phase des Ausgangssignals von einem Satz der Leitungselemente der Phase des anderen Ausgangssignals während der Relativbewegung der sich gegeneinander bewegend» η Eiextrodenteile nacheilt.

Der Umformer gemäß Erfindung bringt mehrere \sesentHche Vorteile. So wird, da. die kapazitive Kopplung bei einer Relativbewegung zwischen Rotor und Stator konstant gehalten wird, eine Genauigkeit iükI Zuverlässigkeit der Messung erhalten, die mit bekannten Geräten nicht zu erreichen sind.

Ein weiterer wescrüü'-her Vorteil des Umformers yemäß Erfindung besteht in der Möglichkeit der Verwendung von hochfrequenten Eingangs- und Ausgaugssignalen, die eine Auswahl von Frequenzen und Par lmetern des Umformeraufbaus derart crmöi·- lichen, daß eine Verzögerung von 2.7 oder eines Bruchteiles oder eines Vielfachen davon, über einen Abstand der Umformerwindungen gleich der uewünschlcn Verschiebung der Anordnung erhalten wird, Es köiiiien hochfrequente Eingangs- und Ausgangssignale mit nur einer oder mehreren Frequen- J5 zen, von denen wenigstens eine die gewünschte Verzögerung erzeugt, angewendet werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der vorstehend erwähnten Zeitverzögerung von 2 .1. Da ein hohes Auflösungsvermögen für jedes Polpaar des -\a primären Phasensignals möglich ist, ergibt das sckiindärc Phascnsignal, das von der Zeitverzögerung um 2 j abgeleitet ist, einen eindeutigen Signalbcreich über eine räumliche Verschiebung einer Vielzahl von Polpaaren mit einer Genauigkeit, die der über eine räumliche Verschiebung eines Polpaares erreichten gleich ist,

Das phasenmodulierte Ausgangssignal, das für die Umformer gemäß Erfindung kennzeichnend ist, ist mit a;nplitudenmodulierten Signalen vergleichbar, und katin einfacher und sehr viel genauer umset/.t und ge/ählt werden, und es kann auch in Zahlensystemen verwendet werden, die einen phasenmodulierten Eingang benötigen.

Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung dargestellten beispielhaften Ausfiilmmgsforinen näher beschrieben, und zwar sind

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausfiihrungsfoim der Erfindung, die den Hutor und din Stator sowie das Muster auf dem ltotor /eigl, ^r»>

F i g. .1 line vergrößerte Aufsicht auf «Lis Muster des Rolois,

Fig. .1 eine vergrößerte Aufsicht auf das Muster des Stators, das dem Muster ties Rotors gegenüberliegt, ⁶S

Fig. 4 eine sclicniatischc Darstellung der Stromversorgung und des Ausganges der verschiedenen τ..!,,. (IfM Statornnislers,

F i g. 5 eine graphische Darstellung der I'hasenbeziehungen der vier elektrischen Eingänge eines Teiles des Stators,

F i g. (1 eine Darstellung der Beziehungen zwischen dem Rotor- und dem Statormusler für einen Teil des Linisetzers bei einer ausgewählten relativen Stel'ung,

F i g. 7 ein Vektordiagramm, das die Wirkung tier vier elektrischen Eingänge auf die Phase ties resultierenden Ausganges eines Teiles des Umsetzer^ zeigt,

Fig. S ein Vektordiagramm, das die resultierende Phase des Ausganges nach einer Bewegung des Rotors relativ zu dem Stator um ¹JO" (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in Fig. 6 zeigt,

F i g. 9 ein Vektordiagramm, da die resultierende Phase des Ausganges nach einer Bewegung ties Rotors relativ zu dem Stator um 180° (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in Fi g. ό zeigt,

Fig. K) ein Vektordiagramm, das die Resultierende tics Ausganges nach einer Bewegung des Rotors relativ zu dem Stator um 270" (elektrisch) in Richtung des Pfeiles in Fig. 6 zeigt,

Fig. 11 eine graphische Darstellung tier Phaseiiabhängigkeit für die zwei gesonderten Teile ties Umsetzers während der Drehung des Rotors,

Fig. 12 ein Blockschaltbild für die Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgängen des Umsetzers.

Bei der Ausführung&form nach F i g. 1 enthält tier Umsetzer 20 einen Stator 21 und einen Rotor 21. von denen jetler aus einem Material, /. B. Gla·, od.τ Kunststoff, hergestellt werden kann, tl.is se^:ne Abmessungen bei einer weiten Änderung seiner Umgebungsbedingungen beibehält. Der Stator 21 i't an einer Stange 23 mittels eines Flansches 2-1 befestigt. der an der Rückseite des Stators mittels mehieier Schrauben 25 angebracht ist. Die Staniie 7.3 ist ebenfalls an einem feststehenden Ständer 26 befestigt, der mittels Bolzen 28 an einem Träger 27 angebracht M Der Rotor 22 ist an der Welle 20 mittels fines I lan schcs befestigt, der dem Flansch 24 gleichartig ist. Die Welle ist durch einen I agerblock 30 geführt, der an einem Träger befestigt ist. Ein Musler 31 ist in einer dünnen Schicht leitfähigen Materials, /. B. Kupfer, an der Innenfläche 32 des Rotors und ein Mir'er 33 aus gleichartigem Material an tier Innenseite 34 des Stators 21 angebracht. In F i ü. I sind tier Rotor und tier Stator getrennt dar.-e ,teilt. Nach dem Zusammenbau ties Umsetzers sieben sich jedoch tlie Teile mit einem möglichst geringen Abstand gegenüber. Das Muster 31 des Rotors enthält MeCiII-rmge 35 bis 3'>, die konzentrisch zum Mittelpunkt des Rotors angeordnet sind (Fig. 2). Eine Mehrzahl von in gleichem Abstand angeordneten radialen Stegen 40 gleicher Abmessung crsfeckt sich zwischen den Rinuen 35 und 36, und eine Mehrzahl von gleichförmigen S'egeti 41 erstreckt sich in derselben radialen Richtung wie die Stege 40 /wischen den Ringen 37 und 38. Die Stege 40 bemen/en eine Mehrzahl von OITinmgen 42 gleicher Größe wie die Stege, uuil in gleicher Weise begrenzen tlie Stege 41 eine Mehrzahl von {MTminacn 43 von derselben Größe wie die Stege 41. Die Stege 40 und 41 und die Öffnungen 42 und 43 bilden den einen Teil ties Rolormusters. In gleichartiger Weise begrenzen radiale Stege 44 öffnungen 55 von selber Abmessung wie tlie Stege 44 zwischen den Ringen 37 und 38,

und gleichartige Stege 46 in Richtung der Stege 44 begrenzen Ölfiuingen 47 von derselben Größe wie die Siege 4(i /wischen den Ringen 38 und 39. Die Stege 44 und 46 und die Öflnungen 45 und 47 bilden (U-Ii anderen Teil ties Rolorinuslers. Um die Wirkung i'iiR'r nonischen Teilung zu erhalten, ist die Zahl der Su-jic 40 und 41 um einen bestimmten Betrag unterschiedlich von der /aiii dei Stege 44 und 46. Hei dem dargestellten Muster sind 200 Stege 40 und 41 und l')S Slcuc 44 und 46 vorgesehen.

Das Muster 33 des Stators 21 hat fünf leitfiihige Ringe 48 bis 52. die konzentrisch /u dem Mittelpunkt des Stators angeordnet sind (Fig. 3 und A). Jeder Ring ist vollständig von dem Rest des Musters durch kreisförmige Räume 43 und 44 an gegenüberliegenden Seilen jedes Ringes isoliert. Die Räume sind in F i g. 4 angegeben, erscheinen jedoch in Hg. 3 wegen ihrer geringen radialen Breite nur als linien, /wischen den Ringen 48 und 49 und von diesen dtiich die Räume 53 und 54 isoliert sind zwei leilfähige P.lcmcnlc 55 und 56 angeordnet, die voneinander durch einen Raum 57 isoliert sind, der annlihemd Sinusform hat und sich vollständig um das Miiski 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 90" (elektrisch) außer Phase. Die lcitfiihigen Elemente 55,56,58 und 59 bilden den einen Teil des Statormusters. Für die Zwecke der Beschreibung wird die eine Sinusschwingung des Raumes 57 oder 60 mit 360° (elektrisch) zur Unterscheidung von den Graden der mechanischen Drehung des Rotors bezeichnet.

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 90° (elektrisch) außer Phase. Der andere Teil des Statornuisters 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 aneinandcrlicgend angeordnet sind. Die Umfangsbreitc jedes Steges und jeder anliegenden öffnung in dem Rolormustcr stimmt mit .τRadius der gegenüberliegenden Sinusschwingung überein, so daß ein Steg und eine Öffnung einer Sinusschwingung gegenüberliegen. Die Räume 57 und 60 enthalten somit 20(1 volle Sinusschwingungen, und die Räume 63 und 64 enthalten 108 volle Sinusschwingungen.

Eine abgeglichene Anordnung kann durch Festlegung der sinusförmigen Flächen in verschachtelter Weise mit einem Minimum an isolierender Fläche /wischen den zwei Mustern erhalten werden. Die Verwendung der zwei in dieser Weise abgeglichenen Paare führt 7ii einer räumlich um 90' phasenverschobenen Anordnung. Der Ausgang aller vier Muster kann durch einen einzelnen Leitersteg gekoppelt werden. Die Flüche jedes einzelnen Leiters des Sleuermuslers ändert sich unter einem gegebenen Kopplcrleilcrstcg sinusförmig mit der Verschiebung und erzeugt damit, wenigstens in erster Annäherung, eine sinusförmige Änderung der Kapazität gegen die Verschiebung. Die sinusförmigen Elemente 55,56, 58 und 59 werden mit einem Bezugsträger von 20 kHz gespeist. Die sinusförmigen Muster 61, 62,

in 64 und 65 werden mit einem Bezugsträger von 30 kll/ gespeist. Der Bezugsträger ist eine zugeführtc 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 /u den Ausgangslcilcrinii'.tern 48 hu 52 werden mittels der l.citcrslcgc 40 und 46 des Rotors erreicht.

Die Verwendung eines 20-kHz- und eines 3OkHz-

ao 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 übcrtragen werden kann. Das zusammengesetzte Signal kann mittels bekannter selektiver Filterschaltungen an einem geeigneten Punkt in dem Auswertungsapparat getrennt werden.

Die elektrische Eingangsschaltung für das Statormuster ist in F i g. 4 dargestellt. Anschlußklemmen A und /? sind mit einer Hochfrequenzquelle (von z. B. 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 ar den Klemmen 71 und 72. Die Eingangsspannunger an den Klemmen A und B und an den Klemmen C und D haben dieselbe Amplitude und Frequenz, jedoch sind sie um 90° (elektrisch) phasenverschoben Ebenso besieht wegen der Induktanz 67 und 70 eim Phasendifferenz von 180° (elektrisch) zwischen dei Klemmen 68 und 69 und den Klemmen 70 und 72 Wenn die Phase an der Klemme 68 des Ie: fähiger Elementes 55 als Bezugspunkt herangezogen wird zeigen die Kurven 55', 56', 58' und 59' der F i g. 5 dii Eingangsspannungen zu den leitfähigen Elementei 55, 56. 58 und 59 und die Phasenbeziehung, die zwi

sehen diesen Elementen besieht. Die Phase an dei Elementen 58. 60 und 59 eik der Phase an dem EIe ment 55 um 90, 180 und 270" (elektrisch) nach.

Die Anschlußklemmen E und F und die Induk tanz 73 legen einen Hochfrequenzeingang (ζ. B. vo 30 kHz) an die Klemmen 74 und 75 der leitfähige Elemente 61 und 62, und die Anschlußklemmen ( und // und die Induktanz 76 legen einen Hochfrt qucnzeingang an die Klemmen 77 und 78 der lei fähigen Elemente 64 und 65. Die Eingangsspannur gen an den Klemmen E und /·' und den Klemmen 1 und // haben dieselbe Amplitude und Frequenz, j< doch sind sie um 90 ' (elektrisch) phasenverschobci Wegen der Induktanz 73 und 76 herrscht eine Phi sendiffercn/ von 180° zwischen den Klemmen T und 75 und zwischen den Klemmen 77 und 78. Dahi entspricht die I hnscnbcziehung zwischen den Eil gangsspannungcn der Ic.fähigen Elemente 61, 62, <

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 *«d, 180 und 270° nach.

Der Ausgang des Umsetzers besteht aus der einzelnen Klemme /, die über die Leitungen 79 bis 83 mit den Ringen 48 bis 52 verbunden ist. Im Betrieb des Umsetzers sind die leitfälligen 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 Schallungen 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 Pnasenverschiebung von 90° 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 / auftritt, vernachlässigbar klein gemacht werden.

In F i g. 6 ist die Beziehung zwischen den Stegen und Ringen des Rotormusters zu den leitfähigen Elementen und Ringen des Statonnusters 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 leirfähigen 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 360° (elektrisch).

Wie aus F i g. 6 zu entnehmen ist. eilt die Sinusschwingung des Raumes 57 der Sinusschwingung des Raumes 60 um 90^r voraus, und die Stege 40 und 41 des Rotormusters liegen 180° 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 F i g. 6 sind die Flächen gleich. Ebenso sind die Stangen 41 elektrostatisch mit den anliegenden Flächen der leitfähigen Kiemente 58 und 59 an den entgegengesetzton Seilen des Rai-mcs 60 gekoppelt. In der Stellung der F i g. h ist die anliegende Fläche lies F.lemcntes 59 größer als die Mäche des Hlemcntes 58. Die zusammengesetzte Wirkunu der vier Flächen ist durch das Vektordiagramm 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 180° (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 180° phasenverschoben, und da

ίο 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 / durch die Leitungen 79 bis 81 verbunden.

Nachdem der Rotor 22 90 (elektrisch) in Rich-

ao tung des Pfeiles in F i g. 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 Klemme / um 90° relativ zu der Phase des Bezugssignals verschoben worden ist. Eine weitere 90° (elektrisch) Drehung des Rotors (somit zusammen 180 ) 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 180° in der Phase zu dem Bezugssignal verschoben ist. Eine weitere 90^c (elektrisch) Drehung des Rotors (insgesamt 270^r) 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 Vektor87 (Fig. 10) das Ausgangssignal darstellt, das zu dem Bezugssignal um 2.70° phasenverschoben ist. Nach einer 360 -Drehung stellt wiederum der Vektor 84 das Ausgangssignal dar, das mit dem Bezugssignal in Phase ist. Der Vektor für das Ausgangssignal Undert 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 360" während der 360" (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 / 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 Ausgangssi gnals wird sich relativ zu der Phase des Be/ugssignales um 30t) (elektrisch) während der Bewegung des Rotors von 3WV (elektrisch) der sinusförmigen Räume (»3 und 66 ändern. Dennoch echt das A\isgaiigssignal. da die Räume 57 und ftO 2(1(1 Wellen-

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längen und die Räume 63 und 66 198 Wellenlängen enthalten, von den Leitungen 79 bis 81 durch 200 Hz der 360 -Phasenverschiebung, und das Ausgangssignal von den Leitungen 81 bis 83 geht durch 198Hz der 360'-Phasenverschiebung für jede vollständige Drehung des Rotors von 360° (mechanisch). 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.

In Fig. 11 ist die Phasenverschiebung gegen die mechanische Verschiebung aufgetragen. Die Linie J 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 360 , die durch den Punkt L auf der Linie J dargestellt ist, ergibt sich aus einer mechanischen Drehung des Rotors von 1,8 mechanischen Graden, während dieselbe elektrische Phasenverschiebung, wie sie durch den Punkt Ai auf der Linie K dargestellt ist, aus einer Drehung de? 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, Sf >, 59 und der Elemente 61, 62, 64 und 65 kontinuierlich ansteigt. Nach einer mechanischen Drehung des Rotors von 180" wird die Phasendifferenz 360° (elektrisch), und für jede vollständige mechanische Drehung des Rotors von 360° gehen die beidsn Ausgänge durch zwei Umläufe der Phasenänderung, entsprechend 720° (elektrisch).

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 90° verschobenen Muster verwendet werden, um auf den Ausgang des ersten Satzes der um 90" phasenverschobenen Muster zu arbeiten, um alle außer zwei zyklischen Phasenumläufen pro einzelner Umdrehung der Eingangswelle29 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 erzeuge.i.

In Fig. 12 ist eine Schaltung gezeigt, durch die das Grobsignal von den zwei Ausgängen des Umsetzers erhalten we^rden 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. Das 20 kHz-Signal auf der Leitung 90 stellt zyklische Phasenumläufe für je 180° Winkeidrehunt; 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 Ausgangsnachrichten· träger auf der Leitung 93 erzeugt, der dieselbe Frequenz, nämlich 20 kHz, wie der Nachrichtentfägef

auf der Leitung 90 hat. Die beiden Leitungen 90 und übertragen die beiden Nachrichtenträger zu dem Phasendetektor 94. Der Phasendetektor erzeugt im um 90" phasenverschobene Gegentaktspannungen. deren relative Größe jederzeit proportional der

ίο Phasenbeziehung zwischen den zugeführten 20 kHz-Eingangssignalen ist. Da das auf der Leitung» erscheinende Signal als Bezugsträger für den Neonrichtenträger auf der Leitung 90 dient, ruft 1« Phasenbeziehung nur eine zyklische Änderung der

um 90° phasenverschobenen Signale auf der Leitung für je 180" Umdrehung der Eingangswelle des Umsetzers hervor. Wenn der feststehende 20-kHz-Bezugs· träger, der dem Umsetzer zugeführt wird, auf die Leitung 93 gegeben würde, dann würden die um 90 pha-

senverschobenen Spannungen auf der Leitung 95 SiCn durch 100 Perioden ändern, entsprechend dem Feinsignal für je 180° Umdrehung der Umsetzereingangswclle. In dieser Weise kann die Grundschaltung nach Fig. 12 parallel verdoppelt werden, um verschiedene

Grade der Umdrehung für eine gegebene Verschiebung der Eingangswelle hervorzurufen.

Die Differenz zwischen der Zahl der Mustere'emente auf den zwei Teilen des Umsetzers kann von der in der Ausführungsform beschriebenen Zahl

abweichen, in welchem Falle das Grob-Ausgangssignal eine entsprechende Änderung in der zahlenmäßigen Beziehung zu dem Fein-Eingangssignal haben würde.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Meßformer mit gegeneinander bewegbaren Elektrodenteilen, wobei die Kondensatorelektroden im Winkel zur Bewegungsrichtung und in zyklischer Reihenfolge derart angeordnet sind, daß das von den Elektroden erzeugte Signal zeitlich proportional der zeitlichen Verschiebung der bewegbaren Elektrodenteile isU wobei ferner sich die kapazitiv miteinander verkoppelten Elektrodenteile vom Stator und RoW^f in Abstand gegenüber so stehen, daß bei gleichzeitiger Verdrehung der Elektrodenteile ein Ausgangssigna! entsteht, das zwischen Maximum und Minimum schwankt und die relative Position von Stator und Rotor anzeigt, und wobei die Kondensatorelektroden aus Leitflächen gebildel sind, die durch eine in Umfangsrichtung verlautende wellenförmige Trennlinie in ein Le'¹" paar getrennt sind, dadurchgekennzeiclr η e t, daß die Kondensatorelektroden (48 bis 66 wenigstens vier Leitungselemenis (55, 56, 58, 59 einschließen, die paarig angeordnet sind, und dl Leitungselemente eines jeden Paares durch eine im wesentlichen sinusförmigen, dielektrische Raum (57, 60) getrennt sind, und diese Trenr räume in beiden Leiterpaaren außer Phase nu' einander liegen, daß eine Anordnung die ^e tungselemente in Phasenverschiebung um 90 verbindet und die Gegenelektroden durch durc Stege (40, 41, 44, 46) leiterartig verbunder Metallringe (35, 3ö, 37, 38, 39) gebildet sind.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadun gekennzeichnet, daß die Trennräume (57, 60) u

90° und die Eingangssignale um 180° außer Phase in den Leitungselementen eines jeden Paares und in Phasenverschiebung um 90° in den Leitungselementen beider Paare sind, wobei Leiterstreifen (48, 49, 50) zwischen den Leiterpaaren auf deren gegenüberliegenden Seiten durch Trennräume (S3, 54) getrennt angeordnet sind und daß die Stege (40, 41, 44, 46) der tellerförmigen Gegenelektroden je eine Breite entsprechend einer Hälfte der Wellenlänge der sinusförmigen Trennräume aufweisen, und daß je einer der Leiterringe (35 bis 39) gegenüber jedem Leiterstreifen (48, 49, 50) angeordnet und mit den Stegen so verbunden ist, daß das Ausgangpsignal 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 Eltmente ist.

3. Meßformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt vier Paare von Leitungselementen (48 bis 66) und eine entsprechende weitere Anzahl von leiterförmigen Gegenelektroden vorgesehen sind, wobei die Wellenlänge der sinusförmigen Trennräume (63, 66) der zusätzlichen Leitungselemente von d6r Wellenlänge der Trennräume (57, 60) der ersten Leitungselemente so abweicht, daß die Phase dei Ausgangssignals von einem Satz der Leitungs elemente der Phase des anderen Ausgangssignal! während der Relativbewegung der sich gegen einander bewegenden Ekktrodenteile nachfolgt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen