DE1762684C - Analog-Digital-Umsetzer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer mit einem beweglichen Teil, dessen Drehwinkel der Analoginformation entspricht, ferner mit einem Magnetkern, der eine Anzahl von Wicklungen trägt, die bei Speisung mit Mehrphasenstrom ein Drehfeld erzeugen, weiterhin mit einem Detektor zur Erzeugung eines Schlußimpulses, dessen Phasenlage dem Drehwinkel des beweglichen Teiles entspricht, sowie mit einer Einrichtung zur digitalen Messung

der Zeitdifferenz zwischen einem Anfangsbezugs- io vorzugsweise die Form von zwei diametral verlaufenimpuls und dem Schlußimpuls. den, L-förmigen Jochen aufweisenden Magnetkreis-

Die bekannten Analog-Digital-Umsetzer, die eine Analoginformation, beispielsweise einen mechanischen Drehwinkel, in Digitalform umsetzen, lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: Umsetzer mit Kodesystem sowie Umsetzer mit einem Impulszähler. Beide Gruppen lassen sich ferner in zwei Untergruppen unterteilen, nämlich Umsetzer mit Bürsten und bürstenlose Wandler.

Bei den bekannten Analog-Digital-Umsetzern mit ao Bürsten tritt unvermeidlich zwischen der Bürste und einer Kodeplatte Reibung auf, was das Betriebsdrehmoment vergrößert. Der ständige Kontakt der Bürste mit der Kodeplatte hat ferner einen Verschleiß zur

Folge, der die Haltbarkeit der Kodeplatte beeinträch- as setzer gehörenden Elemente.

tigt und nach einei gewissen Betriebszeit zu einem In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfin

dungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzers veranschaulicht, der zur Anzeige einer dreistelligen Zahl dient und demgemäß eine Anzeigeeinrichtung mit drei Ziffernanzeigegetrieben I₀, I₁ und 1, enthält. Jedes

teil gebildet wird.

Eid Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzers,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht (im auseinandergezogenen Zustand) eines Teiles des in F i g. 1 dargestellten Umsetzers,

Fig. 3 eine schematische Stirnansicht eines Teiles des Umsetzers zur Erläuterung seiner Wirkungsweise,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise,

F i g. 5 ein elektrisches Schaltbild der zum Um-

der Ziffernanzeigegetriebe I₀," I₁ und I₂ enthält ein Getriebe 3₀, 3, bzw. 3₂ und einen mit dem Getriebe verbundenen, zur Ziffernanzeige dienenden zylin-

verschlechterten Kontakt führt. Hieraus ergeben sich weitere Nachteile, wie allgemeine Beeinträchtigung der Umsetzereigenschaften, insbesor lere das Auftreten von Meßfehlern.

Bei den bürstenlosen Analog-Digital-Umsetzern werden die Signale im allgemeinen mittels eines photoelektrischen Elementes, eines Permanentmagne-

ίεη oder einer Schwingspule aufgenommen. Derartige drischen Teil 5₀, 5_t bzw. 5₂. Der Analog-Digital-Umsetzer werfen jedoch andere Probleme auf, bei- 35 Umsetzer ist so ausgebildet, daß eine von den Anspielsweise Änderungen der von einer verwendeten zeigegetrieben I₀,1₁ und I₂ angezeigte Zahl beispiels-Lampe ausgestrahlten Lichtmenge, Leitungsbrüche weise an einer entfernten Stelle gelesen werden kann, bei Verwendung eines photoelektrischen Elementes, wobei ein Ritzel 2, das sich entsprechend der Analog-Verringerung der Magnetkraft eines benutzten Per- information dreht, in Eingriff mit dem Getriebe 3₀ manentmagnetes usw. Tiiese bekannten Umsetzer be- 40 des Anzeigegetriebes I₀ ist, das eine Ziffer der 1 ernutzen ferner zur Abtastung einen Synchronmotor. Dekade anzeigt. Ein Schneckengetriebe 4₀ treibt das Infolge der mit solchen mechanischen Einrichtungen Getriebe 3, des Anzeigegetriebes I₁ an, das eine Ziffer verbundenen Massenträgheit ergibt sich eine beträcht- der lOer-Dekade anzeigt. Wie ohne weiteres verliehe Einschränkung in der angestrebten Verkürzung ständlich ist, wird bei einer vollen Umdrehung des der für den Abtastvorgang benötigten Zeit; derartige 45 Getriebe» 3₀, wenn sich also dessen Anzeigeweri von Ausführungen ermöglichen daher keine besonders 9 aui* O ändert, das Getriebe 3_X um eine Ziffemteilung rasche Analog-Digital-Umsetzung. weitergedreht. Ein entsprechendes Untersetzungs-Es ist ferner ein Umsetzer der eingangs genannten getriebe 4, ist zwischen den Getrieben 3, und 3₂ vor-Art bekannt, der in Form eines Synchrontransforma- gesehen. Die von den Getrieben 3₀, 3,, 3₂, 4₀ und 4, tors ausgebildet ist. Hierbei werden die Statorwick- 50 gebildete Anordnung ist im übrigen bekannt und belungen mit Mehrphasenstrom gespeist, während von darf daher keiner weiteren Erläuterung, den Wicklungen des Rotors, dessen Drehwinkel der Die zylindrischen Teile S₀, 5, und 5₂, die seitlich Analoginformation entspricht, ein elektrisches Signal neben den Getrieben 3₀, 3, und 3₂ befestigt sind, beabgenommen wird, dessen Phasenlage vom Dreh- stehen aus nichtmagnetischem Material, beispielswinkel abhängt und aus dem der Schlußimpuls ab- 55 weise Bakelit. Die Ziffern sind am Umfang dieser geleitet wird, der eine digitale Zeitmessung beendet. zylindrischen Teile 5 vorgesehen. Auf einer fest-Nachteilig ist bei dieser Ausführung, daß das Meß- stehenden Achse 6 sind drehbar die Anzeigegetriebe signal von einem bewegten Teil, nämlich von dem ent- I₀, I₁ und I₂ gelagert. Die Achse 6 ist zwischen zwei sprechend der Analoginformation gedrehten Rotor, fest mit einer Grundplatte B verbundenen Halterunabgenommen v/erden muß, was die Verwendung von 60 gen la und Ib vorgesehen. Auf der Achse 6 sind Schleifringen oder ähnlichen Einrichtungen bedingt, Lager 11 für die Anzeigegetriebe vorgesehen. Weiterdie einer ständigen Wartung bedürfen. hin ist zwischen den Halterungen la und Ib eine Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, feststehende Achse 8 angebracht, auf der die Schnekeinen Analog-Digital-Umsetzer der eingangs genann- kengetriebe 4₀ und 4, gelagert sind. Zu jedem der ten Art unter Vermeidung der Nachteile der bekann- 65 Anzeigegetriebe I₀, I₁ und I₂ gehört ein erfindungsicn Ausführungen so auszubilden, daß sich der Um- gemäßer Analog-Digital-Umsetzer. Im folgenden wird setzet cJ'Wch eine weitgehende Verschleiß- und War- der zum Anzeigegetriebe I₁ gehörende Wandler tungsfreiheit auszeichnet, keine Schleifringe, Bürsten näher erläutert.

Die feststehende Achse 6 besteht aus nichtmagnetischem Material. Sie trägt einen scheibenförmigen Magnetkern 9 aus magnetischem Material, beispielsweise aus Siliciumstahl. Auf den Magnetkern 9 sind mehrere, beispielsweise drei, Spulen 10a, 10b, 10c gewickelt. Die Wicklungen sind — wie Fig. 2 zeigt — etwa gleichmäßig über den Umfang verteilt. Die so gebildete dreiphasige Wicklung wird mit entsprechendem Mehrphasen-Wechselstrom gespeist (eine Dreiphasenwicklung also mit Drehstrom, vgl. Fig. 5). Der Magnetkern 9 ist beim dargestellten Ausführiingsbeispiel mit Abstand innerhalb des zylindrischen Teiles 5 angeordnet. Dem Magnetkern 9 gegenüberliegend sind etwa L-förmige Joche 12, 12' aus magnetischem Material, beispielsweise ferromagnetischem Material, angeordnet. Das eine L-förmige Joch 12 ist mit dem Getriebe 3 und dem zylindrischen Teil 5 so verbunden, daß der eine Arm 12a des Joches etwa parallel zur Achse 6 innerhalb des zylindrischen Teiles 5 liegt, während der andere Arm 12 b an der Innenseite dös Getriebes zentral verläuft. Das andere L-förmige Joch 12' ist mit der Innenseite des zylindrischen Teiles 5 verbunden, wobei der Arm 12 a' etwa parallel zur Achse 6 innerhalb des zylindrischen Teiles 5 liegt und der andere Arm 12b' die Achse 6 kreuzt. Die Joche 12 und 12' sind so angeordnet, daß die Armel2Z> und 12b' aufeinander ausgerichtet sind, jedoch voneinander einen Abstand aufweisen. Ein Abstand ist ferner auch zwischen dem Arm 12 ft' und dem Magnetkern 9 vorhanden. Der Umfang des Magnetkernes 9 besitzt ferner einen kleinen Abstand von den Armen 12a und 12α', so daß ein magnetischer Weg mit dem Magnetkern 9 und den Jochen 12 und 12' gebildet wird.

An der Achse 6 ist innerhalb des zylindrischen Teiles 5 ein Detektor 13 befestigt, der als ein magnetisch empfindliches Element oder als Spule ausgebildet ist. Bei einer Umkehr des den Magnetkreis durchsetzenden Magnetflusses ergibt sich eine Impedanzänderung, die zu einem Ausgangsimpuls des Detektors 13 führt. Der Detektor 13 ist auf der Achse 6 zwischen den Armen 126 und 12 b' der Joche 12 bzw. 12' mit Abstand von diesen Armen angeordnet.

Die aus den Spulen 10a, 106 und 10c bestehende erwähnte Dreiphasenwicklung wird mit Drehstrom (vgl. die Kurven 14a, 14b, 14c in Fig. 4) gespeist. Die Spannungen sind um 120^u gegeneinander phasenverschoben, so daß ein rotierendes Magnetfeld 15 erzeugt wird, das sich relativ zum Magnetkern 9 um die feste Achse 6 dreht. Der Detektor 13 erzeugt einen Impuls P₁ (vgl. Fig. 4) jedesmal dann, wenn das rotierende Magnetfeld 15 auf die Joche 12 und 12' ausgerichtet ist. Ein Impuls wird ferner in bekannter Weise von der Speisespannungsquelle zu einem Zeitpunkt abgenommen, in dem einer der Ströme, beispielsweise der Strom 14 a, die Abszisse in Fig. 4 kreuzt, 0. h. bei Nullpotential bzw. bei der Änderung der Polarität des Stromes vom Negativen ßo ins Positive, Dieser aufgenommene Impuls wird im folgenden als BezugsimpulsP₁ bezeichnet (vgl. Fig.4). Die Gewinnung dieses 3ezugsimpulses P₁ kann mit Hilfe einer weiteren Anordnung erfolgen, die gleichfalls einen zylindrischen Teil enthält, mit dem Joche wie in den Fig. 1 und 2 verbunden sind, wobei ferner mit der Achse 6 ein Magnetkern verbunden ist, der eine Wicklung trägt, wie sie aus de:. F i g. 2 und 3 hervorgeht. Hierbei ist ferner mit der Achse in gleicherweise wie in den Figuren dargestellt, ein magnetisch empfindliches Element (Detektor) verbünde». In diesem Falle wird der Impuls P₁ von dem Detektor aufgenommen, wenn das im Magnetkern erzeugte, rotierende Magnetfeld auf die Joche ausgerichtet ist. Der Bezugsimpuls P₁ kann selbstverständlich in gleicher Weise auch durch Verwendung einer Spule als Detektor an Stelle eines magnetisch empfindlichen Elementes erzeugt werden. Es ist weiterhin auch möglich, an Stelle der erwähnten Joche und des durch ein magnetisch empfindliches Element oder eine Spule gebildeten Detektors einen Magnetkern zu benutzen. In diesem Falle wird der Kopf gegenüber dem Kern 9 angeordnet, so daß er das rotierende Magnetfeld feststellt \i\tu einen als Bezugsimpuls P₁ dienenden Impuls erzeugt. Die Periode des rotierenden Magnetfeldes 15, d. h. die für eine Umdrehung erforderliche Zeit, kann beliebig gewählt werden, beispielsweise mit 1/5 s.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist ein Signalgenerator, beispielsweise ein Frequenzgenerator 16, vorgesehen, der in bestimmten Intervallen wiederholt ein Signal, beispielsweise einen Impuls Λ> (vgl. F i g. 4) erzeugt. Weiterhin ist ein Torkreis 17 vorhanden sowie ein Zähler 18, der die vom Frequenzgenerator 16 ausgesandten und durch den Torkreis 17 hindurchgelassenen Impulse P₂ zählt. Der Torkreis 17 wird durch den Bezugsimpuls P₁ geöffnet oder geschlossen. Ist das rotierende Magnetfeld 15 auf die Joche 12 und 12' ausgerichtet, so nimmt der Detektor 13 den Impuls P₃ auf. Hierdurch wird der Torkreis 17 wieder geschlossen bzw. geöffnet. Die Zahl der vom Frequenzgenerator 16 ausgesandten und durch den Torkreis 17 hindurchgelassenen Impulse P₂ wird vom Zähler 18 gezählt. Auf diese Weise wird der Drehwinkel des Getriebes 1 einschließlich der Magnetkreisteile 12 und 12' relativ zur Bezugslage, d. h. die Drehwinkelstellung des Anzeigegetncbes ermittelt, In Fig. 5 sind gleiche Bauelemente mit denselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet. Die Schaltung gemäß Fig. 5 enthält noch einen die Wellenform beeinflussenden Verstärker 19, einen Triggerkreis 20 und eine Dreiphasen-Wechselstromquelle. Wird das vom Detektor 13 abgegebene Signal an einer entfernten Stelle gezählt, so ist ein Flip-Flop-Kre's mit Her auf den Verstärker 19 folgenden Stufe verbunden. Das Ausgangssignal dieses Flip-Flop-Kreises wird zu der entfernten Stelle übertragen und dort von einem Flip-Flop-Kreis aufgenommen, dessen Ausgangssignal dem erwähnten Torkreis 17 zugeführt wird.

Wenn bei einer solchen Anordnung das in Fig. 3 angedeutete rotierende Magnetfeld 15 auf die Joche 12 und 12' des Ziffernanzeigegetricbes ausgerichtet ist, wird in den Jochen 12 und 12' ein Magnetfluß erzeugt, der vom Detektor 13 festgestellt wird, was den Impuls P₃ zL.r Folge hat. Der Drehwinkel des Getriebes von der Bezugslagc (in der der Impuls P₁ erzeugt wird) bis zu der Lage, in der der Impuls P₁ erzeugt wird, ist proportional der Zahl der Impulse P₂, die vorn Frequenzgenerator 16 ausgesandt werden und in der Zeitspanne zwischen den Impulsen P₁ und P, den Torkreis 17 passieren können. Der erwähnte Drehwinkel des Getriebes kann also durch die Zehl der Impulse P₂ gemessen werden, die im Zeitinte.val! zwischen den Impulsen P₁ und P₃ den Torkreis 17 passieren. Die in Analogform vorließen-

den Drehwinkel der Ziffernanzeigegetriebc werden also in Digitalform umgesetzt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet keine Bürste und ist damit frei von den hiermit verbundenen, bei den bekannten Ausführungen vorhandenen Nachteilen. Die Verwendung eines rotierenden Magnetfeldes macht ferner die Verwendung von photoclcktrischen Elementen, von Permanentmagneten u. dgl. entbehrlich, so daß auch die hiermit verbundenen Nachteile vermieden werden. Der erfindungs- gemäße Analog-Digital-Umsetzer zeichnet sich damit durch eine hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit, einen kompakten Aufbau und niedrige Herstellungskosten aus.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Analog-Digital-Umsetzer mit einem beweglichen Teil, dessen Drehwinkel der Analoginformation entspricht, ferner mit einem Magnetkern, der eine Anzahl von Wicklungen trägt, die bei ao Speisung mit Mehrphasenstrom ein Drehfeld erzeugen, weiterhin mit einem Detektor zur Er zeugung eines Schlußimpulses, dessen Phasenlage dem Drehwinkel des beweglichen Teiles entspricht, sowie mit einer Einrichtung zur digitalen Messung der Zeitdifferenz zwischen einem Anfangsbezugsimpuls und dem Schlußimpuls, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil durch einen gegenüber dem feststehenden Magnetkern (9) und dem gleichfalls feststehenden Detektor (13) mit Abstand angeordneten, vorzugsweise die Form von zwei diametral verlaufenden, L-förmigen Jochen (12, 12') aufweisenden Magnetkreisteil gebildet wird.

2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (13) durch eine magnetisch empfindliche Diode gebildet wird.

3. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (13) eine Spule enthält.

4. Umsetzer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine bei Überschreitung einer bestimmten Zeitspanne zwischen Anfangsbezugsimpuls und Schlußimpuls ansprechende Alarmeinrichtung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen