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Verfahren und Vorrichtung zur digitalen Weg-und Winkelmessung Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Impulsen
für die digitale Weg- und Winkelmessung nach dem Inkrementalverfahren.
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Für die rückwirkungsfreie Gewinnung von Zählimpulsen aus einer mec.-anischen
Dreh- oder Geradeausbewegung sind bisher induktive und lichtelektrische Impulsgeber
bekanntg worden.
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Die induktiven abtaster beruhen auf der Induktion einer Spanriung
in einer Wicklung bei Änderung des die Wicklung durchsetzenden Magnetflusses. Diese
Änderung wird durch eine entsprechende Ausbildung des Wicklungskernes und des meist
das Geb-rteil bildenden Ankers erreicht.
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Lichtelektrische Impulsgeber besitzen eine Lichtquelle und ein licntelektrisches
Element. Der Strahlengang zwischen Lichtquelle und Fotoelement wird durch eine Loch-
oder Rasterscheibe periodisch und proportional zum Drehwinkel unterbrochen. Das
Foto element wandelt die Lichtstärkeschwankungen in Stromimpulse um.
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Weiter sind Impulsgeber mit Hallgeneratoren bekannt. Sie arbeiten
mit einem Permanentmagnetfeld und einem Hallgenerator an Stelle der Induktionsspule.
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Induktive Impulsgeber haben den Nachteils daß die abgegebene Spannung
geschwindigkeits- bzw. drehzahlproportional ist und aus diesem Grunde ein Kleinstwert
nicht unterschritten werden darf. Dadurch wird die Messung von BeweOungen bis zum
Stilltand unmöglich. Weiter ist die Feinheit der Teilungen durch den mechanischen
Aufbau bzw. die Abmessungen der Abtastspulen begrenzt. Sie können deshalb für Messungen
bis zum Wert Kull nicht eingesetzt werden.
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Lichtelelektrische Impulsgeber benötigen als Lichtquelle eine Glühlampe,
deren Lebensdauer und damit die Zuverlässigkeit des Gerätes begrenzt ist. min wesentlicher
Nachteil besteht darin, daß eine exploslonssichere Ausführung des Impulse gebers
nur mit sehr hohem Aufwand zu realisieren ist. Sollen die Impulse über größere Entfernungen
übertragen werden, so ist weiterer Aufwand an Bauelementen zur Sicherung gegen Störimpulse
erforderlich.
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Zweck de Erfindung ist es, die bisher vorhandenen und aufgeführten
Mängel bei der erzeugung von fortlaufenden Impulsen aus Dreh- oder Linearbewegung
zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrundt, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Erzeugung von Impulsen zu schaffen die sich ohne Schwierigkeiten in explosionsgeschützter
Ausführung herstellen läßt, eine hohe Lebensdauer bei wartungsfreier Arbeit aufweist
und die Pernübertragung von Impulsen ohne großen zusätzlichen Aufwand ermöglicht.
Weiterhin soll aus der Phasenlage zweier Impulsfolgen die Bewegungsrichtung erkennbar
sein.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem an
sich bekannten kapazitiven Wandle, dessen Kapazität sich periodisch, proportional
der zu messenden Strecke oder des zu messenden Drehwinkels einer Meßzelle um einen
Mittelwert ändert, die Resonanzfrequenz angekoppelter Os-Oszillatoren um einen Frequenzhub
von mehr als 1,5-fachen der
Bandbreite eines nachgeschalteten Filters
verändert wird.
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Din weiteres Merkmal der brfindung besteht darin, daß der kapazitive
Wandler an mit einer konstanten Frequenz angeregte Schwingkreise gekoppelt wird
und diese im Rnythmus der Kapazitätsänderung um mehr alsdas 1,5-fache ihrer Bandbreite
verstimmt.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist erfindungsgemäß
das Merkmal auf, daß der kapazitive Wandler aus einem beweglichen, mit der Meßwelle
verbundenen Teil, vorzugsweise einer Scheibe und einer oder mehrerer in geringem
Abstand zur Scheibe befestigten und aus Nichtleitern bestehenden Gegenelektroden
besteht und an den einander zugewanaten Flächen einen kammartigen Metallbelag tragen,
dessen Stegbreite gleich oder ein Vielfaches der pro Weg-oder Winkelelement zu erzeugenden
Impulse ist.
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Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher
erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 s den kapazitiven
Wandler Fig. 2 t das Schaltbild für ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit moduliertem Oszillator Fig. 3 t ein Diagramm der'Wirkungsweise der Schaltung
Fig. 4 t das Schaltbild f<ir ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit
veränderlicher Filterkreisfrequenz.
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In Fig. 1 ist die Scheibe 1 auf de Meßwelle 4, beispielsweise de Zeigerwelle
einer Rundzeigerkopfwaage, befestigt und stellt den einen Belag der mit den elektroden
2!; 2"; 3 gebildeten Kondensatoren dar. Scheibe 1 und elektroden 2'; 2" tragen einen
kammartigen Metallbelag mit gleichem Rastermaß. Der Abstand der Elektroden von der
Scheibe 1 ist klein
gegen das Rastermaß. Bei Drehung der Scheibe
1 schwenkt dadurch die Kapazität der Elektroden 2' und 2" gegen Scheibe 1 proportional
der Deckung der beiden Raster.
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Zur Vermittlung der Drehrichtung sind die Elektroden 2' und 2" um
ein Vielfaches plus ein Viertel des Rastermaßes gegeneinander versetzt angeordnet.
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Fig. 2 zeigt ein Beispiel zur erfindungsgemäßen Durchführung des Verfahrens.
An die frequenzbestimmenden Schwingkreise der Oszillatoren 5; 6'; 6" sind die Elektroden
3S 2tF 2" gekoppelt. Bei Änderung der Kapazitäten durch Drehung der Scheibe 1 ändert
sich somit die Frequenz der Oszillatoren 5; 6'; 6". Dabei ändert sich die Kapazität,
des aus Scheibe 1 und Elektrode 3 gebildeten Kondensators nur mit einer eventuell
vorhandenen Exzentrizität der Scheibe 1 bei den beiden anderen Kondensatoren werden
Änderung durch Exzentrizität und Änderung durch die Rastereinsteilung überlagert.
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Die Oszillatoren sind so an die Mischstufe 7 geschaltet, das an deren
Ausgang die aus der Differenzbildung der Frequenzen der Oszillatoren 5 und 6' sowie
6" und 5 entstehenden Mischfrequenzen vorhanaen sind',' Die Filterstufe 8 ist an
den Ausgang der Mischstufe 7 geschaltet. Sie ist so dimensioniert, daß ihre Eandbreite
b etwa halb so groß wie der Frequenzhub Ä f der Frequenzen der Oszillatoren 6' und
6" ist und i@e Mittenfrequenz symmetrisch zum Frequenzhub f liegt ( s. Fig. 3).
Dadurch werden der am Ausgang der Filterstufe 8 angeschlossenen Gleichrichterstufe
9 nur dann hochfrequente Impulse zugeführt, wenn sich eine der beiden Differenzfrequenzen
innerhalb des Durcblaßbereiches des Filters 8 befindet. Dadurch, daß die Elektroden
2' und 2" um ein Viertel der Rasterteilung versetzt angeordnet sind, ist gewährleistet,
daß sich immer nur eine der beiden
Differenzfrequenzen im Durchlaßbereich
des Filters 8 befindet.
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Ein weiteres Beispiel zur Durchführung des Verfahrens zeigt Fig. 4.
Die Elektrode 3 ist an den Oszillator 5 geschaltet, die Elektroden 2' an Schwingkreis
10' und 2" an Schwing kreis 10". Bei einer Kapazitätsänderung an 2' und 2" wird
somit die Resonanzfrequenz der Schwingkreise 10' und 10" verändert. Auch in diesem
Beispiel sind die Schwingkreise 102 und 10" so dimensioniert, daß ihre Bandbreite
b etea halo so groß ist wie der durch die Kapazitätsänderung erreichte Frequenzhub
f. Damit entstehen an den ausgängen der Schwingkreise 11' und 11" die durch die
Anordnung der Elektroden phasenterschobenen Signale, wie sie zur Erkennung der Drehrichtung
benötigt werden. Die Frequenz des Oszillators 5 kann wahlweise in die Mitte des
Frequenzhubes zwischen oberer-und unterer Grenzfrequenz der Schwingkreise 10' und
10" bezogen auf die maximale Änderung der Resonanzfrequenz des Filters, oder auf
eine der beiden Grenzfrequenzen gelegt werden, Je nachdem, ob eine Verdoppelung
der Rasterimpulse gewünscht wird oder nicht.