DE1498061A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von linearen Verschiebungen oder Winkelverdrehungen - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von linearen Verschiebungen oder Winkelverdrehungen

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an einer Meßvorrichtung für Winkelmaßige Verschiebungen, wie sie in der deutschen Patentanmeldung A 44 109 IXb/42d vom 20.9.1963 beschrieben ist.

Es sei erwähnt, daß gemäß diesem Verfahren die zu messende Verschiebung auf den gemeinsamen Belag eines Doppelknndensators übertragen wird. An dem gemeinsamen Belag des Doppelkondensators liegt eine hohe und in Amplitude und Frequenz gut stabilisierte Hochfrequenzspannung j eine doppelte Differenz-Gleichrichtung an den sekundären Belägen gestattet es, eine Gleichspannung zu erhalten, welcne der durch die Verschiebung hervorgerufenen Kapazitätdifferenz algebraisch proportional ist« Damit man gut

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lineares Ansprechen als .Funktion der zu messenden Verschiebung erreicht, genügt es, daß sich die in Frage kommenden Kapazitäten infolge ihres Aufbaues sehr linear als Funktion der zu messenden Verschiebung verändern, da insbesondere die Handwirkungen durch die bewirkte Subtraktion eliminiert werden können_e

Unter diesen Bedingungen bleibt die Linearität für sehr beträcht liche Kapazitätsänderungen erhalten und nicht für ein schwaches Ungleichgewicht um eine mittlere lage.

Im Hauptpatent ist außerdem unter Bezugnahme auf die Figuren und 5 ausgeführt, daß man durch Verwendung von abgestimmten Leitungen nur die Doppel-Kapazität am Ort des Empfängers lassen kann, was außer dem Vorteil eine» verminderten Saumbedarfs, die Verwendung eines Empfängers bei sehr strengen Umgebungsbedingungen (beispielsweise der Temperatur), gestattet«

Dennoch ist es in zahlreichen Anwendungsfällen vorteilhaft, die Differenz-Gleichrichtung im Smpfänger vorzunehmen. Es ist offensichtlich möglich, die Verwendung einer auf Resonanz abgestimmten Leitung in Betracht zu ziehen, um die Hochfrequenzspannung zum Empfänger zu übertragen und das Informationssignal über ein anderes Koaxialkabel zurückzuführen»

Diese Anordnung weist jedoch einige Nachteile auf, nämlich/

die durch die $nge]ißte Frequenz zwangsläufig erforderliche

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Länge der Verbindung, die Verwendung von zwei Kabeln, die beträchtlichen Verluste in der Besonanzleitung.

Die vorliegende Erfindung hat die Verbesserung dieser Vorrichtungen zum Ziel und sie bestent ganz oder teilweise aus folgenden Vorrichtungen:

a) bei einer ersten Au^fuhrun^sform ist

1. ein einziges Kabel zum übertragen einer Hocnfrequenzwelle konstanter Amplitude und des Informationssignals (ir.it i-ilfe von zwei Treni.filtern am Mngang bzw. am Ausgang) vorgesehen?

2. die Verwendung eines Impedanz-Anpassungstransformators vorgesehen, der das Festlegen der Gebrauchsfrequenz durch Abstimmen der Sekundärwicklung nahezu unabhängig von der Länge des Übertragungskabels macht, welche* also an seinen "Wellenwiderstand angepaßt ist.

b) bei einer zweiten Ausführungsform, die insbesondere dazu geeignet ist, eine none iile^genauigkeit zu erreichen, ist

. .· vorgesehen;

1. die Verwendung einer Bezugsspannung, die aus einer ■■ -: stabilisierten opannungsquelle entnommen wird, um verwendete Hochfrequenzachwingung durcn Segren-

zung der Amplitude in ^eder -H al cw eile festzulegen; 2* daü im zuletzt erwähnten Fall die Segrenzerstufe aus zwei.dioden besteht. ■

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in dieser zeigen:

Pig. 1 das Schaltschema einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

. 2 das ßchaltschema einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 kann man im Gegensatz zu den ±ψ Hauptpatent beschriebenen Ausführungsbeispielen nur ein einziges Verbindungskabel von einer nicht vorgegebenen und beschränkten Länge verwenden und einen unzulässigen Verlust bei großen Übertragungsstrecken, indem der Hochfrequenzstrom •mit niedriger Spannung übertragen wird, vermeiden»

Ein einziges Koaxialkabel 1 verbindet den Empfänger 15 mit seiner Versorgungsquelle 16. Die Entkoppelkondensatoren 2, deren Impedanz für hohe Frequenzen sehr gering und für die Informationssignale mit viel tieferen Frequenzen sehr hoch ist, gestatten die gleichzeitige Übertragung einer von dem stabilisierten Oszillator 3 gelieferten Hochfrequenzwelle mit konstanter Amplitude und des vom Empfänger hergekommenen Informationssignals. Der Transformator 4, der je nachdem mit Ferritkern oder ohne magnetischen werkstoff ausgebildet sein

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kann, gestattet die Herabsetzung der vom Empfänger am gemeinsamen Belag 5 dargebotenen hohen Impedanz auf einen Wert nahe dem Wellenwiderstand des Kabels 1. Das Hochfrequenzpotential am Belag 5 erreicht seinen Maximalwert etwa bei der Abstimmfrequenz mit der parasitären Kapazität 12 der Sekundärwicklung des (Transformators. Diese Abstimmung bestimmt praktisch die Betriebsfrequenz der Einrichtung nahezu unabhängig von der länge des Kabels 1; das Kabel ist also für ein geeignetes Transformationsverhältnis praktisch an seinen Wellenwiderstand angepaßt. Beispielsweise wurden Hinauf-Übersetzungsverhältnisse in der Größenordnung von 50 mit guter Stabilität bei Frequenzen von 3 bis 15 MHz erreicht; diese Frequenzen können über ziemlich große Entfernungen ohne unzulässige Dämpfung übertragen werden. Die von den Dioden 6, den Widerständen 7 und dem Kondensator 8 gebildete differentielle Fachweisanordnung liefert ein Grleichspannungs-Signal, welches der gemessenen Verschiebung proportional ist; das Signal kann dem Verbindungskabel über eine dazwischenliegende, die nachweiseinrichtung vor Hochfrequenzstrom schützende Drosselspule 9 zugeführt werden. Dieses Signal wird am Ort der Versorgungsquelle durch den aus der Selbstinduktion 10 und dem Kondensator 11 gebildeten Filter (gleicher Bauart) abgenommene Die Information kann an der Klemme 14 abgegriffen werden. Es sei bemerkt, daß die im Empfänger liegenden Elemente # und 9 nicht unentbehrlich sind, und daß ihr Weglassen, d.h. wenn eine direkte Schleife die Widerstände

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mit dem Kabel 1, wie es durch die gestrichelte xiinie 13 angedeutet ist, verbindet, keine merklichen Nachteile für die Wirkungsweise des Empfängers mit sich bringt und seinen Aufbau vereinfacht.

Aufgrund der großen Hinauf-ubersetzungsverhältnisse, welche infolge der durch den Transformator 4 bewirkten Anpassung der Impedanz ermöglicht werden, kann man, bei gleicher Hochfrequenzleistung des Oszillators 3» eine im Verhältnis zur vorherigen Ausführung stark erhöhte Empfindlichkeit erreichen, und zwar unter Beibehaltung der außerordentlichen Güte der Auflösung und Linearität dieses Verfahrens. Beispielsweise kann die Informationsspannung bei einer auf die Größenordnung von 1 Watt eingestellten Hochfrequenzleistung den Bereich von * 5 Volt, bezogen auf eine Ausgangsimpedanz von 5000 Ohm, bestreiche!, unabhängig vom Hub (welcher von 100 /U bis 100^ mm oder weiter gehen kann) der Vorrichtung. Derartige Leistungen gestatten beispielsweise die direkte Verwendung (ohne Verstärkung) einer robusten elektromechanischen Vorrichtung und zwar etwa für einen kleinen Teil des Hubes.

Das im folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel weist insofern besondere Vorteile auf, als es die Meßbeständigkeit trotz möglicher Änderungen des Oszillatorverhaltens beibehält, so daß im vorherigen Beispiel die Steigung der Ansprechkurve direkt proportional dem Ausgangspegel des letzteren und mit

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seinen Schwankungen verknüpft ist. Andererseits ist im Fall der Fig. 1 bei dem im Empfänger angeordneten Hinauf-Transformator der Sekundärkreis mit der parasitären Kapazität abgestimmt, welche zur Masse entsprechend der Geometrie und dem Aufbau des Empfängers vorhanden ist; diese Kapazität kann gegebenenfalls durch eine Zusatzkapazität verdoppelt werden, welche die Veränderung der Arbeitsfrequenz ermöglicht. Der Oszillator-Kreis weist eine Eigenfrequenz und einen Überspannungsfaktor auf, welche sich thermisch ändern können und so zusätzliche Kejfehler ge schaffen, indem sie direkt auf das Hochfrequenzpotential, welches an dem Mittelbelag des Differentialkondensators angelegt ist, einwirken.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform gestattet es, diese Fehlerursachen zu vermeiden. Im Fall des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels verbindet die Koaxialleitung 101 den Oszillator 102 mit dem Transformator 1031 welcher die Eingangsimpedanz des Empfängers auf ihren Wellenwiderstand bringt·; die Koaxialleitung ICl dient stets zugleich zur Übertragung des vom Empfänger gelieferten Sieichstrom- bzw» Kiederfrequenz-Informationiisignals; infolge der Bntkoppelkondensatoren 1C4 und der Filter 105» 106 sowie 107, 108, welche im Versorgungsteil bzw. im Empfänger angeordnet sind, wird die Information von der Klemme 109 abgenommen. Es sei daran erinnert, daß man das Filter 107, 108 möglicherweise ohne Nachteil für die Qualität der Messung weglassen und durch die Verbindung ersetzen kann, ^ ie Leitung IcI wiri durch eine weitere

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Koaxialleitung 111 verdoppelt, welche zum Ort des Empfängers eine Bezugsspannung Vo von einer sehr gut stabilisierten Quelle 112 überträgt. Die Dioden 113 und 114- gestatten es, daß an den Mittelbelag gelegte Hochfrequenzsignal auf die Potentiale

da
Null bzw. Vo zu begrenzen;/der Fußpunkt der Sekundärwicklung des Transformators 103 durch eine hohe Kapazität 123 entkoppelt ist, kann die so geänderte Schwingung des Sekundärkreiees symmetrisch im Verhältnis zu Vo/2 sein» Die doppelte Differenz-Gleichrichtung wirkt in der Tat wie eine Vorrichtung, welche die Differenzen integriert, und sie liefert ein Signal, welches der Differenz der in jeder Periode an den Sekundärbeläagen auftretenden Elektrizitätsmengen proportional ist·

Diese Elektrozitätsmengen sind wesentlich mit der (je Halbwelle) an dem Mittelbelag angelegten Potential-Differenz verknüpft. Daraus folgt, daß bei einer geeigneten Abstimmung und Begrenzung der Sekundärschwingung, jede relative Veränderung des Oszillatorausgangspegels um seinen mittleren Betriebswert herum sich durch eine Deformation der nichtlinearen Sekundärschwingung bemerkbar macht, die ohne Veränderung de» Halbwelle für Halbwelle-Potentials, nämlich Vo, erhalten wird}

auf diese Weise wird die vom Meßsignal erfahrene relative Veränderung (is Prinzip Null nach den vorhergehenden Begründungen) sicn praktisch in einer Größenordnung befinden,- welche deutlich unter dieser Veränderung des OszillatorsausgangspegelB ^liegt·

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Gleichfalls wirken sich Veränderungen der Eigenfrequenz-Eennlinien_Nund der Überspannung des Sekundärkreises (welche durch thermische Veränderungen oder durch Alterungen des verwendeten Materials hervorgerufen wurden) nur in vernachlässigbarer Y/eise auf das Messignal aus.. Daraus folgt, daß in der Praxis die Stabilität der Steigung der Ansprechkurve des Smpfängers wesentlich von der Stabilisierung.der Bezugsspannung Vo abhängte

'Wenn man eine Vorrichtung mit höchster Meßtreue zu bauen wünscht, so scheint es, daß bei sehr gut stabilsierter Spannung Vo der größte Störfaktor, welcher Steigungsänderungen zur Folge hat, die mögliche Frequenzabtrift und weniger die Pegeländerung des Oszillators ist, wenn dieser von einer gewöhnlichen Hilfsoszillatorstufe gesteuert wird,, Daher wird man vorzugsweise einen quarzgesteuerten Oszillator benutzen. Eine einstellbare Kapazität 124 im Empfänger gestattet dann die Einstellung der Arbeitsfrequenz des letzteren auf die Quarzfrequenz.

Schließlich können die thermischen Änderungen der G-leichrichterdioden 115 j 116 möglicherweise durch die Änderungen von parallel angeordneten widerständen 117» 118 kompensiert werden, welche derartige Temperaturkoeffizienten haben, daß ihre Änderungen, die von den dioden ν erursachten Änderungen kompensieren.. Du ruh 7/ahl der Werte der parasitären Kapazitäten 119 und 120 und der ./erte der „iderstände 121 und 122 kann man eine ausgezeichnete linearität ^ogar bei einem starken Ließ signal erhalten,

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die

welches Hochfrequenzsignalen an den Sekundär-BeläRgen,4-m Verhältnis zum Potential Vo nicht vernachläsaigbar sind, entsprechen kann. Bereiche von mäireren Volt-Dekaden können auf diese Weise vom Meßsignal bestrichen werden, ohne daß die Linearität des Ansprechens beeinträchtigt wird.

Bs sei bemekrt, daß anstelle der zwei Begrenzungadioden jede andere bekannte Vorrichtung zur Begrenzung verwendet werden kann ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen würde*

Patentansprüche;

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Claims (4)

JL^l Patentansprüche

1) Vorrichtung zur Messung von Verschiebungen nach Patent ....«.<> (Patentanmeldung A 44 109 IXb/42d), gekennzeichnet durch zwei Trennfilter am Eingang und Ausgang sowie durch die Verwendung eines einzigen Kabels zur Übertragung der Hochfrequenz von konstanter Amplitude und des Informationssignals.

2) Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Impedanz-Anpassungstransformator, der die Festlegung der verwendeten Frequenz durch Abstimmung der Sekundärseite nahezu unabhängig von der Länge des Verbindungskabels gestattet, wobei das Kabel an seinen Wellenwiderstand angepaßt ist.

5) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge"kennzeichnet , daß die Bezugsspannung von einer stabilisierten Spannungequelie abgenommen wird, um die Amplitude der verwendeten Hochfrequenzschwingung Halbwelle für Halbwelle durch Begrenzung festzulegen·

4) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dai die Begrenzungsstufe durch zwei Dioden gebildet wird.

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